[发明专利]一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置

说明书

技术领域

本发明属于电气化铁路供电、电力电子技术及电能质量治理领域，具体讲涉及一种用于电气化铁路牵引侧的三相SVC补偿装置。

背景技术

随着电气化铁路的迅速发展，电气化铁路对电力系统电能质量的影响已经成为一个不容忽视的问题。一方面，由于我国电气化铁路牵引供电系统都采用单相供电方式，电力机车为单相负荷，无论牵引变压器采取何种接线方式，都将向电力系统注入较大的负序电流；另一方面，电力机车采用电力电子变流器，会产生谐波电流注入电力系统。此外，由于牵引变电所的负荷随供电臂内列车的数量和每一列车的运行状态随时波动，因此电气化铁路负荷还具有随机波动性。

伴随着客运高速和货运重载铁路的发展，上述问题还会出现不同程度的新变化：

(1)牵引负荷容量的逐渐增大，这将直接造成注入系统中的负序电流增大，进而使电力系统的三相电压不平衡问题加重。尤其是在我国许多地区，电气化铁路供电系统的短路容量将长期滞后于电气化铁路负荷的发展。因此，电气化铁路负序问题将成为今后我国电气化铁路电能质量中首要问题。

(2)直流驱动电力机车逐渐被交流驱动电力机车所取代。由电力机车产生的无功电流和低次谐波电流将大为减小，交流传动机车负荷侧功率因数很高，因此稳态和动态无功引起的电能质量问题也将显著减弱，三相电压波动将主要由单相电铁负荷的有功冲击引起。

针对上述电气化铁路的电能质量问题，国内外已经采取了各种补偿措施。其中，比较普遍的方法是在牵引站装设固定电容(Fixed Capacitor，FC)补偿设备。这类设备的共同特点是在无功补偿的同时对谐波电流进行治理。但是由于这类装置属于固定补偿方式，不能灵活调节，无法实现动态补偿，补偿装置在供电臂空载或轻载时将向系统倒送无功，造成母线电压升高，对机车工作不利，而在重载时无功补偿又不足。

随着电力电子技术和柔性输配电技术的发展，静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)以及基于自关断器件的大容量铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner，RPC)开始应用于电气化铁路的电能质量治理。由于电气化铁路为高压大容量负荷，因此对电能质量装置也具有高压大容量的需求。对于基于自关断器件的STATCOM和RPC等治理装置，需要通过多电平、多重化、级联等技术提高装置的容量，装置设计复杂、造价高、控制难度大。相对STATCOM和RPC，基于晶闸管的静止无功补偿器SVC可以较容易的实现装置高压大容量的要求，且具有结构简单、控制方法成熟、工程造价低等优点，因此在电气化铁路电能质量治理中得到了广泛的应用。

目前用于电气化铁路补偿的SVC通常有两种方式：一种是在牵引侧的两个供电臂分别加装单相静止无功补偿器SVC，采用单相晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)加固定电容FC构成的单相SVC直接安装在牵引侧，又称直挂式SVC；另一种是系统侧SVC，采用单相晶闸管控制电抗器TCR加FC构成的三相SVC安装在牵引变原边侧，如果装在电力系统变电站内，则可实现电力系统内的集中电能质量补偿。

牵引侧SVC直接装设在供电臂上，通过调节晶闸管触发角实现平滑调节TCR所产生的无功功率，使负载无功变化与TCR所产生的变化无功功率之和为常数，此常数感性无功功率与FC的容性无功功率相抵消，最终使电网的功率因数保持在较高的水平，同时使牵引网电压保持在要求的范围内。此外，通过FC支路滤除电力机车产生的谐波，使装置具有供电臂电压支撑、功率因数控制和谐波抑制的综合补偿效果，具有接入电压等级低、设计简单等优点。但是该种补偿方式由于无法实现供电臂之间的能量流通，所以不能实现负序补偿。电网侧SVC接于三相系统，其功率因数控制和谐波抑制原理与牵引侧SVC基本相同，还可进一步利用斯坦米兹(Steinmetz)原理实现对不平衡负荷的进行补偿，起到补偿电气化铁路负序电流的作用。但是，由于三相系统电压等级较高(110kV)以上，SVC需要通过升压变才能接入，这将增加SVC的占地面积和工程造价，也增加了SVC设计制造上的复杂性。

发明内容