[发明专利]一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速铁路牵引供电、电力电子技术及电能质量治理领域的系统，具体涉及一种高速铁路电能质量及牵引网电压综合补偿系统。

背景技术

高速铁路以其运行速度快、运量大、节能环保、安全舒适、综合效益突出等优势，受到世界各国的重视，发展十分迅速。目前，我国高速铁路营业里程已超过1万公里，居世界第一位。根据规划，到2020年，将建成时速200公里及以上的高速客运专线1.6万公里。

高速铁路全部采用电力牵引方式，为其供电的绝大多数牵引变电所接入220kV输电网，给电网带来严重的电能质量问题。相对于以运行直流机车为主的普通电气化铁路，高速铁路对电网电能质量的影响具有如下新的特点：一是负序问题更为突出，高速电气化铁路机车运行速度高，机车的牵引功率随着速度的增加成指数增长，16辆编组在350公里时速下列车总装机容量可达29500kVA，再加上采用V/V牵引供电方式，向电网注入大量的负序电流，同时机车采用再生制动，向电网回馈功率，引起供电母线电压不平衡和电压波动；二是谐波问题更为复杂，交-直-交机车采用PWM控制方式，大大减小了低次谐波含量，但由于机车基波电流大大增加，其注入电网的低次谐波的绝对值还是很可观。此外，机车网侧谐波电流频谱加宽，最高可达几kHz，高次谐波电流丰富，根据现有电能质量国家标准，高速铁路牵引变电所会同时出现3～25次谐波范围内所有奇次谐波电流同时超标的现象。上述问题将会给电网、其他用户及高速铁路自身的供电安全和可靠性带来很大影响，同时也给电能质量的治理带来新的挑战。

高速电气化铁路机车对供电可靠性的要求比普通电气化铁路更高，高速动车组的额定运行电压范围为25kV至29kV，当电压下降到22.5kV至25kV范围时，牵引力降至额定功率的90%，其他电压范围内，牵引力将下降到0；此外，高速铁路对供电臂的越区供电能力要求高，要求在事故情况下能够实现越区供电，允许全部列车在减速条件下通过故障供电臂。为了保证运输能力和动车组的安全，牵引网供电电压水平必须保证在合理的范围。根据研究，由于高速铁路牵引网负荷电流大，牵引网等效阻抗引起的电压降约占综合压降的67%，补偿牵引网引起的电压降对于改善动车组运行环境、保障机车运行安全、提高运力具有重要现实意义。

针对上述高速铁路的谐波、负序、牵引网电压问题，国内外已经采取了各种补偿措施，包括固定并联电容补偿装置（Fixed Capacitor，FC）、静止无功补偿器（Static Var Compensator,SVC）和静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator,STATCOM）。安装在牵引变压器高压侧的三相SVC装置可用来补偿负序及低次谐波电流，安装在牵引变压器低压侧或分区所的单相SVC装置可用以补偿功率因数、低次谐波及牵引网电压，但由于SVC装置本身也产生谐波，不但影响了电网和负载，也影响其补偿性能，导致系统滤波要求及损耗增大。

STATCOM装置采用了脉冲宽度调制(PWM)控制、瞬时电流检测技术和多重化结构，由于工作在电压源变流器模式，其桥式变流电路直流侧储能元件的容量远比所能提供的谐波和基波容量要小，而对于SVC装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所需提供的谐波和无功容量，因此STATCOM装置中储能元件的体积和成本比同容量的SVC大大减小，且补偿性能和响应速度均优于SVC。STATCOM装置在牵引变压器三相侧安装时，能够较好的补偿负序及低次谐波电流，当采用平衡牵引变压器供电时，在牵引侧安装两个单相STATCOM装置直流侧相连构成背靠背STATCOM装置（日本学者称之为铁路功率调节器RPC，Railway Static Power Conditioner），利用该装置能对两供电臂的有功、无功及谐波进行控制，使两供电臂的负荷时刻处于平衡状态，从而实现对负序、无功的综合补偿，一定程度上补偿3、5、7次等低次谐波电流，稳定牵引网电压，是一种综合性能较好的补偿方式。受限于装置的开关频率，RPC装置只能有限补偿低次谐波电流，对于高次谐波则不能补偿。