电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置及控制方法与流程

本发明涉及电气化铁路，具体为一种电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置及控制方法。

背景技术：

1、电气化铁路属于典型的非线性、波动性、三相不对称负荷，运行过程中产生谐波畸变、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量干扰问题。目前主流的列车采用新型的交-直-交动车组牵引，谐波含量显著降低，已降至电网耐受范围之内，一般不再加装滤波装置。

2、电铁牵引变电站低压侧为单相或两相供电，其不对称供电会在电力系统中产生负序分量。虽然通过接入短路容量更大、电压等级更高的电网节点以及牵引变电站之间轮序换相等技术手段减弱了电铁的不平衡影响，但问题尚未得到有效解决。负序电流在发电机中产生负序旋转磁场和脉振转矩，使发电机产生振动和转子局部过热现象，危害设备。相较于牵引变电所采用三相 v，v（x）接线牵引变压器，采用单相变压器对于牵引负荷的变化具有更好的适应性、牵引供电系统供电能力更强、工程投资更小等优点，目前越来越多的牵引变电站变压器采用单相变压器。但单相变压器的负序含量更高，三相不平衡问题更加严重，其治理难度也更高。

3、机车自然功率因数高，不产生无功功率，但牵引变压器由于空载电流和漏抗的存在，普遍存在10%左右的无功损耗，该无功分量同样会拉低功率因数，增加网损，引起牵引变电站电压降落、电压波动和闪变等问题，降低电网运行的经济性，甚至影响机车的安全稳定运行。随着电气化铁路的发展和电气化铁路负荷的增加，上述负序和无功两个问题仍严重地影响着电网的安全运行。为了限制电气化铁路对电网造成的影响与危害，保证电网和牵引供电系统安全、稳定运行，应采取相应电能质量治理措施，使牵引变电站高压电源进线侧三相电流平衡，功率因数提升到1.0，最大限度减轻牵引变电站对电网电能质量的影响和危害。

4、为了治理电铁系统的负序和不平衡问题，国内外工程师提出了很多相关专利技术。例如，国内同类型发明专利“用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置（申请号：cn200610089396.7）”提供了一种用于电气化铁道无功功率补偿与电能质量控制的补偿装置，该装置不适用于采用单相变压器的牵引变电站。例如，国内同类型发明专利“一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置（申请号：cn201310353901.4）”公开了一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置,该装置适用于谐波滤除，对三相不平衡改善幅度非常有限。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置及控制方法。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置，应用于电铁的牵引变电站；所述牵引变电站的单相牵引变压器的高压绕组端子接入所述牵引变电站的三相高压电源，所述单相牵引变压器的低压绕组端子接入所述电铁的传输线和正馈线；所述补偿装置包括：互为热备用的第一单相补偿变压器和第二单相补偿变压器，和直流侧并联连接的第一单相电压源换流器、第二单相电压源换流器和第三单相电压源换流器；所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器共用一组支撑电容器；所述第一单相电压源换流器的第一交流端口通过第一连接电抗器接入所述传输线，所述第一单相电压源换流器的第二交流端口接入所述正馈线；所述第二单相电压源换流器的第一交流端口连接第二连接电抗器的一端，所述第二单相电压源换流器的第二交流端口和所述第二连接电抗器的另一端分别接入所述第一单相补偿变压器的低压绕组的两个电气端子；所述第三单相电压源换流器的第一交流端口连接第三连接电抗器的一端，所述第三单相电压源换流器的第二交流端口和所述第三连接电抗器的另一端分别接入所述第二单相补偿变压器的低压绕组的两个电气端子；所述第一单相补偿变压器和所述第二单相补偿变压器的高压绕组端子接入所述三相高压电源。

3、进一步地，所述单相牵引变压器的高压绕组端子接入所述三相高压电源的a相和b相；所述第一单相补偿变压器的高压绕组端子接入所述三相高压电源的b相和c相；所述第二单相补偿变压器的高压绕组端子接入所述三相高压电源的c相和a相。

4、进一步地，所述单相牵引变压器的低压绕组中点端子接地。

5、进一步地，所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器均为单相桥式电压源换流器。

6、进一步地，所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器均采用两电平全桥拓扑结构，功率器件采用绝缘栅双极晶体管。

7、第二方面，本发明实施例还提供了一种电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置的控制方法，应用于本发明实施例提供的电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置；所述方法包括：获取所述单相牵引变压器在低压侧流入所述传输线的电流有效值和相位角；基于所述电流有效值和所述相位角，分别确定所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器的目标电流；基于所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器的目标电流和实际工作电流，采用电流滞环比较、pwm调制和载波移相pwm方法，分别输出所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器的功率器件控制信号。

8、进一步地，所述第一单相电压源换流器的目标电流，包括：

9、

10、其中，ivsc1为所述第一单相电压源换流器的目标电流，ivsc1-p为所述第一单相电压源换流器的有功电流分量，ivsc1-q为所述第一单相电压源换流器的无功电流分量，irms为所述电流有效值，θ为所述相位角，kp为比例增益系数，udc为所述支撑电容器的两端直流电压，udcref为所述支撑电容器的目标直流电压，ki为积分增益系数，ω为单位时间通过的电角度，t为时间，β为负载率，uk为所述单相牵引变压器的短路压降百分比，in2为所述单相牵引变压器的低压绕组额定电流，i0为所述单相牵引变压器的空载电流百分比。

11、进一步地，所述第二单相电压源换流器的目标电流，包括：

12、

13、其中，ivsc2为所述第二单相电压源换流器的目标电流，ivsc2-q1为所述第二单相电压源换流器用于牵引负荷三相平衡化的无功电流分量，ivsc2-q2为所述第二单相电压源换流器用于所述第一单相补偿变压器自身无功损耗补偿的无功电流分量，ukc为所述第一单相补偿变压器和所述第二单相补偿变压器的短路压降百分比，inc2为所述第一单相补偿变压器和所述第二单相补偿变压器的低压绕组额定电流，i0c为所述第一单相补偿变压器和所述第二单相补偿变压器的空载电流百分比。

14、进一步地，所述第三单相电压源换流器的目标电流，包括：

15、

16、其中，ivsc3为所述第三单相电压源换流器的目标电流，ivsc3-q1为所述第三单相电压源换流器用于牵引负荷三相平衡化的无功电流分量，ivsc3-q2为所述第三单相电压源换流器用于所述第二单相补偿变压器自身无功损耗补偿的无功电流分量。

17、进一步地，基于所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器的目标电流和实际工作电流，采用电流滞环比较、pwm调制和载波移相pwm方法，分别输出所述第一单相电压源换流器、所述第二单相电压源换流器和所述第三单相电压源换流器的功率器件控制信号，包括：基于所述第一单相电压源换流器的目标电流和实际工作电流，采用电流滞环比较、pwm调制和载波移相pwm方法，输出所述第一单相电压源换流器的功率器件控制信号；基于所述第二单相电压源换流器的目标电流和实际工作电流，采用电流滞环比较、pwm调制和载波移相pwm方法，输出所述第二单相电压源换流器的功率器件控制信号；基于所述第三单相电压源换流器的目标电流和实际工作电流，采用电流滞环比较、pwm调制和载波移相pwm方法，输出所述第三单相电压源换流器的功率器件控制信号。

18、本发明提供了一种电铁单相牵引变电站三相平衡兼无功补偿装置及控制方法，能够动态跟踪补偿，对牵引变电站有功功率和无功功率快速波动引起的电压波动和闪变干扰有较好的治理效果，缓解了现有技术存在的单相牵引变电站负序含量高和三相不平衡的技术问题。