一种电气化铁路牵引变电所联合补偿系统及补偿方法

摘要

本发明公开了一种电气化铁路牵引变电所联合补偿系统及补偿方法，联合补偿系统包括公共电网供电母线，公共电网供电母线同一供电路径下接有的至少两个牵引变电所，牵引变电所内安装的铁路功率调节装置即RPC和上层控制器。本发明的优点在于拥有显著地减少总的补偿容量，充分利用剩余容量补偿无功，更好地提高连接点的功率因数，以及补偿效果更直接精确的特点。随着我国电气化铁路、高铁、城市地铁等项目的快速发展，该方法将拥有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路牵引变电所联合补偿系统及补偿方法，属于电能质量控制技术领域。

背景技术

为了减少电气化铁路接入对公共电网的影响，通常会在牵引变安装铁路功率调节装置即RPC（Railway Power Conditioner）等电力电子补偿设备。常规的RPC都是基于单个牵引变电所设计，若要达到较好的补偿效果，需要较大的设备容量，因此建设成本和运行损耗都很高。而采用多个牵引变电所则都是由同一个高压变电所供电，只要电铁产生的负序电流不经过高压变电所流入公共电网，对电网的影响就十分有限，即使存在一定的负序污染，也被限制在由高压变电所到牵引变的供电线路所构成的很小区域内。

一方面，如果对单个牵引变进行独立补偿，对每个牵引变的补偿容量要求都很高，而由于存在供电线路不平衡及牵引变自身运行参数不对称等问题，即使容量设置足够大，实际上仍有负序电流流出牵引变。另一方面，各个牵引变产生的负序电流相位是不一致的，如果汇流后可自然抵消一部分。所以通过联合补偿可以调节各个牵引变负序电流的幅值和相位，使得汇流后的负序电流更容易降到零。

发明内容

发明目的：基于常规RPC独立补偿的缺点和多个RPC联合补偿的优点，为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可显著减少补偿容量的电气化铁路牵引变电所联合补偿系统及补偿方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种电气化铁路牵引变电所联合补偿系统，包括公共电网供电母线，公共电网供电母线同一供电路径下接有的至少两个牵引变电所，牵引变电所内安装的铁路功率调节装置即RPC和上层控制器；

所述牵引变电所采用Scott变压器，输出端为T端和M端，相位相差90°，牵引负荷分别接在T端和M端；

所述铁路功率调节装置的交流侧接于Scott变压器的T端和M端。

其中，所述上层控制器包括检测模块、控制模块、接收模块和人机交互模块，所述检测模块包括负载功率检测单元和RPC补偿状态检测单元，负载功率检测单元接在各Scott变压器的T端和M端，RPC补偿状态检测单元接于各RPC的就地控制器上；所述控制模块，包括根据联合补偿方法进行算法计算，生成RPC控制器运行参考值的服务器；所述接收模块为进行通讯数据接收以及通讯数据格式和控制器数据格式转换的数据通讯设备；所述人机交互模块包括可进行运行参数显示和运行参数设定的输入/输出装置。

一种电气化铁路牵引变电所联合补偿方法，包括以下步骤：

（1）公共电网通过公共电网供电母线向牵引变电所供电，上层控制器在线采集各牵引负荷的功率消耗和各RPC可用容量；

（2）以公共电网供电母线注入公共电网的总负序电流，即汇流后的负序电流为补偿目标，其有功分量和无功分量分别为各站有功差额总和                                               和各站无功差额总和，通过补偿方法将补偿目标分配到位于不同牵引变的RPC；

（3）指定最靠近公共电网供电母线的RPC作为终端RPC进行校正，根据连接点本身或靠近连接点的负序电流值，通过终端RPC的控制目标，产生就地补偿信号，并与上层控制器的指令叠加。

其中，所述步骤（2）中的补偿方法包括两种工作模式：比例模式和顺序模式，比例模式是将总的补偿目标按照比例分配给各RPC，而不考虑各RPC容量限制；顺序模式是从距离公共电网供电母线最远的RPC开始，依次按照最大可用容量进行补偿，直到需要补偿的总功率分配完毕止。

其中，所述步骤（3）中所述的终端RPC的控制目标为：T侧控制负序有功电分量为零，首先补偿负序无功分量为零，其次补偿一半的正序无功分量为零；M侧控制直流侧电压为恒定；补偿一半的正序无功分量为零。

发明原理：本发明系统由底层的铁路功率调节装置和上层控制器组成，适用于高压变电所的同一公共电网供电母线下接有多个牵引变电所的情况，且牵引变采用SCOTT变压器。每个牵引变内部，安装一台RPC，其交流侧分别接于变压器的两个低压端。上层控制器在线采集各站牵引负荷的功率和各RPC可用容量，因为各个牵引变产生的负序电流相位是不一致的，如果汇流后可自然抵消一部分。所以通过联合补偿统一优化各RPC的控制目标值，并向每个底层RPC实时发送，可以调节各个牵引变负序电流的幅值和相位，使得汇流后的负序电流更容易降到零。最后一个RPC具有终端校正功能，能够消除存在供电线路不平衡及牵引变自身运行参数不对称等问题。

有益效果：（1）在每个牵引变上依然采用常规的RPC，只是其控制目标由上层控制统一下发，故可以在RPC原有基础设施上进行改造升级，便于推广应用。

（2）根据高压侧的电气量，由上层控制器统一优化分配目标，而各个牵引变产生的负序电流相位是不一致的，如果汇流后可自然抵消一部分，因此可显著地减少总的补偿容量，并可充分利用剩余容量补偿无功，更好地提高连接点的功率因数。

（3）优化算法可以根据各RPC剩余容量进行分配补偿目标，只对补偿总容量有要求，而对各自的容量无特别要求，故对容量的配置以及利用更加的合理。

（4）最后一个RPC具有终端校正功能，故能够在离公共电网供电母线最近处，直接消除存在供电线路不平衡及牵引变自身运行参数不对称等问题。

综上所述，本发明拥有显著地减少总的补偿容量，充分利用剩余容量补偿无功，更好地提高连接点的功率因数，以及补偿效果更直接精确的特点。随着我国电气化铁路、高铁、城市地铁等项目的快速发展，该方法将拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明采用RPC进行负序补偿的补偿结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例：如图1所示，高压变电所连接公共电网，其公共电网供电母线同一供电路径下接有至少两个牵引变电所。牵引变采用Scott变压器，将三相交流电变压成两组隔离的单相交流电，输出端为T端和M端，相位相差90°。牵引负荷分别接在T端和M端。每个牵引变内部安装一台RPC，其交流侧接于Scott变压器的T端和M端。联合补偿系统由上述RPC和上层控制器组成。上层控制器在线采集各牵引负荷的功率消耗和各RPC容量，通过联合补偿方法统一优化RPC的控制目标值，并向每个底层RPC实时发送。

上层控制器如图1所示，包括检测模块、控制模块、接收模块和人机交互模块。

检测模块分布在各个牵引变电所。检测模块包括负载功率检测单元和RPC补偿状态检测单元。负载功率检测单元接在各Scott变压器的T端和M端；RPC补偿状态检测单元接于各RPC的就地控制器上。它们的采样信号实时传输到控制模块。

控制模块位于上层的控制中心，实时控制软件运行于一台服务器上。控制环节根据每个牵引变压器T侧和M侧的牵引功率和RPC的补偿状态，通过相应的优化补偿方法进行分析计算，生成每个RPC控制器的运行参考值。其中补偿方法包括两种工作模式：比例模式和顺序模式，比例模式为将总的补偿目标按照比例分配给各RPC，而不考虑各RPC容量限制；顺序模式为从距离公共电网供电母线最远的RPC开始，依次按照最大可用容量进行补偿，直到需要补偿的总功率分配完毕止。

接收模块位于各个牵引变电所，为数据通讯的设备，主要进行通讯数据的接受，以及通讯数据格式和控制器数据格式的转换，能够将系统控制环节产生的补偿参考值传送到相应的RPC控制器，作为其运行控制目标。

人机交互模块运行在上层控制中心的某个终端上，并连接控制环模块。包括可进行运行参数显示和运行参数设定的输入/输出装置。

由于补偿总是有一定偏差的，不能确保注入连接点的负序电流完全降到零。因此以连接点的实测负序值作为参考量，指定离公共电网供电母线最近的RPC即RPC-1,进行本地终端校正。即根据连接点的负序电流值，产生一定的补偿信号，叠加在接收的控制指令之上，可以将连接点的实际负序电流进一步补偿到零，功率因数尽可能提高。

本实施例包括以下步骤：

（1）公共电网通过公共电网供电母线向牵引变电所供电，上层控制器在线采集各牵引负荷的功率消耗和各RPC可用容量；

（2）以公共电网供电母线注入公共电网的总负序电流，即汇流后的负序电流为补偿目标，其有功分量和无功分量分别为各站有功差额总和和各站无功差额总和，通过补偿方法将补偿目标分配到位于不同牵引变的RPC；

（3）指定最靠近公共电网供电母线的RPC作为终端RPC进行校正，根据连接点本身或靠近连接点的负序电流值，通过终端RPC的控制目标，产生就地补偿信号，并与上层控制器的指令叠加。

其中，所述步骤（2）中的补偿方法包括两种工作模式：比例模式和顺序模式，比例模式是将总的补偿目标按照比例分配给各RPC，而不考虑各RPC容量限制；顺序模式是从距离公共电网供电母线最远的RPC开始，依次按照最大可用容量进行补偿，直到需要补偿的总功率分配完毕止。

其中，所述步骤（3）中所述的终端RPC的控制目标为：T侧控制负序有功电分量为零，首先补偿负序无功分量为零，其次补偿一半的正序无功分量为零；M侧控制直流侧电压为恒定；补偿一半的正序无功分量为零。

联合补偿法的理论推导过程如下：

1、联合补偿法原理

以同一个公共电网供电母线供电路径下接有三个Scott牵引变压器为例分析，假设Scott牵引变压器高压侧电压三相平衡，三个Scott变压器参数相同，其M侧的变比均为，且忽略线路阻抗，认为系统模型为理想模型。

以上级变压器出口处的三相电流为参考，上级变压器提供给三个牵引变的三相总电流为： 

                          （1）

其中分别为三个Scott牵引变压器高压侧三相电流。则根据Scott变压器接线原理可得：

                 （2）

在此基础上运用对称分量法可以求得上级变压器出口处的总的序电流情况，即：

         （3）

只考虑负序电流情况：

              （4）

可以得到：

           （5）

其中和分别为第i(i=1,2,3)台Scott变压器T侧和M侧的负载。

将公式（5）带入到（4）可得：

   （6）

由上式可以看出，三个Scott牵引变压器在上级变压器出口处产生的总的负序电流是各个Scott变压器高压侧负序电流的叠加。同时可以看出注入上级变压器总的负序电流与多个Scott变压器T侧和M侧负载的总差额相关。同样，总的负序电流也可以分成两个相互垂直的分量：有功分量和无功分量。对负序电流有功分量和无功分量的补偿就是对负序电流的补偿。由于：

                 （7）

所以以注入上级变压器总的负序电流为参考，对三个Scott牵引变压器系统进行负序电流的联合补偿时，只要使得补偿后Scott变压器T侧和M侧的功率满足式（8），则注入上级变压器的总的负序电流为0。

，                    （8）

根据RPC的补偿原理（调节有功功率，补偿无功功率差额），可知总的补偿功率量为：

 ；         （9）

则可知所需要的最小容量， 

       （10）

可知在进行单个Scott牵引变压器负序补偿时所需要的最小容量，

            （11）

由于，，所以可以得到：

                （12）

由上式可以看出，与单个Scott牵引变压器独立进行负序补偿相比，考虑多个变压器联合补偿在达到相同的补偿效果时所需要的RPC容量更小。

同时，根据推导过程可以发现，在使用RPC对多个Scott牵引变压器进行补偿时，具体在哪个牵引变压器下进行负序补偿，补偿量为多少，这些对联合补偿的结果影响不大。只要满足整个系统补偿量为公式（9）就能够使得注入上级变压器总的合成的负序为0，实现多个牵引变压器的联合补偿。

考虑负序完全补偿后系统侧功率因数问题，由于在运用联合补偿方法完成负序的完全补偿后，尽管每一个Scott牵引变压器T侧和M侧的负载不一定相同，但是三个Scott牵引变压器组成的系统的总的T侧和M侧的功率相同。因此，补偿后注入上级变压器的合成负序电流为0，此时注入上级变压器的合成正序电流即为总的三相电流：

              （13）

由公式（13）总的正序电流也可以分成两个相互垂直的分量：有功分量和无功分量。负序完全补偿后对正序电流无功分量的补偿即是对功率因数的补偿。此时上级变压器低压侧的总功率为：

                      （14）

若此时对正序电流的无功分量进行补偿，提高功率因数。在第2个Scott牵引变压器的T侧和M侧同时补偿的无功功率，补偿后系统侧功率为：

                   （15）

通过上式可以发现，在任意Scott牵引变压器下补偿正序电流的无功分量，即在T侧和M侧同时补偿相同的无功功率，就可以降低从系统吸收的无功功率，提高功率因数，而对负序电流没有影响。

在联合补偿的分析中只考虑负序补偿问题，包括负序电流的有功分量和无功分量。在完成负序补偿后，正序电流无功分量的补偿以就地无功补偿装置（如TSC等）实现，且就地补偿装置容量足够大，能够满足补偿后功率因数为1。

2、补偿的优化控制算法

由以上分析可知，注入上级变压器总的负序电流的有功分量和无功分量分别为：（1）有功分量：Scott牵引变压器T侧与M侧有功差额的总和；（2）无功分量：两侧总的无功差额。并且在联合补偿时，可以将负序电流有功分量的补偿和无功分量的补偿分散到不同的牵引变压器下完成，这对补偿结果并不产生影响。其中，负序电流有功分量的补偿为T侧和M侧有功功率的平衡调节，负序电流无功分量的补偿为T侧和M侧无功功率的差额补偿。因此发明设计了两种工作模式：比例模式和顺序模式。

比例模式是指将需要补偿的总的功率按比例分配给每个Scott牵引变压器负序补偿系统进行补偿，不再考虑单个RPC的补偿容量限制。

以注入上级变压器的负序电流为补偿目标，不考虑调整功率因数的无功功率（正序电流的无功分量）补偿时，总的补偿量为公式（10）所示的最小补偿容量。因此需要调节的总的有功功率和补偿的无功功率分别为：

                   （16）

                  （17）

假设每个Scott变压器需要调节的有功功率所占比例为（），那么它们需要补偿的有功功率和无功功率为：

                     （18）

                    （19）

由于考虑负序补偿优先的情况，因此无功补偿的目的和有功调节一样，是为了调整两侧功率平衡，即补偿负序电流的无功分量。在公式（19）中若，则对M侧的无功功率进行补偿，补偿量为，反之，对T侧进行无功补偿。补偿后若RPC容量还有剩余，则再对两侧无功功率同时进行补偿，即补偿正序电流的无功分量，进行功率因数的补偿提高。

但是，考虑RPC容量限制问题时，该分配策略表现出不合理性，不能够充分利用RPC的容量进行补偿。鉴于以上原因，本文又设计了顺序补偿方法。

顺序模式是指从距离上级变压器最远的Scott变压器开始，依次按照与之并联的电能质量调节器RPC的最大调节容量进行协调补偿。假设3号Scott变压器距离系统侧最远，与之并联的3号RPC容量足够完成整个系统的负序补偿，则使用3号RPC完成补偿，而2号和1号不投入补偿。若只投入3号RPC不能够完成补偿，则先将3号RPC以最大补偿量投入补偿，再将2号RPC投入使用，若能够完成负序补偿则1号RPC不投入补偿，否则将1号RPC投入补偿。

为充分利用RPC补偿容量获得更好的负序补偿效果，需要考虑负序电流的有功分量补偿和无功分量补偿之间的优先问题。联合考虑各方面因素，选用以有功功率平衡调节优先的协调策略。且以上级变压器低压侧功率因数为参考，考虑在系统侧负序电流完全补偿后进行正序电流无功分量的补偿，提高功率因数。

具体的协调分配策略是：从距离连接点最远处的RPC开始分配补偿功率，优先调节整个系统的有功功率平衡，其次进行两侧的无功功率缺额补偿，最后在负序补偿完成的基础上进行正序电流无功分量的补偿，提高功率因数。正序电流的无功分量的补偿以就地无功补偿装置完成，同时认为就地的无功补偿装置（如TSC等）能够满足要求。最后使得注入公共电网的负序电流为0，功率因数为1。

3、终端校正方法

在实际情况下，两个牵引变直接距离较大，线路阻抗不能忽略不计，这些都会给负序补偿造成影响。但是注意到连接点的电流可以分解为有功分量和无功分量，两者均相互垂直。

                     （20）

                     （21）

其中

                 （22）

由公式（20），（21）和（22）可以看出，对Scott变压器进行无功补偿时分两部分，对负序无功分量的补偿是补偿负序电流，在完成负序补偿的基础上对正序无功分量的补偿是为了提高功率因数。所以通过这种方法控制离公共电网供电母线最近的RPC，就可以直接控制连接点注入公共电网的负序电流和从公共电网吸收的无功功率。补偿更为直接，起到最终的终端校正的作用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡事按照本发明提出的技术思想，在技术方案的基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。