适于高速电气化铁路的同相牵引供电系统技术方案

本发明专利技术提出的适于高速电气化铁路的同相牵引供电系统，属于牵引供电与电力输配电技术领域，包括相互独立的牵引变压器和同相补偿器，牵引变压器和同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相结构。牵引变压器原边绕组与补偿变压器的原边绕组构成V,v接法；匹配变压器的原边绕组一端与补偿变压器的副边绕组一端相连，其原边绕组另一端接入牵引母线正极；补偿变压器副边绕组另一端接入大地或牵引母线负极，“背靠背”变流器的一侧交流端口接入补偿变压器副边绕组，另一侧接入匹配变压器副边绕组；混合补偿配置的同相补偿器还包括固定电容器支路和固定电抗器支路；本发明专利技术可实现有源和无源补偿装置容量均为最低配置，同时保持变压器的较高容量利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于牵引供电系统与电力输配电
，特别涉及一种适于高速电气化铁路的同相牵引供电技术系统。
技术介绍
包括中国在内的世界大多数国家的铁路牵引供电系统，均采用工频单相单边供电制式，并且为缓解单相牵引负荷对外部电力系统带来的不平衡影响，相邻的牵引变电站采取相序轮换方式接入外部电力系统。由于在各牵引变电站构成的“电分相”两侧供电臂的电压相位不同，该制式也被称之为异相牵引供电方式。异相牵引供电使得电力机车在通过“电分相”过程中必然存在着“断电-复电”的操作过程，可能造成机车主、辅供电系统出现暂态过电压、激磁涌流等事故；同时，电力机车每次通过间隔几十千米的每个“电分相”须采取“减速-惰性滑动-再加速”的过程，显著影响了电力机车的旅行时间(对于高速铁路而言更为敏感，京沪高铁因过分相损失的旅行时间近半小时)，严重制约着高速、重载列车的快速、安全可靠运行。针对上述问题，同相牵引供电系统避免相序轮换接入方式，通过将各牵引变压器输出供电臂的电压相序采取完全一致的方式从外部电力系统取电，逐步将牵引网全线贯通，作为解决方案。同相牵引供电系统较好地解决了电力机车的过分相问题，尤其对高速铁路而言更具吸引力。但在这种新的牵引供电制式下，缺乏了轮换相序的负序抵消作用后，相同供电臂区间的牵引负荷注入外部电力系统的负序分量会成倍增加，不但显著劣化了牵引变电站的电能质量指标，造成罚款乃至负序分量继电保护动作等，还严重降低了常规牵引变压器的容量利用率。故同相牵引供电系统必须在牵引变电站内配合安装大容量无源或有源补偿装置解决对外部电力系统的负序注入问题，而大容量的同相供电有源补偿装置工程造价高昂，加之涉及的一次线路和装置的改造、继电保护方式的改变花费不菲，因此如何降低同相供电补偿装置的容量和成本已成为同相供电系统发展应用的关键。为了在相同牵引负荷条件下，现有同相供电系统多采用(等效)三相-两相平衡牵引变压器接线方式，其优势是所需的同相供电有源补偿装置容量最小。如专利1(申请号200710049655.8)采用有源补偿装置配合YN/vd接线型牵引变压器构成同相供电制式；专利2(201010122634.6)、专利3(申请号201010123860.6)、专利4(申请号201310227591.1)则类似，基本采用有源补偿装置配合包括SCOTT、阻抗匹配接平衡变压器以及YN/vd接线等在内的三相-两相平衡牵引变压器构成的同相供电制式。专利5(申请号201210583674.X)提出的单相三相组合式同相供电装置，主牵引变压器采用一台单相变压器，补偿变压器采用一台YN/d11接线的变压器，共同配合有源补偿装置构成了同相牵引供电制式。专利1-5提出的同相供电技术方案的共同特征，是所采用的牵引变压器不同接线类型，均确保其有源补偿装置的两侧端口电压相量在相量平面构成相互垂直关系，符合三相-两相平衡牵引变压器的特征。具备该特征的牵引变压器在同相供电制式下实现负序分量补偿所需的有源补偿装置容量最少(以采用同相供电制式的高速电气化铁路为例，其牵引负荷为PWM整流方式的高速电力机车，功率因数近似为1；假定使用三相-两相平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需有源补偿装置的容量标幺值为1)。然而专利1、5的缺点是YN/vd和YN/d11接线型牵引变压器制造复杂，且变压器容量利用率都很低。如单相三相组合式同相供电装置中的YN/d11变压器容量利用率仅有50％，单相三相变压器综合容量利用率仅66.67％(组合式同相供电系统技术经济性研究，硕士学位论文,西南交通大学,2015.5)；而专利2、3、4采用的SCOTT接线变压器通过负序完全补偿后，容量利用率相对较高，为92.8％，但此类同相供电系统主牵引变压器需要中间抽头，并不适于对既有异相牵引供电线路进行同相供电制式改造。原因在于为提高牵引变压器容量利用率，尤其是高速电气化铁路已普遍采用单相变压器或V/v接线变压器，其主牵引变压器均不具备中间抽头，采用专利2-4中SCOTT同相供电系统，不得不更换牵引主变压器，工程耗费巨大。此外，由于无源补偿装置较之有源补偿装置成本优势明显，同相供电系统中若采用无源补偿装置单独或配合有源补偿装置共同进行负序分量补偿，可显著降低同相供电工程造价。而专利2-4存在的另一缺点在于，对以SCOTT接线为代表的三相-两相平衡接线变压器实现负序分量补偿，采用的无源补偿装置容量过高(假定使用三相-两相平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需无源补偿装置的容量标幺值为2)，失去了利用无源和有源混合补偿以降低整体造价的可能性。另一类同相供电系统采用非平衡牵引变压器接线形式，如专利6(申请号200710050303.4)直接采用YN/d11接线型牵引变压器配合有源补偿装置构成同相供电制式，专利7(申请号201310308559.6)、专利8(申请号201210587314.7)和专利9(申请号201310308513.4)均采用V/v接线牵引变压器配合有源补偿装置构成同相供电制式，其中专利9是两台补偿变压器及对应有源补偿装置共同与牵引主变压器共同构成两套V/v接线组合。专利6-9牵引变压器容量利用率相对较高，如专利6中YNd11和V/v接线变压器经过负序完全补偿后容量利用率分别可达到100％和87％。专利6适于将既有普速铁路线较多使用YN/d11接线变压器直接改造为同相供电制式，专利7-9则适于将既有高速铁路线普遍使用单相变压器和V/v接线变压器直接改造为同相供电制式。同时，采用非平衡牵引变压器实现同相供电制式，适于利用无源和有源混合补偿以降低整体造价(假定使用三相-两相平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需无源补偿装置的容量标幺值为1.16，仅为三相-两相平衡牵引变压器所需无源补偿装置容量的58％)。采用以专利6-9为代表的非平衡牵引变压器实现同相牵引供电制式的缺点在于，与之配合的有源补偿装置两侧端口电压相量并不构成相互垂直关系，在同相供电制式下实现负序分量补偿所需的有源补偿装置容量较大(以采用同相供电制式的高速电气化铁路为例，假定使用非平衡牵引变压器的牵引变电站所属区间的牵引负荷额定容量标幺值为1，则完全补偿该变电站负序分量所需有源补偿装置的容量标幺值为1.16)；由于有源补偿装置单位容量的成本相对最高，因此采用该同相供电方案的整体造价较高。综上，同相供电制式尽管在中国国内已有试验线路，但能否推广仍面临较大挑战，在变压器和补偿装置的容量利用率、既有线改造复杂度等方面的问题较为突出，难以做到整体最优，整体投资居高不下。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种既适于高速铁路新线设计，也适于高速铁路既有线改造的同相供电系统，该供电系统具有实现同相供电所需的有源补偿装置和无源补偿装置容量均为最低，同时牵引变压器和补偿变压器容量利用率维持较高的水平的优势。该供电系统主牵引变压器与同相供电装置在接线、设计容量上均相互独立，适合按照电能质量标准进行灵活负序补偿，有利于降低补偿变压器、有源和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力系统中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力系统中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力系统中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力系统中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别接入牵引母线，第二端口(S10、S20)分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入大地，第二端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口(Sc0、Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；牵引母线接入牵引供电臂，钢轨接大地。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力系统中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力系统中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力系统中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力系统中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别接入牵引母线，第二端口(S10、S20)分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入大地，第二端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口(Sc0、Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；牵引母线接入牵引供电臂，钢轨接大地。2.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器和匹配变压器构成；同相补偿器中的补偿变压器和匹配变压器均为单相变压器结构，主牵引变压器和备用牵引变压器均为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力系统中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力系统中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力系统中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力系统中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别接入牵引母线的正母线，第二端口(S10、S20)分别接入牵引母线的负母线，中心抽头端口分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入牵引母线的负母线，第二端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵引母线的正母线；“背靠背”变流器其中一侧变流器的两个交流端口(11、12)分别接入补偿变压器副边绕组的第一、第二端口(Sc0、Sc1)，另一侧变流器的两个交流端口(21、22)分别接入匹配变压器副边绕组的第一、第二端口(Sm0、Sm1)；牵引母线的正母线接入接触线(T)，牵引母线的负母线接入负馈线(F)，钢轨接大地。3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，所述主牵引变压器与备用牵引变压器，其副边绕组电压等级相同且均由牵引母线额定电压相同；所述补偿变压器，其副边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的1/2；所述主牵引变压器、备用牵引变压器与补偿变压器，其原边绕组电压等级不同且分别由外部电力系统电压等级决定；所述匹配变压器，其原边绕组电压等级为主牵引变压器或备用牵引变压器副边绕组电压等级的其副边绕组电压等级与补偿变压器的副边绕组电压等级相同。4.根据权利要求1或2所述的适用于高速电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，采用负序分量补偿度k表示CPC对负序分量的补偿程度，即引起与所述同相补偿器实际补偿的负序分量大小相当的负荷容量SC占引起总负序分量的牵引负荷容量SL的比例，k为实数且k∈[0，1]，其数学式表示为：k=SCSL]]>式中SC表示的这部分牵引负荷容量所产生的负序分量与同相补偿器补偿的负序分量大小相当，MV·A；对所述采用有源补偿配置方式的同相补偿器，当同相补偿器负序分量补偿度为k，主牵引变压器的计算容量标幺值为对采用有源补偿配置方式的同相补偿器，其中补偿变压器的计算容量标幺值为匹配变压器的计算容量标幺值与“背靠背”变流器其中任一侧变流器的计算容量标幺值相同，均为k/2，所述标幺值均以额定的牵引负荷计算容量SL，MV·A为基值容量。5.一种适用于高速电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，包括主牵引变压器、备用牵引变压器和采用有源和无源混合补偿配置方式的同相补偿器；所述同相补偿器由补偿变压器、“背靠背”变流器、匹配变压器、固定电容器支路和固定电抗器支路构成；主牵引变压器、备用牵引变压器、匹配变压器均为单相变压器结构，补偿变压器为副边绕组带有中心抽头的单相变压器结构；固定电容器支路由投切开关、电容器组以及限流电抗器串联构成，固定电抗器支路由投切开关和电抗器串联构成；“背靠背”变流器由直流侧电容共用的两组相同的电压源变流器组成，两组电压源变流器的交流侧分别通过连接电抗各自构成两个交流输出端(11、12，21、22)；所述各器件的连接关系为：主牵引变压器与备用牵引变压器的原边绕组第一端口(P11、P21)分别均接入外部电力系统中的第一相，第二端口(P10、P20)分别均接入外部电力系统中的第二相；补偿变压器的原边绕组第一端口(Pc0)接入外部电力系统中的第二相，第二端口(Pc1)接入外部电力系统中的第三相；主牵引变压器与备用牵引变压器的副边绕组第一端口(S11、S21)分别均接入牵引母线，第二端口(S10、S20)分别接大地；补偿变压器的副边绕组第一端口(Sc0)接入大地，中心抽头端口(Sc1)与匹配变压器的原边绕组第一端口(Pm0)相连接，匹配变压器的原边绕组第二端口(Pm1)接入牵...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏应冬，姜齐荣，韩英铎，刘文华，袁志昌，张树卿，谢小荣，宋强，张春朋，于庆广，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11