一种基于STATCOM深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法

一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法，属于深井非煤矿电气化铁道技术领域。


背景技术：

2.在现代深井非煤矿的生产过程中，电力是至关重要的组成部分，深井非煤矿电气化铁道供电系统的稳定性直接影响着深井非煤矿的产能，深井非煤矿电气化铁道供电系统安全、可靠的运行对深井非煤矿的正常生产及运行有非常重要的意义。目前，深井非煤矿生产技术的快速发展，大大提高了深井非煤矿的产能，这对深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压稳定要求更为严格，深井非煤矿电气化铁道供电系统采用交流系统经过lcc换流站，通过牵引网单极运行，与轨道形成回路，经过vsc逆变站接入交流系统，这就要求必须保证深井非煤矿电气化铁道的供电质量。
3.starcom是一种提高系统电压稳定性的有效措施，是促进电网安全稳定和可靠运行的客观需求；statcom通过在故障过程中向接入节点注入无功电流，不仅提升安装节点的电压暂降幅值，还能提高整个电力系统所有节点的电压暂降幅值。利用动态无功补偿提高深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压稳定性，也可以为换流站提供动态无功补偿，限制深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压波动。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法，用以解决深井非煤矿电气化铁道牵引网电压治理的问题，提高深井非煤矿电气化铁道供电系统运行的可靠性和稳定性。
5.本发明根据深井非煤矿电气化铁道供电系统，通过statcom动态无功补偿装置对交流电网进行无功功率补偿；根据深井非煤矿电气化铁道供电系统建立vsc逆变站直流侧直流功率与交流电网有功功率之间的等式关系，同时建立vsc逆变站直流侧、vsc在statcom运行方式下的无功功率与交流电网无功功率的等式关系；根据深井非煤矿电气化铁道供电系统的运行情况，计算statcom注入到交流送端的无功功率。
6.本发明的技术方案是：一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统，包括：
7.交流电网，用于深井非煤矿电气化铁道的电源，采用恒定交流电压源；
8.lcc换流站，用于将交流电网提供的交流电转变为直流电，然后将电能传输给牵引电网；
9.牵引电网，用于给深井非煤矿矿车提供
±
500v的直流电；
10.vsc逆变站，用于连接牵引电网末端，将牵引电网的直流电转变为交流电，然后汇入交流电网。
11.所述lcc换流站采用定电流控制，vsc逆变站采用定电压控制，牵引电网采用单极运行，与电气化铁道构成回路。
12.所述深井非煤矿电气化铁道供电系统交流母线采用恒定交流电压源。
13.所述的statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统在受到statcom补偿，用于稳定交流电网的电压水平。
14.一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理方法，采用权利要求1～2任意一项所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统，具体步骤为：
15.step1：vsc逆变站采用statcom运行方式，通过statcom动态无功补偿对交流电网进行无功功率补偿；
16.step2：建立vsc逆变站直流侧直流功率与交流电网有功功率之间的等式关系，同时建立vsc逆变站直流侧、vsc在statcom运行方式下的无功功率与交流电网无功功率的等式关系；
17.step3：根据深井非煤矿电气化铁道供电系统的运行情况，和系统的固定参数，通过系统功率的等式关系得到非额定运行情况下statcom系统对交流电网的无功补偿功率。
18.所述step2具体为：
19.深井非煤矿电气化铁道供电系统在非额定运行情况下，由vsc逆变站的固有参数x、a和交流电网等值电动势e为已知量，γ为关断角，m为vsc交流滤波器和电容器提供的总无功功率与相应直流功率的比值，联立vsc逆变站与交流电网之间qs，pn，qn，in，un，β，δ，pm，qm，qc，qb，k，σ，x的等式关系；
20.其中，qs为statcom系统的额定容量，pn为直流受端的直流功率，qn为直流受端消耗的无功功率，in为直流受端的直流电流，un是直流受端的直流电压，qc为无功补偿装置注入到整流侧交流母线的无功功率，pm为整流侧注入交流送端的有功功率，qm为整流侧注入交流送端的无功功率，qb为statcom注入交流送端的无功功率，u和δ分别为整流侧交流母线电压有效值和相角，β为换相角，为statcom的交流输出电压相角，x为statcom与交流母线间的等值阻抗虚部。
21.所述等式关系具体为：
22.pn＝au2(cos2γ-cos(2γ+2β))
23.qn＝au2(2β+sin2γ-sin(2γ+2β))
24.in＝xu(cosγ-cos(γ+β))
25.pn＝u
nin
26.qc＝mpn+qb[0027][0028][0029]
p
m-pn＝0
[0030]qn
+q
m-qc＝0
[0031]
式中，a、x为换流侧直流相关的常数，γ为关断角，m为vsc交流滤波器和电容器提供的总无功功率与相应直流功率的比值，e为交流电网的等值电势，z和θ分别为交流电网输入端等值等效阻抗和阻抗角。
[0032]
深井非煤矿电气化铁道供电系统中a的值根据系统实际工况确定；
[0033]
交流系统等值参数保持恒定，γ、z和θ均为已知量。
[0034]
所述vsc逆变站在statcom运行方式时与交流系统之间的等值阻抗的取值为0。
[0035]
所述深井非煤矿电气化铁道供电系统在非额定运行情况下，根据已知量，联立vsc逆变站与交流电网之间pn，qn，un，β，δ，pm，qm，qc，k的等式关系，求出qc。qc为无功补偿装置注入到逆变侧交流母线ac1的无功功率，qc＝ku2。
[0036]
本发明的有益效果是：本发明可以实现通过statcom系统接入深井非煤矿电气化铁道供电系统、计算和分析statcom系统接入到交流母线提升直流输电系统输电能力和电压稳定性，达到深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例1中的深井非煤矿电气化铁道供电系统结构图；
[0038]
图2是本发明实施例1中直流电压采用statcom无功补偿后的时域波形图；
[0039]
图3是本发明实施例1中statcom装置对系统进行无功补偿时的时域波形图；
[0040]
图4是本发明实施例2中直流电压采用statcom无功补偿后的时域波形图；
[0041]
图5是本发明实施例2中statcom装置对系统进行无功补偿时的时域波形图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
本发明在pscad搭建深井非煤矿电气化铁道供电系统模型，采样频率为20khz，故障电阻为0.01欧姆，vsc在statcom运行方式下对交流系统进行无功补偿，在系统无功不足时，系统电压下降，此时自动无功补偿装置statcom对系统进行无功功率补偿，无功功率增加，系统电压回升，达到系统电压要求后无功功率补偿下降，系统电压恢复为正常水平。
[0045]
图2是本发明提供的一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法的直流电压时域波形图，如图2所示，具体包括：
[0046]
深井非煤矿电气化铁道供电系统的结构示意图如图1所示，根据在pscad中所搭建的深井非煤矿电气化铁道供电系统模型，设置送端交流电网ac发生三相接地短路故障，故障电阻为0.01欧姆，故障发生时间为1.5s，持续时间为0.75s。
[0047]
图2中，故障发生时直流电压迅速跌落，这时statcom无功补偿装置发出无功，对系统进行无功补偿，建立vsc逆变站与交流电网ac之间的特性关系方程如下。
[0048]
pn＝au2(cos2γ-cos(2γ+2β))
[0049]qn
＝au2(2β+sin2γ-sin(2γ+2β))
[0050]in
＝xu(cosγ-cos(γ+β))
[0051]
pn＝u
nin
[0052]
qc＝mpn+qb[0053][0054][0055]
p
m-pn＝0
[0056]qn
+q
m-qc＝0
[0057]
式中：a、x为换流侧直流相关的常数，γ为关断角，m为vsc交流滤波器和电容器提供的总无功功率与相应直流功率的比值，e为交流电网的等值电势，z和θ分别为交流电网输入端等值等效阻抗和阻抗角，pn为直流受端的直流功率，qn为直流受端消耗的无功功率，in为直流受端的直流电流，un是直流受端的直流电压，qc为无功补偿装置注入到整流侧交流母线的无功功率，pm为整流侧注入交流送端的有功功率，qm为整流侧注入交流送端的无功功率，qb为statcom注入交流送端的无功功率，u和δ分别为整流侧交流母线电压有效值和相角，β为换相角，vsc在statcom运行方式下与交流系统的等值阻抗很小，取0，statcom注入交流系统的无功功率为令则qb可表示为qb＝ku2。深井非煤矿电气化铁道供电系统在非额定运行情况下，根据已知量，联立vsc逆变站与交流电网之间pn，qn，un，β，δ，pm，qm，qc，k的等式关系，求出qc。
[0058]
图3为statcom对系统的无功补偿容量的时域波形图，在1.5s时无功补偿增加，0.75s后恢复正常，此时电压也恢复到正常水平。
[0059]
本发明根据深井非煤矿电气化铁道供电系统，通过statcom动态无功补偿装置对交流电网进行无功功率补偿；根据深井非煤矿电气化铁道供电系统建立vsc逆变站直流侧直流功率与交流电网有功功率之间的等式关系，同时建立vsc逆变站直流侧、vsc在statcom运行方式下的无功功率与交流电网无功功率的等式关系；根据深井非煤矿电气化铁道供电系统的运行情况，计算statcom注入到交流送端的无功功率，可以在系统发生电压波动较大时，补偿无功功率，使得电压恢复，保证系统可靠的供电。
[0060]
实施例2
[0061]
本发明在pscad搭建深井非煤矿电气化铁道供电系统模型，采样频率为20khz，故障电阻为100欧姆，vsc在statcom运行方式下对交流系统进行无功补偿，在系统无功不足时，系统电压下降，此时自动无功补偿装置statcom对系统进行无功功率补偿，无功功率增加，系统电压回升，达到系统电压要求后无功功率补偿下降，系统电压恢复为正常水平。
[0062]
图4是本发明提供的一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法的直流电压时域波形图，如图4所示，具体包括：
[0063]
深井非煤矿电气化铁道供电系统的结构示意图如图1所示，根据在pscad中所搭建的深井非煤矿电气化铁道供电系统模型，设置送端交流电网ac发生三相接地短路故障，故障电阻为0.01欧姆，故障发生时间为1.5s，持续时间为0.75s。
[0064]
图4中，系统发生高阻故障(100欧姆)，这时statcom无功补偿装置发出无功，对系统进行无功补偿，建立vsc逆变站与交流电网ac之间的特性关系方程如下。
[0065]
pn＝au2(cos2γ-cos(2γ+2β))
[0066]qn
＝au2(2β+sin2γ-sin(2γ+2β))
[0067]in
＝xu(cosγ-cos(γ+β))
[0068]
pn＝u
nin
[0069]
qc＝mpn+qb[0070][0071][0072]
p
m-pn＝0
[0073]qn
+q
m-qc＝0
[0074]
式中：a、x为换流侧直流相关的常数，γ为关断角，m为vsc交流滤波器和电容器提供的总无功功率与相应直流功率的比值，e为交流电网的等值电势，z和θ分别为交流电网输入端等值等效阻抗和阻抗角，pn为直流受端的直流功率，qn为直流受端消耗的无功功率，in为直流受端的直流电流，un是直流受端的直流电压，qc为无功补偿装置注入到整流侧交流母线的无功功率，pm为整流侧注入交流送端的有功功率，qm为整流侧注入交流送端的无功功率，qb为statcom注入交流送端的无功功率，u和δ分别为整流侧交流母线电压有效值和相角，β为换相角，vsc在statcom运行方式下与交流系统的等值阻抗很小，取0，statcom注入交流系统的无功功率为令则qb可表示为qb＝ku2。深井非煤矿电气化铁道供电系统在非额定运行情况下，根据已知量，联立vsc逆变站与交流电网之间pn，qn，un，β，δ，pm，qm，qc，k的等式关系，求出qc。
[0075]
图5为statcom对系统的无功补偿容量的时域波形图，在1.5s时无功补偿增加，0.75s后恢复正常，在系统受到高阻故障时，statcom无功补偿装置在系统电压下降时，迅速发出无功。
[0076]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统，其特征在于，包括：交流电网，用于深井非煤矿电气化铁道的电源，采用恒定交流电压源；lcc换流站，用于将交流电网提供的交流电转变为直流电，然后将电能传输给牵引电网；牵引电网，用于给深井非煤矿矿车提供
±
500v的直流电；vsc逆变站，用于连接牵引电网末端，将牵引电网的直流电转变为交流电，然后汇入交流电网。2.根据权利要求1所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统，其特征在于：所述lcc换流站采用定电流控制，vsc逆变站采用定电压控制，牵引电网采用单极运行，与电气化铁道构成回路。3.一种基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理方法，采用权利要求1～2任意一项所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统，其特征在于，具体步骤为：step1：vsc逆变站采用statcom运行方式，通过statcom动态无功补偿对交流电网进行无功功率补偿；step2：建立vsc逆变站直流侧直流功率与交流电网有功功率之间的等式关系，同时建立vsc逆变站直流侧、vsc在statcom运行方式下的无功功率与交流电网无功功率的等式关系；step3：根据深井非煤矿电气化铁道供电系统的运行情况，和系统的固定参数，通过系统功率的等式关系得到非额定运行情况下statcom系统对交流电网的无功补偿功率。4.根据权利要求3所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理方法，其特征在于，所述step2具体为：深井非煤矿电气化铁道供电系统在非额定运行情况下，由vsc逆变站的固有参数x、a和交流电网等值电动势e为已知量，γ为关断角，m为vsc交流滤波器和电容器提供的总无功功率与相应直流功率的比值，联立vsc逆变站与交流电网之间q
s
，p
n
，q
n
，i
n
，u
n
，β，δ，p
m
，q
m
，q
c
，q
b
，k，σ，x的等式关系；其中，q
s
为statcom系统的额定容量，p
n
为直流受端的直流功率，q
n
为直流受端消耗的无功功率，i
n
为直流受端的直流电流，u
n
是直流受端的直流电压，q
c
为无功补偿装置注入到整流侧交流母线的无功功率，p
m
为整流侧注入交流送端的有功功率，q
m
为整流侧注入交流送端的无功功率，q
b
为statcom注入交流送端的无功功率，u和δ分别为整流侧交流母线电压有效值和相角，β为换相角，为statcom的交流输出电压相角，x为statcom与交流母线间的等值阻抗虚部。5.根据权利要求3所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理方法，其特征在于，所述step3具体为：所述深井非煤矿电气化铁道供电系统在非额定运行情况下，根据已知量，联立vsc逆变站与交流电网之间p
n
，q
n
，u
n
，β，δ，p
m
，q
m
，q
c
，k的等式关系，求出q
c
。6.根据权利要求5所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理方
法，其特征在于：所述q
c
为无功补偿装置注入到逆变侧交流母线ac1的无功功率，q
c
＝ku2。7.根据权利要求3所述的基于statcom深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理方法，其特征在于：所述vsc逆变站在statcom运行方式时与交流系统之间的等值阻抗的取值为0。

技术总结
本发明涉及一种基于STATCOM深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理系统及方法，属于深井非煤矿电气化铁道技术领域。包括送端LCC、牵引电网和受端STATCOM系统；根据深井非煤矿电气化铁道供电系统将STATCOM系统接入交流母线，建立直流系统与交流系统之间的有功和无功的传输；根据STATCOM系统接入交流母线使得交流母线电压稳定性提高，减小电压波动对直流系统的影响，保障深井非煤矿电气化铁道安全可靠的运行；本发明可以实现通过STATCOM系统接入深井非煤矿电气化铁道供电系统、计算和分析STATCOM系统接入到交流母线提升直流输电系统输电能力和电压稳定性，达到深井非煤矿电气化铁道供电系统的电压治理。铁道供电系统的电压治理。铁道供电系统的电压治理。


技术研发人员：束洪春 王世信 雷顺广 田鑫萃 刘太文 梁博 胡毅男 田雨松 旷宇
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/5/25