电气化铁路无换相区同相牵引供电系统技术方案

本申请披露了如何将平衡三相电变换为同相电的装置，包括以电子设备和/或电机变压器构成的种种电气化铁路牵引供电装置。这些设备都具有高效节能、较低的成本，易于制造等优点，由电子设备处理的功率容量约占46％至67％，就能将平衡三相电变换为单相电，还可以通过负序补偿和无功补偿获得更好的三相平衡和高功率因数，因此可以取消电气化铁路中的换相区，节约铁路建设投资，稳定列车供电，提高列车运行安全性。

Phase change traction power supply system of electric railway without phase change zone

The present invention discloses a device for balancing three-phase electric conversion into in-phase electricity, which comprises a plurality of electrified railway traction power supply devices which are composed of an electronic device and / or a motor transformer. These devices have high efficiency, low cost and easiness to manufacture, by the power electronic equipment processing capacity of about 46% to 67%, will be able to balance the three-phase power transform into single-phase, three-phase can also get a better balance and high power factor through negative sequence compensation and reactive power compensation, so it can be cancelled the electrified railway in the commutation region, saving the investment in railway construction, stable train power supply, improve the safety of train running.

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术属于电
中的电能传输技术，具体地说，涉及电气化铁路的三相平衡牵引供电。
技术介绍
电气化铁路是铁路牵引供能的重要手段。电气化铁路主要由交流大电网来供电，但目前的大电网是三相体制，要求三相电流相等，否则会产生负序电流和逆序磁场，影响电网内发电机和电动机的正常运行。而牵引网和集电弓很难将三相电引入列车，只能采用单相牵引网向列车输送电能，且列车的用电量巨大，很容易产生三相电不平衡。因此为了满足电网对三相电严苛的平衡要求，只能采用由不同相位的交流电分区向牵引网局部供电的异相供电，所以，造成了必须设置隔离供电区间的分相区，异相供电有以下缺点：1、在异相供电方式中，为求得对电力系统的平衡，牵引变压器所采取三相进线换相连接措施，这就导致了27.5kV侧接触网电分相(分相绝缘器)环节的出现。而高速和重载运输则要求机车受电弓平滑连续受流，因此，这种电分相由于机械、电气上的弱点，不仅成为速度和牵引力损失的主要原因，也是整个系统中最薄弱的环节之一。自动过分相装置虽然是解决问题的方法之一，但因电压高、转换动作频繁，使其准确性和可靠度在应用中受到严峻挑战。因此，过分相仍是电气化铁路牵引供电的一个技术瓶颈。2、高速、重载运输都需要大容量供电，为满足国家标准中电力系统对电气化铁道以负序为突出的电能质量的限制指标，原有异相供电方式所使用的无功补偿技术已无法适应。若在牵引变电所采用可调对称补偿，即使使用交直交机车牵引(不计其无功和谐波)，技术和经济上也均难达到理想状态。3、我国将建设的高速铁路可能是高、中速混跑的模式，若出现交直交机车与交直机车混用局面，除负序外，无功和谐波仍然存在，电能质量不能改善，电气化铁路将面临高价电费问题。同时，速度和牵引力的损失可能使高、中速列车速度差进一步拉大，影响整体运输能力。4、此外，在电气化铁路建设过程中必须同时增加分相区建设，增加了建设成本；同时，在列车经过分相区时，列车供电受阻，可能处于失电状态，还有可能因此带来设备故障。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过电制变换将平衡三相电转变为单相电，由单相电向列车供电，全路都是同一相的电压，就可以克服异相供电的缺点，取消电气化铁路上的分相区。本专利技术的由电网供电的电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，由电网所供平衡三相交流电或直流电通过电子设备和/或电机电器换流为单相电输入列车牵引网；牵引供电网中无分相区。将平衡三相电转换为单相电，引入电气化铁路牵引网后，繁杂的分相区设置就可以取消，可以节约铁路建设的成本，加速施工进度。同时，在线路中运行的列车也可避免中断供电的困扰，方便列车运行，提高安全性和运输效率。附图说明图1、传统的基本型3相变1相变流器线路。图2、三相电的线电压损失原理图。图3、五相和七相电的向量和线电压示意图。图4、三相、四相和六相交流电压向量对照图。图5、通过倒相变压器将三相电变换为六相电的示意图。图6、本专利技术变流器中的虚拟六相整流器的原理线路图。图7、本专利技术的仅将三相电压中的2相电子逆变线路结构图。图8、三相向量电压分解示意图。图9、向量合成变压器T3和T4绕线方向简图。图10、采用三变压器的3相变1相原理线路图。图11、旋转磁场变压器的3相变2相简图。图12、本专利技术的采用旋转磁场变压器和电子变流器的3相变1相系统简图。图13、直流供电的电气化铁路的牵引网。具体实施方式要将平衡的三相电改变为单相供电，最简单的传统方法是把平衡三相电全额整流为直流电，然后通过DC/AC逆变器，再将直流电全额变换为单相交流电。这一结构称为基本型3相变1相变流器线路。图1为传统的基本型3相变1相电子变流器线路。DC/AC逆变器有电压源逆变器和电流源逆变器之分，前者的效率较高、电压稳定性较好，后者的限流特性好、安全性高。图1a)为DC/AC电压源逆变器，直流回路中有并联电容器C。图1b)为DC/AC电流源逆变器，直流回路中串联有电感L。整流器和逆变器采用双向型，既可以将三相交流功率整流成直流电，当列车再生制动时，列车的动能转变为电能，由变流器将电能回馈到三相电网中。他们也可以以四象限运行，以满足负载对电网的功率因数的要求。本专利技术首先对AC/DC整流器进行改进。在对现有三相电网的研究探索和实验测试中，三相电在变换为直流电时的电压利用率不高的现象被本专利技术人所发现，该现象称为三相电的线电压损失。以下为对线电压损失的分析描述。在传统的三相整流器中，交流电常采用星形接法输入整流器。图2所示为传统的三相电星形接法向量及整流器线路图。为作图方便起见，整流管都画成单向导电的二极管，实际应用中可以采用开关管等可控器件。假设电网的相电压为220V的星形接法，由三根相线将电压接入桥式整流器的输入端。在该结构中，实际上利用的是交流电的线电压380V。整流桥正是对380V的线电压进行整流变换，才能获得直流电输出，所以其输出直流电压与380V的线电压正相关。图3为五相和七相电的向量和线电压示意图。从图3的奇数相数——五相和七相交流电压向量图中可以看出。同样的220V相电压，五相制交流电的最高线电压418V，七相制交流电的最高线电压更高达429V。从图上可以很直观方便地比较出它们在数量上与三相电的区别。3、5、7……等奇数相数交流电的最高线电压Umax的表达式为：Umax＝2UΦsin[360°×(N-1)/4N](式-1)式中：UΦ为交流电的相电压，N为交流电的相数。按(式-1)可计算出三相、五相、七相交流电制中最高线电压分别为Umax3＝381V，Umax5＝418V，Umax7＝429V。虽然五相或七相电制有多种线电压，但最高线电压只有一种。由于整流二极管的单向导通特征只允许最高电压导通，其它线电压基本上不起作用，所以整流器直流输出电压的幅值与最高线电压成正相关。这意味着，同样数值的相电压，相数越多的交流电制，其直流输出电压越高。图4所示为三相、四相和六相交流电压向量对照图。从图中看出，偶数相电制中的最高线电压Umax均为二倍相电压。Umax3＝381V，而Umax4＝Umax6＝……＝440V根据实验和理论分析，各种相数电制下的交直流电压的比较如表1所示。表1各种相数电制下的交直流电压的比较表可以发现，在星形接法中，同样的相电压时，各种偶数相数电制下的最高线电压恒等于二倍相电压，不存在线电压损失。而各种奇数相数电制下的最高线电压永远低于二倍相电压，都有或多或少的线电压损失。如Us定义为线电压损失，则：Us＝2UΦ-Umax(式-2)Us3＝440-381＝59V，Us4＝440-440＝0，Us5＝440-418＝22V，Us6＝440-440＝0，Us7＝440-429＝11V。其线电压损失率δ定义为：δ＝Us/Umax(式-3)Umax为该相制下的最大线电压。各种相电制下的线电压损失率δ为：三相：δ3＝59/381＝15.5％，五相：δ5＝22/418＝5.3％，七相：δ7＝11/429＝2.6％偶数相的线电压损失率δ恒等于零。与六相电制相比，三相电制的线电压损失59V，是所有多相电制中线电压损失最大的，可以说，在交流电整流成直流电的换流过程中，三相电制存在最大的线电压损失，是该电制在交直变流方面的重大内在缺陷。虽然对于三角形接法来说，表面上没有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，由电网所供平衡三相交流电或直流电通过电子设备和/或电机电器换流为单相电输入列车牵引网；牵引供电网中无分相区。

【技术特征摘要】
1.一种电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，由电网所供平衡三相交流电或直流电通过电子设备和/或电机电器换流为单相电输入列车牵引网；牵引供电网中无分相区。2.根据权利要求1所述的电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，变流器中的交/直变换器为虚拟六相整流器。3.根据权利要求1所述的电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，保留a相；b和c相接二相整流器，整流器输出的直流再逆变为a相电；两部分a相电分别接入合成变压器T2各自的初级绕组，次级绕组接牵引网。4.根据权利要求1或权利要求3所述的电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，二相整流器为倍压整流器。5.根据权利要求1所述的电气化铁路同相牵引馈电网，其特征是，取其中一相电压直送合成变压器T2的初级绕组；合成变压器T3的次级绕组接合成变压器T2的第二个初级绕组；合成变压器T4的次级绕组经整流逆变相位变换成与上列相同相位的交流电；变流器输出接合成变压器T2的第三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：於岳亮，於菲，瑞秋，
申请(专利权)人：上海稳得新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31