单相供电装置、电气化铁路牵引供电系统及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了单相供电装置及其新型电气化铁路牵引供电系统、控制方法，供电系统包括供电同步控制器、若干单相供电装置、若干区间联络开关，单相供电装置包括多副边绕组变压器、若干功率转换单元体和主控制器，供电同步控制器负责牵引网全网电压的有效值、频率和相位均一致，单相供电装置根据同步指令实现三相电源转化为同步的单相电源，区间联络开关连接各个供电区间为统一整体。本发明专利技术有效解决了传统牵引供电系统对公共电网造成的电能质量问题，为电气化机车提供可控、可靠、连续的供电电源，同时提供融冰功能，保障了牵引供电系统的安全可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单相供电装置、电气化铁路牵引供电系统及其控制方法，属于电力电子变流技术和电气化铁路牵引供电

技术介绍
在当今国内外高铁大发展的时代下，电气化铁路为国民经济的高速发展提供了强有力的支撑作用，然而随着电气化铁路的规模日益扩大，其对公共电网的“污染”也日益明显，主要体现在无功、谐波和负序三个方面。其中，由于各种类型的动态无功补偿(SVG、SVC)、有源滤波装置(APF)和机车高功率因数整流器(HPF‐Rectifier)的推广应用，无功和谐波问题已经得到一定程度的控制，但是对负序分量的治理尚且没有取得明显效果。电气化铁路负序分量的问题，其根源就在于电气化铁路的牵引变电站采用三相取电、单相供电的结构，虽然通过平衡变压器(Scott)、三相轮流转单相等技术手段可以在一定程度上降低负序分量，但由于机车负载在整个供电区间分布的时空不均匀性非常明显，因此解决负序分量的问题应该从供电方法上着手进行。专利技术专利201310487237.2提供了一种同相供电装置及牵引系统，主要针对采用平衡变压器(Soctt)的牵引供电系统，对采用直接供电形式的牵引供电系统没有效果，而且会导致牵引站的原有供电区间发生变化。专利技术专利201511032376.1提供一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，采用MMC结构的变流器实现电能变换，不易实现冗余，控制技术复杂，成熟度稍低。专利技术201510104620.4提供了一种用于电力牵引供电系统的三相转单相变换器，采用二极管整流、晶闸管逆变、变压器升压的结构，二极管整流器无法吸收机车回馈的电能，另外没法实现冗余和备用，可靠性偏低。专利技术200910041299.4提供了轨道电力机车的牵引同相供电装置，需要对牵引变电站原有的接线形式进行大幅度变更，需要配置有功调节器和无功调节器，系统复杂，实用性有待提高。现有的牵引供电网分为一个个供电区间，每一个供电区间内牵引网的电压均不相同，因此列车在过区间时会产生短时供电中断以及过区间冲击的问题，对列车和牵引网均造成了安全隐患。另外，电气化铁路牵引供电系统易受季节性的凝冻和覆冰等极端天气影响，需要单独配套融冰装置，以移动式的直流融冰装置为例，投入使用时需要临时接线，工作量很大，融冰装置的利用率也很低，但如有多条线路需要融冰往往又难以兼顾。
技术实现思路
本专利技术提供单相供电装置、电气化铁路牵引供电系统及其控制方法，通过将高电压分解为多个低电压、三相均匀承担负荷、单相叠加输出的技术手段，解决了现有电气化铁路牵引供电系统长期存在的电能污染问题。本专利技术单相供电装置采用如下技术方案来实现：单相供电装置，包括多绕组变压器、若干功率转换单元及主控制器；所述多绕组变压器包括一个高压原边绕组和多个低压副边绕组，副边绕组的组数为P，每组副边绕组对原边绕组的变比均为K，每组副边绕组与一个功率转换单元的输入端对应连接；若干功率转换单元的输出端依次相连，并从第一个功率转换单元的L臂引出所述单相供电装置的第一输出端，从第P个功率转换单元的R臂引出所述单相供电装置的第二输出端；所述主控制器与每一功率转换单元相连，控制每一功率转换单元的运行。本专利技术电气化铁路牵引供电系统采用如下技术方案来实现：电气化铁路牵引供电系统，包括供电同步控制器、若干前述单相供电装置和若干区间联络开关；所述供电同步控制器分别与每一单相供电装置和每一区间联络开关连接；所述单相供电装置用于将三相电压转换为单相电压后向列车供电，第一输出端和馈电线连接，第二输出端和回流线连接；所述区间联络开关与相邻两个供电区间的馈电线连接。本专利技术电气化铁路牵引供电系统的控制方法，包括以下步骤：S1.设置所控制牵引网的供电电压有效值、频率和相位，供电同步控制器根据所设供电电压有效值、频率和相位计算牵引网的同步指令，所述同步指令包括一个单相交流电压的有效值、频率和相位信息；S2.供电同步控制器将同步指令和运行指令发送至各单相供电装置的主控制器，主控制器接收同步指令和运行指令后控制所属单相供电装置的输出电压达到同步指令的要求；S3.主控制器测量所属单相供电装置的输出电压，计算输出电压的有效值、频率和相位，并与同步指令逐项进行对比，如有偏差则对输出电压进行微调；当输出电压的有效值、频率和相位与同步指令一致时，则向供电同步控制器反馈同步完成信号；S4.供电同步控制器接收到全部单相供电装置反馈的同步完成信号后，控制区间联络开关依次闭合。优选地，步骤S2包括：S2.1主控制器控制多绕组变压器和功率转换单元充电，主控制器控制功率转换单元的整流电路工作在恒定直流电压模式，直流电压达到直流工作电压Udc2；S2.2主控制器结合功率转换单元的数量P和功率转换单元的直流工作电压Udc2，计算每一个功率转换单元逆变电路的额定电压Uce，将额定电压Uce转化为PWM信号，然后将PWM信号下发至每一个单元控制板，使功率转换单元的逆变电路输出单相交流电压Uco；每一个功率转换单元的输出电压叠加起来构成所述单相供电装置的输出电压Uo；当功率转换单元输出电压逐渐增大至额定电压时，单相供电装置输出电压Uo达到了同步指令的要求。所述控制方法还包括步骤：S5.1旁路功率转换单元：多绕组变压器的某一组副边绕组或者某一个功率转换单元出现故障时，主控制器向故障位置的单元控制板下发旁路指令，命令旁路电路导通，整流电路停止工作；同时主控制器根据剩余的功率转换单元数量重新计算PWM信号，控制剩余的功率转换单元提高输出电压，以维持该台单相供电装置的输出电压稳定在同步指令要求的水平。所述控制方法还包括步骤：S5.2旁路单相供电装置：当某台单相供电装置正常停机或者故障停机时，其主控制器停止下发PWM信号，命令单元控制板停止整流电路工作、断开旁路电路，控制该单相供电装置主回路与三相电压、馈电网和回流线断开，原来该台单相供电装置对应的供电区间通过区间联络开关从相邻区间获取电能，维持区间持续供电。所述控制方法还包括直流融冰或交流融冰步骤；所述直流融冰步骤为：S11.主控制器下发旁路指令，将全部功率转换单元的旁路电路接通，此时单相供电装置输出的电压为零；S12.主控制器下发指令，控制第一功率转换单元的旁路电路断开，同时下发一个满调制的PWM信号，控制该功率转换单元输出其直流工作电压Udc2，其余功率转换单元不动作，此时单相供电装置输出的直流电压为Udc2，牵引网和回流轨开始产生直流电流；S13.按照S12步骤所述过程，依次控制剩余功率转换单元输出其直流工作电压，有j个功率转换单元工作，则单相供电装置输出直流电压为j*Udc2，随着j的增大，产生的直流电流将逐渐接近设定值Irb；S14.主控制器检测输出电流的大小，如果启动j个功率转换单元时直流电流未达到设定值，而启动j+1个又超过设定值的话，则仅启动j个；所述交流融冰步骤为：S21.主控制器根据设定的融冰频率，从零开始逐渐增大计算PWM信号的调制深度，将PWM信号下发给全部单元控制板；S22.单元控制板接收PWM信号后，控制功率转换单元的输出电压从零开始逐渐增大，因此单相供电装置输出一个频率为Fbr，有效值逐渐增大的交流电压；S23.随着单相供电装置输出电压有效值逐渐增大，流过牵引网和回流轨的电流也开始随之增大，当主控制器检测到输本文档来自技高网...

【技术保护点】
单相供电装置，其特征在于，包括多绕组变压器、若干功率转换单元及主控制器；所述多绕组变压器包括一个高压原边绕组和多个低压副边绕组，副边绕组的组数为P，每组副边绕组对原边绕组的变比均为K，每组副边绕组与一个功率转换单元的输入端对应连接；若干功率转换单元的输出端依次相连，并从第一个功率转换单元的L臂引出所述单相供电装置的第一输出端，从第P个功率转换单元的R臂引出所述单相供电装置的第二输出端；所述主控制器与每一功率转换单元相连，控制每一功率转换单元的运行。

【技术特征摘要】
1.单相供电装置，其特征在于，包括多绕组变压器、若干功率转换单元及主控制器；所述多绕组变压器包括一个高压原边绕组和多个低压副边绕组，副边绕组的组数为P，每组副边绕组对原边绕组的变比均为K，每组副边绕组与一个功率转换单元的输入端对应连接；若干功率转换单元的输出端依次相连，并从第一个功率转换单元的L臂引出所述单相供电装置的第一输出端，从第P个功率转换单元的R臂引出所述单相供电装置的第二输出端；所述主控制器与每一功率转换单元相连，控制每一功率转换单元的运行。2.根据权利要求1所述的单相供电装置，其特征在于，所述功率转换单元包括整流电路、直流电容、逆变电路、旁路电路和单元控制板，整流电路的交流端为功率转换单元的输入端，整流电路的直流端、逆变电路的直流端和直流电容按照正负极性对应相连，逆变电路的交流端为功率转换单元的输出端，旁路电路并联在功率转换单元的输出端；单元控制板分别与主控制器、整流电路、逆变电路及旁路电路连接，接收主控制器的指令控制功率转换单元内的各个部件工作。3.根据权利要求1所述的单相供电装置，其特征在于，所述单相供电装置还包括：用于采集单相供电装置输入电流的输入电流传感器，其原边与多绕组变压器原边绕组连接；用于采集单相供电装置输出电压的输出电压传感器，其原边并联在第一个功率转换单元的L臂和第P个功率转换单元的R臂之间；以及用于采集单相供电装置输出电流的输出电流传感器，其原边与第一个功率转换单元的L臂连；所述输入电流传感器、输出电压传感器及输出电流传感器分别与所述主控制器连接。4.根据权利要求1所述的单相供电装置，其特征在于，所述单相供电装置还包括串联在第一输出端的第一输出开关，以及串联在第二输出端的第二输出开关。5.一种电气化铁路牵引供电系统，其特征在于，包括供电同步控制器、若干权利要求1-4中任一项所述的单相供电装置和若干区间联络开关；所述供电同步控制器分别与每一单相供电装置和每一区间联络开关连接；所述单相供电装置用于将三相电压转换为单相电压后向列车供电，第一输出端和馈电线连接，第二输出端和回流线连接；所述区间联络开关与相邻两个供电区间的馈电线连接；所述供电同步控制器向各单相供电装置的主控制器输出同步指令和运行指令，主控制器根据同步指令和运行指令控制所属单相供电装置的输出电压达到同步指令的要求。6.基于权利要求5所述电气化铁路牵引供电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.设置所控制牵引网的供电电压有效值、频率和相位，供电同步控制器根据所设供电电压有效值、频率和相位计算牵引网的同步指令，所述同步指令包括一个单相交流电压的有效值、频率和相位信息；S2.供电同步控制器将同步指令和运行指令发送至各单相供电装置的主控制器，主控制器接收同步指令和运行指令后控制所属单相供电装置的输出电压达到同步指令的要求；S3.主控制器测量所属单相供电装置的输出电压，计算输出电压的有效值、频率和相位，并与同步指令逐项进行对比，如有偏差则对输出电压进行微调；当输出电压的有效值、频率和相位与同步指令一致时，则向供电同步控制器反馈同步完成信号；S4.供电同步控制器接收到全部单相供电装置反馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜新宇，石磊，许贤昶，吴胜兵，
申请(专利权)人：广州智光电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44