电力机车无断电过分相－电能质量综合补偿装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电力机车无断电过分相－电能质量综合补偿装置及其方法。属于铁路运输设备和电力电子技术领域，该装置包括可控投切开关，单相降压变压器，带有中间抽头的单相降压变压器，共用直流侧电容的两相“背靠背”式变流器，断路器开关，四个位置传感器和三个电气量传感器。该方法为当电力机车通过电分相时，可控投切开关断开，装置工作在无断电过分相模式，对中性段电压进行幅值和相位控制，实现电力机车无断电带载通过分相。当无机车通过时，可控投切开关闭合，所述装置工作在电能质量综合补偿模式，具有的有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿功能，本装置可在已有的牵引供电模式下全面解决牵引变电站和电分相的电能质量问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铁路运输设备和电力电子
，尤其涉及一种兼具实现电力机车 无断电带载自动通过牵弓I网电分相和实现牵弓I变电站电能质量综合补偿功能的装置。
技术介绍
向高速、重载、大密度化发展的电气化铁路致使牵引负荷成倍增长，客运专线的 单机(列)功率已达到23000kW，牵引变电所主变安装容量远期达到了 75MVA以上，甚至 120MVA。一方面，电气化铁路牵引供电系统对于外部电力系统而言具有三相分布不对称性、 冲击性、非线性等特点，在现行电网条件下，成倍增长的牵引负荷使包括负序、无功和谐波 等潮流在内的电能质量问题正日显突出，成为影响电力系统和电铁负荷安全稳定运行的重 要因素，对其治理难度和治理成本也随之大幅提高。另一方面，中国现行的牵引网单边供电 模式以及相应的牵引变电站轮换相序连接方式，决定了牵引网上必然存在电分相环节。在 现有的自动过电分相技术中，无论是地面开关自动切换方案还是车上自动控制断电方案， 当机车通过电分相中性段时，都必然要经历一个从有电到无电再到有电的过程。如图1所 示为地面开关自动切换方案，其工作原理为在没有列车通过时，地面上的真空断路器Sl 闭合，真空断路器S2断开，中性段16与左侧供电臂14的电压相同；当电力机车经由牵引供 电臂14区间通过第一个绝缘锚段关节MDa驶入中性段16区间，位置传感器8检测发出指 令使真空开关S1断开，待妥善关闭后再令&闭合，中性段16与右侧供电臂15的电压相同， 列车安全通过第二个绝缘锚段MDb关节；位置传感器9检测到电力机车全部驶到牵引供电 臂15区段后，发出指令使真空开关&断开，S1闭合，恢复到初始状态。而车上自动断电方 案，是依靠列车在收到分相预告信号后，封锁机车触发脉冲并断开主断路器，使机车惰性通 过无电区；在通过无电区后，检测到过分相的信号，并自动检测到牵引网压从无到有的跳变 后，再闭合住断路器，自起劈相机，顺序启动辅机，然后加载电机电流。这一系列“断电-复 电”的操作，将引起机车供电系统出现不同类型的过电压和涌流等过程。如日本新干线曾经 检测到过电压最高为90. SkV的合闸过电压，振荡频率范围在6 34kHz。过电压可造成车 顶绝缘间隙击穿，形成铁路供电系统的对地短路，造成变电所经常跳闸，严重影响机车的正 常运行。实测中电力机车通过电分相区的合闸涌流最大可达机车原负荷的9. 5倍。尽管可 将机车指令电流限定为零，待通过电分相后再控制电流上升率以避免引起涌流，但重新启 动机车的延时会达6s以上，对高速列车的速度影响很大。电分相环节及自动过分相问题一 直严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行，至今尚无对症良药，寻找新的解决方案势在 必行。采用动态补偿技术对牵引变电站进行负序、无功和谐波的综合补偿已成为治 理牵引供电系统电能质量问题的重要手段，其中，基于两相式静止同步补偿器Gtatic SynchronousCompensator, STATC0M)的牵引变电站电能质量综合补偿技术已引起研究者越 来越多的重视(参见参考文献Uzuka T, Ikedo S, Ueda K. A static voltage fluctuation compensator forAC electric railway. Proceedings of IEEE 35th Annual PowerElectronics SpecialistsConference，2004，3 :1869-1873)。该装置结构原理如图 2 所示。 装置左右两侧各包括2台相同结构的单相电压源变流器Val、Va2和Vbl、Vb20单相电压源变 流器采用基于IGCT器件的3电平单相H桥结构，每台单相电压源变流器包括2个桥臂和2 个由电容串联而成的电容器组(电容器组如图2中C” C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8所示)。4台 电压源变流器的直流侧母线正极全部引出并相连接于点P，直流侧母线负极全部引出并相 连接于点N，中性点全部引出相连于点C。直流电容器组CpC2, C3, C4, C5、C6，C7、C8额定电压 为3kVX 2，IGCT规格为6kV/6kA。两相式STATC0M装置交流侧各采用1台串联2重化变压 器Ta和Tb，用以实现电压、电流匹配并降低输出电压谐波，单个IGCT开关频率为450Hz，等 效开关频率约3600kHz，装置设计规格为20MVA/60kV(5MVAX2串X2相)。采用这种两相式STATC0M装置在牵引变电站的应用连接方式如图3所示，两相式 STATC0M装置一侧输出端子为X、y，另一侧端子为Z、W。端子χ经断路器BKa接入牵引供电 臂14，端子ζ经断路器Kib接入牵引供电臂15，两个端子y和w则均接入接地导轨。牵引供 电臂14、电分相中性段16和牵引供电臂15相对应的下方地面上设置位置传感器7、8、9。两相式STATC0M装置针对牵引变电站电能质量控制过程描述如下首先STATC0M 装置控制其共用的直流侧电容C电压，使之维持在一定的水平；然后检测并比较牵引供电 臂1和牵引供电臂2上牵引负荷的有功功率大小，并通过共用直流侧电容器C使有功功率 Pc在“背靠背”连接的两组变流器Va、vb之间实现转移。当STATC0M装置容量足够时可使两 侧牵引供电臂1和2的负荷有功功率相互平衡。此外，“背靠背”连接的两侧变流器Va和Vb 可分别独立地对两侧供电臂补偿无功功率Qca和Q。2，以及补偿谐波电流i。hl和^。根据以上所述两相式STATC0M拓扑结构和工作过程可知，所述装置仅与电分相两 侧的牵引供电臂14、15分别相连，未接入电分相中性段16，仅能针对负序、无功和谐波潮流 以及由此引起的电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题的治理。电力机车在通过电 分相时仍需要另外增加专门的地面开关自动切换过分相设备或采用车上自动断电控制方 案。而且这些方式均不可避免地使机车存在一个“断电-复电”的过程，由此产生的一系列 过渡过程并形成暂态危害，严重制约了电铁的高速、可靠运行。综上所述，客观上需要在中国现有牵引供电模式基础上研制一种既能解决高速电 力机车自动通过分相存在的一系列暂态危害，同时又能实现牵引变电站电能质量综合补偿 的新型牵引供电设备，从而全面适应高速、重载列车对牵引供电系统的要求。
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，提供一种电力机车无断电过分相-电能 质量综合补偿装置及其方法，本装置可在已有的牵引供电模式下用于全面解决牵引变电站 和电分相的电能质量问题。本专利技术要解决的关键问题1，是在高速电力机车通过电分相期间，通过对电分相中 性段电压的生成和连续控制，自动实现电力机车无断电满功率通过电分相环节，使高速电 力机车在该过程中始终能无断电地以额定牵引功率全速运行或以额定功率运行于再生制 动状态。从而实现机车通过电分相期间不需分合主断路器、无拉弧、无截留过电压、谐振过 电压、合闸过电压，电压互感器无饱和，同时机车主、辅助供电系统均不断电，主变压器和辅 助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，确保电力机车高速、安全、可靠地通过电分相。7本专利技术要解决的技术问题2，是在没有电力机车通过电分相环节期间，提供针对牵 引变电站负序、无功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力机车无断电过分相－电能质量综合补偿装置，该装置包括共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器，三个位置传感器，其特征在于，该装置还包括由开关ＢＫ↓［ａ］、ＢＫ↓［ｍ］、ＢＫ↓［ｂ］组成的断路器开关，可控投切开关，四个电气量传感器，原边绕组带有中间抽头的单相降压变压器，两个单相降压变压器和主控制器；其中，所述两相“背靠背”式变流器的左侧上方输出端子与原边带有中间抽头的单相降压变压器副边绕组上端子相连接，两相“背靠背”式变流器的左侧下方输出端子与原边带有中间抽头的单相降压变压器副边绕组下端子相连接；所述带有原边带有中间抽头的变压器的原边绕组上端子与可控投切开关的下端口相连接，可控投切开关的上端口与开关ＢＫ↓［ａ］的下端口串联，开关ＢＫ↓［ａ］的上端口为输出端子ｌ；所述原边绕组带有中间抽头的单相降压变压器的原边绕组中间抽头端子与第二单相降压变压器的副边绕组下端口相连接，第二单相降压变压器的副边绕组上端口与第一单相降压变压器的副边绕组下端口相连接；第一单相降压变压器的副边绕组上端口与开关ＢＫ↓［ｍ］的下端口串联，开关ＢＫ↓［ｍ］的上端口为输出端子ｍ；所述两相“背靠背”式变流器的右侧上输出端子与开关ＢＫ↓［ｂ］的下端口串联，开关ＢＫ↓［ｂ］的上端口为输出端子ｒ；所述第一单相降压变压器的原边绕组上端子与可控投切开关的上端口相连接，所述第二单相降压变压器的原边绕组上端子与断路器开关１的ＢＫ↓［ｂ］的下端口相连接；第一电气量传感器安装在开关ＢＫ↓［ａ］下端口；第二电气量传感器安装在开关ＢＫ↓［ｍ］下端口；第三电气量传感器安装在开关ＢＫ↓［ｂ］下端口；第四电气量传感器安装在第二单相降压变压器的副边绕组下端口；第一位置传感器、第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置传感器安装在电分相中性段中间位置的下方地面。当所述三个位置传感器检测到电力机车达到所在位置时，分别向所述主控制器发送位置信号；所述主控制器具有７个信号输入端口和４个信号输出端口；主控制器的７个信号输入端口均采用信号线分别与各电气量传感器和位置传感器相连接；主控制器的４个信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组Ｖ↓［ａ］和Ｖ↓［ｂ］的控制信号端口相连接；所述的主控制器实时检测来自各电气量传感器的电气信号以及来自各位置传感器位置信号；主控制器产生对所述两相“背靠背”式变流器的控制信号，对可控投切开关的投切控制信号和断路器...

【技术特征摘要】
1.一种电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置，该装置包括共用直流侧电容 器的两相“背靠背”式变流器，三个位置传感器，其特征在于，该装置还包括由开关BKa、BKm、 BKb组成的断路器开关，可控投切开关，四个电气量传感器，原边绕组带有中间抽头的单相 降压变压器，两个单相降压变压器和主控制器；其中，所述两相“背靠背”式变流器的左侧上 方输出端子与原边带有中间抽头的单相降压变压器副边绕组上端子相连接，两相“背靠背” 式变流器的左侧下方输出端子与原边带有中间抽头的单相降压变压器副边绕组下端子相 连接；所述带有原边带有中间抽头的变压器的原边绕组上端子与可控投切开关的下端口相 连接，可控投切开关的上端口与开关BKa的下端口串联，开关BKa的上端口为输出端子1 ；所 述原边绕组带有中间抽头的单相降压变压器的原边绕组中间抽头端子与第二单相降压变 压器的副边绕组下端口相连接，第二单相降压变压器的副边绕组上端口与第一单相降压变 压器的副边绕组下端口相连接；第一单相降压变压器的副边绕组上端口与开关BKm的下端 口串联，开关BKm的上端口为输出端子m ；所述两相“背靠背”式变流器的右侧上输出端子与 开关BKb的下端口串联，开关BKb的上端口为输出端子r ；所述第一单相降压变压器的原边 绕组上端子与可控投切开关的上端口相连接，所述第二单相降压变压器的原边绕组上端子 与断路器开关1的BKb的下端口相连接；第一电气量传感器安装在开关BKa下端口 ；第二电气量传感器安装在开关BKm下端口 ； 第三电气量传感器安装在开关BKb下端口 ；第四电气量传感器安装在第二单相降压变压器 的副边绕组下端口 ；第一位置传感器、第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电 臂下方地面，第三位置传感器安装在电分相中性段中间位置的下方地面。当所述三个位置 传感器检测到电力机车达到所在位置时，分别向所述主控制器发送位置信号；所述主控制器具有7个信号输入端口和4个信号输出端口 ；主控制器的7个信号输入 端口均采用信号线分别与各电气量传感器和位置传感器相连接；主控制器的4个信号输出 端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组Va和Vb的控制信号端口相 连接；所述的主控制器实时检测来自各电气量传感器的电气信号以及来自各位置传感器位 置信号；主控制器产生对所述两相“背靠背”式变流器的控制信号，对可控投切开关的投 切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当电力机车通过电分相时，使可控投切 开关断开，所述装置工作在无断电过分相模式，通过变压变频移相技术对中性段电压进行 幅值和相位控制，实现电力机车无断电带载通过分相；当无机车通过时，使可控投切开关 闭合，所述装置工作在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功率补偿和谐波补 偿，以解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污 染等问题。2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变 流器，由共用直流侧电容器组的2台“背靠背”式连接单相电压源变流器组，与右边一台单 相电压源变流器组交流侧相连接的1台单相多重化变压器组构成；所述2台“背靠背”连 接的单相电压源变流器组均由η个相同的单相电压源变流器构成，η为正整数，且η满足 10< η < 70 ；直流侧电容器组各由η个相同的直流侧电容器组成，左边单相电压源变流器 组中第i个单相电压源变流器的直流侧电容器与右边单相电压源变流器组中第i个单相电 压源变流器的直流侧电容器按照正、负极性相互并联，n，共同构成共计η组“背靠背”式变流器中的第i组“背靠背”连接的单相电压源变流器，各组“背靠背”连接的单相电 压源变流器的直流侧电容器相互之间独立，电气保持隔离；其中，左边单相电压源变流器组中第i个单相电压源变流器的两个桥臂的中点分别与 相邻的第i_l和i+Ι个单相电压源变流器的桥臂中点依次串联，同时将第一个单相电压源 变流器的1个桥臂中点和第η个单相电压源变流器的1个桥臂中点分别引出作为左边单相 电压源变流器组的2个输出端子；在右边单相电压源变流器组中，第i个单相电压源变流器 的两个桥臂中点分别与单相多重化变压器组副边的第i绕组两端口连接，并通过所述多重 化变压器组的多重化连接将该侧η个单相电压源变流器构成右边单相电压源变流器组；该 多重化变压器组原边绕组2端子分别作为所述两相“背靠背”式变流器的右侧输出端子。3.如权利要求2所述装置，其特征在于，所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变 流器中的单相多重化变压器组由m个单相多绕组变压器组通过多重化连接构成，m满足η = mXj，单相多重化变压器组采用单相串联多重化变压器组结构，或采用单相并联多重化 变压器组结构，用以实现构成单相变流器组Vb中η个单相电压源变流器t的多重化连接和 电气隔离功能。4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变 流器，由共用直流侧电容器组的2台“背靠背”式连接单相电压源变流器组构成；所述2台“背靠背”连接的单相电压源变流器组均由η个相同的单相电压源变流器构 成，η为正整数，且η满足10 < η < 70 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏应冬，姜齐荣，洪芦诚，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]