CN101662146A - 轨道电力机车的牵引同相供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道电力机车的牵引同相供电装置，包括设有第一次级绕组、第二次级绕组、第三次级绕组的降压变压器，与降压变压器第一次级绕组、第二次级绕组连接的牵引变压器，连接在降压变压器第三次级绕组与牵引变压器之间的、用于调节降压变压器输出电压相位与幅值的动态有功调节器，以及并联在牵引变压器输出端的滤波器、无功补偿器。本发明基于动态有功调节、无功补偿，可实现电气化铁路接触网的联网运行，扩大供电电源容量，使得机车供电电压稳定；动态有功调节及无功补偿消除了对电网的影响，无论对改造还是新建都是较佳的选择方案。

Description

轨道电力机车的牵引同相供电装置
技术领域
本发明涉及轨道电力机车的牵引领域，具体涉及轨道电力机车的牵引同相供电装置。
背景技术
铁路电气化是促进铁路实现跨越式发展的关键，铁路电气化不仅是提高铁路运输能力、改进铁路运营的最有效途径，也是合理利用资源、保护生态环境的最佳选择。高速与重载运输采用电力牵引更具优势。
目前我国电气化铁路采用25KV单相工频交流制。单相供电具有结构简单、建设成本低、运行维护方便等诸多优点和较明显的经济效益，但也存在着许多亟待解决的问题，主要表现在：
1.系统三相严重不平衡
交流电气化铁道牵引负荷--电力机车为变化频繁的单相负荷，在电力系统中产生较大的负序电流，造成三相严重不平衡。不平衡程度与牵引负荷的大小和变电所主变压器接线形式有关。
2.谐波与无功问题
我国电气化铁道运行的交-直整流器电力机车是一种非线性、低功率因数负荷，将对牵引供电系统和电力系统注入各次谐波电流，成为一种谐波源。电力机车在不同工况下，牵引负荷电流相位角(相对于牵引网电压)的变化幅度较大，致使功率因数偏低。
3.在异相供电方式中，为求得对电力系统的平衡，牵引变电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，这种电分相由于其机械、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。
为解决这些问题，同相供电装置研制工作得到了重视，国外已有同相16.7HZ、25HZ同相供电系统的应用，国内也有同相供电装置的研制工作，但由于相关技术还处于探索阶段，至实用还有一定的过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种简单易行的轨道电力机车的牵引同相供电装置，该装置基于动态有功调节、无功补偿，可实现电气化铁路接触网的联网运行，供电所联网并联运行后，供电电源容量扩大，使得机车供电电压稳定，保证机车的高速、重载运行；其动态有功调节及无功补偿消除了对电网的影响，无论对改造还是新建都是较佳的选择方案。
本发明采用以下技术方案来解决上述现有技术所存在的问题：轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：包括设有第一次级绕组、第二次级绕组、第三次级绕组的降压变压器，与降压变压器第一次级绕组、第二次级绕组连接的牵引变压器，连接在降压变压器第三次级绕组与牵引变压器之间的、用于调节降压变压器输出电压相位与幅值的动态有功调节器，以及并联在牵引变压器输出端的滤波器、无功补偿器。其中动态有功调节器通过调整降压变压器输出电压的相位与幅值，使降压变压器的三段次级绕组输出功率一致，使降压变压器初级三相负荷达到平衡；牵引变压器的输出端并联LC滤波器及静态无功补偿器以消除部分谐波，补偿部分无功分量；牵引变压器通过所连接的动态无功补偿器，进一步补偿无功、消除部分谐波分量。
所述滤波器为LC滤波器为LC滤波器且设有至少一组；所述无功补偿器包括一组动态无功补偿器和至少一组静态无功补偿器；所述牵引变压器输出端设有至少一路输出电源，每一路输出电源均并联一组LC滤波器及一组静态无功补偿器。其中LC滤波器可根据常规电源运行测试谐波分量设置。
所述动态有功调节器为高压直流多电平串联拓扑的电压源型动态有功调节器；优选地包括一个整流器、一个储能元件和若干个相串联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件并联在整流器输出端，若干个相串联的逆变单元连接在储能元件的输出端，逆变单元串联输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为单绕组结构。
所述动态有功调节器为公共直流母线多电平并联拓扑的电压源型动态有功调节器；优选地包括一个整流器、一个储能元件和若干个相并联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件并联在整流器输出端，若干个相并联的逆变单元连接在储能元件的输出端，逆变单元的输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为单绕组结构。
所述动态有功调节器为多独立功率变换单元直接并联拓扑的电压源型动态有功调节器；优选地包括若干个整流器、若干个储能元件和若干个逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件并联在整流器输出端，逆变单元与储能元件一一对应连接，逆变单元的输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为多绕组结构，每一绕组分别与一个整流器对应连接。
所述动态有功调节器为多独立功率单元输出串联拓扑的电压源型动态有功调节器；优选地包括若干个整流器、若干个储能元件和若干个相串联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件一一并联在整流器输出端，逆变单元与储能元件一一对应连接，逆变单元串联输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为多绕组结构，每一绕组分别与一个整流器对应连接。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、有效解决了背景技术中提及的轨道交通单相供电所存在的三大技术问题，与目前国内外所研制的同相供电装置相比，各部分的技术相对比较成熟，系统容易实现。本发明与公用电网同步(或固定相位输出)，其输出可以直接并联形成网络，同网同相装置同时工作；并网后电力装置所提供功率为牵引功率的1/3，并网后所有装置同步运行，即使某一供电装置的动态有功调节器退出运行，相邻系统通过控制调节也可保证电网的三相对称运行，保证牵引供电系统的稳定与可靠性。
2、动态的有功调节及无功补偿，消除了负序电流大、谐波含量高、功率因数低等对电网电能质量的影响。而动态有功调节器与无功补偿器可采用目前成熟的多电平串联拓扑或并联拓扑，不仅使本装置容易实现，并有效降低了装置的生产成本。
3、牵引变压器的多绕组结构不仅有效的传递主牵引电源及有功调节器的功率，并可根据实际需求提供一路同相电源、双路同相(反相位)电源、多路同相电源，满足轨道交通接触网联网运行的要求。
附图说明
图1为本发明单路同相输出装置；
图2为本发明双路同相(或反相)输出装置；
图3为本发明多路同相输出装置；
图4为本发明动态有功调节器、降压变压器、牵引变压器结构示意图之一；
图5为本发明动态有功调节器、降压变压器、牵引变压器结构示意图之二；
图6为本发明动态有功调节器、降压变压器、牵引变压器结构示意图之三；
图7为本发明动态有功调节器、降压变压器、牵引变压器结构示意图之四；
图8为本发明牵引变压器的多绕组结构形式之一；
图9为本发明牵引变压器的多绕组结构形式之二。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-3所示，本发明包括降压变压器、动态有功调节器、动态无功补偿器、牵引变压器、至少一组LC滤波器及至少一组静态无功补偿器，其中降压变压器的输出端分别与动态有功调节器的输入端、牵引变压器的输入端连接，动态有功调节器的输出端与牵引变压器的输入端连接，动态无功补偿器、LC滤波器及静态无功补偿器并联在牵引变压器的输出端。牵引变压器的输出端设有至少一路输出电源，每一路输出电源均并联一组LC滤波器及一组静态无功补偿器。
降压变压器与常规牵引变压器类似，降压变压器的三个初级绕组接高压电网，电网电压可以达220KV或110KV；三个次级绕组(a，x)、(b，y)、(c，z)中，第一次级绕组(a，x)、第二次级绕组(b，y)组成主牵引电源接入牵引变压器的输入端；第三次级绕组(c，z)作为动态有功调节器的输入电源，根据动态有功调节器的拓扑形式可以为单绕组结构或多绕组结构。
动态有功调节器调节降压变压器输出电压的相位与幅值，从而控制第三次级绕组(c，z)的输出功率，使降压变压器初级绕组的三相输入电流及功率达到平衡。在电路实现形式上，动态有功调节器可采用多电平串联拓扑或多电平并联拓扑形式。在图4中，动态有功调节器就是采用高压直流多电平串联拓扑的电压源型动态有功调节器，其包括一个整流器、一个储能元件和若干个相串联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组(c，z)连接，储能元件并联在整流器输出端，若干个相串联的逆变单元连接在储能元件的输出端，逆变单元串联输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；相应地，在图4中降压变压器的第三次级绕组(c，z)选用单绕组结构。在图5中，动态有功调节器为采用公共直流母线多电平并联拓扑的电压源型动态有功调节器，其包括一个整流器、一个储能元件和若干个相并联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组(c，z)连接，储能元件并联在整流器输出端，若干个相并联的逆变单元连接在储能元件的输出端，逆变单元的输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；相应地，在图5中降压变压器的第三次级绕组(c，z)选用单绕组结构。在图6中，动态有功调节器为采用多独立功率变换单元直接并联拓扑的电压源型动态有功调节器，其包括若干个整流器、若干个储能元件和若干个逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组(c，z)连接，储能元件一一并联在整流器输出端，逆变单元与储能元件一一对应连接，逆变单元的输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；相应地，在图6中降压变压器的第三次级绕组(c，z)选用多绕组结构，每一绕组分别与一个整流器对应连接。在图7中，动态有功调节器为采用多独立功率单元输出串联拓扑的电压源型动态有功调节器，其包括若干个整流器、若干个储能元件和若干个相串联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组(c，z)连接，储能元件一一并联在整流器输出端，逆变单元与储能元件一一对应连接，逆变单元串联输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；相应地，在图7中降压变压器的第三次级绕组(c，z)选用多绕组结构，每一绕组分别与一个整流器对应连接。
牵引变压器为多绕组单相变压器，其结构可为口字型或环型变压器，如图8和图9所示。牵引绕组可分为单绕组形式、反相位双绕组及多绕组绕制方式。牵引变压器的输出端设有多路输出电源，根据接触网需求，可提供一路同相电源、双路同相(反相位)电源、多路同相电源。提供一路同相电源的结构如图1所示，提供双路同相或反相电源的结构如图2所示，提供多路同相电源的结构如图3所示。
LC滤波器与静态无功补偿器对机车产生的谐波进行抑制、对无功进行补偿。动态无功补偿器(SVG)主要是根据牵引端的无功分量大小，结合LC滤波器及静态无功补偿器进行动态的无功补偿及谐波消除，减少网侧无功的吸收，有效降低对公用电网的影响。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：包括设有第一次级绕组、第二次级绕组、第三次级绕组的降压变压器，与降压变压器第一次级绕组、第二次级绕组连接的牵引变压器，连接在降压变压器第三次级绕组与牵引变压器之间的、用于调节降压变压器输出电压相位与幅值的动态有功调节器，以及并联在牵引变压器输出端的滤波器、无功补偿器。
2、根据权利要求1所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述滤波器为LC滤波器且设有至少一组，所述无功补偿器包括一组动态无功补偿器和至少一组静态无功补偿器；所述牵引变压器输出端设有至少一路输出电源，每一路输出电源均并联一组LC滤波器及一组静态无功补偿器。
3、根据权利要求1所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器为高压直流多电平串联拓扑的电压源型动态有功调节器。
4、根据权利要求3所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器包括一个整流器、一个储能元件和若干个相串联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件并联在整流器输出端，若干个相串联的逆变单元连接在储能元件的输出端，逆变单元串联输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为单绕组结构。
5、根据权利要求1所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器为公共直流母线并联拓扑的电压源型动态有功调节器。
6、根据权利要求5所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器包括一个整流器、一个储能元件和若干个相并联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件并联在整流器输出端，若干个相并联的逆变单元连接在储能元件的输出端，逆变单元的输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为单绕组结构。
7、根据权利要求1所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器为多独立功率变换单元直接并联拓扑的电压源型动态有功调节器。
8、根据权利要求7所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器包括若干个整流器、若干个储能元件和若干个逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件并联在整流器输出端，逆变单元与储能元件一一对应连接，逆变单元的输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为多绕组结构，每一绕组分别与一个整流器对应连接。
9、根据权利要求1所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器为多独立功率单元输出串联拓扑的电压源型动态有功调节器。
10、根据权利要求9所述的轨道电力机车的牵引同相供电装置，其特征在于：所述动态有功调节器包括若干个整流器、若干个储能元件和若干个相串联的逆变单元，其中整流器输入端与降压变压器的第三次级绕组连接，储能元件一一并联在整流器输出端，逆变单元与储能元件一一对应连接，逆变单元串联输出端与牵引变压器的输入端耦合连接；所述降压变压器的第三次级绕组为多绕组结构，每一绕组分别与一个整流器对应连接。
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