CN102035212A - 电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法 - Google Patents

电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法技术领域[0001] 本发明属于铁路运输设备和电力电子技术领域,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。背景技术[0002] 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。[0003] 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)。[0004] 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。[0005] 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^。[0006] 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。[0007] 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。发明内容[0008] 本发明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。[0009] 本发明要解决的关键问题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[0010] 本发明要解决的技术问题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、无功和谐波等潮流的综合补偿,从而抑制牵引变电站三相电压不平衡和三 相电压波动、实现动态无功补偿和谐波补偿、稳定牵引网电压和提高电气化铁路运能等。本 装置利用一个可控投切开关2,实现在两种工作模式之间切换,[0011] 为实施上述目的,本发明提出的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、BKffl, 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;[0012] 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;[0013] 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;[0014] 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,能够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,显著提高电气化铁路的运输能力及运行可靠性。[0015] 本发明适用于采用直接供电模式和同轴电缆(Coaxial Cable, CC)供电模式的牵 引供电系统,也适用于采用AT供电模式的牵引供电系统。对于是单线铁道的牵引供电网, 电分相采用一套发明装置即可实现全部功能。对于是复线铁道的牵引供电网,每个电分相中性段均需安装1套发明装置,当机车通过其中1个电分相中性段时,所在中性段的1套发 明装置进入并运行于电力机车无断电过分相模式,实现该电力机车的无断电通过电分相过 程;当没有机车通过电分相时,两套发明装置均进入并运行于电能质量综合补偿模式;当 作为过分相装置使用时,只要上下行线路的机车不同时通过电分相,两套发明装置可互为 热备用,可显著提高了发明装置的运行可靠性。[0016] 本发明的特点及有益效果如下:[0017] 本发明能够保证高速电力机车在通过电分相的全部过程中以额定功率不间断地 连续受流,完全避免了采用传统手工操作过分相或自动过分相技术时,在机车供电系统过 电分相的暂态过程中存在的过电压和过电流等危害。电力机车在通过电分相期间无需分合 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 的主、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, 尤其适于高速、重载列车以及在复杂地形条件的牵引供电要求,实现电力机车安全、高速通 过电分相。同时,本发明是针对中国既有的牵引供电模式进行设计的,相对于同相供电模 式,它在实现高速电力机车不断电通过电分相的同时基本无需对既有的牵引电网线路、变 压器和接线方式进行改动,大大降低了工程实际应用的难度和成本,而且对三相系统的负 序影响相对同相供电模式也显著降低。根据所述发明装置的工作原理可知,仅当机车过电 分相的若干秒级时间周期内所述发明装置进入机车无断电过分相模式对电分相中性段电 压进行控制,除此之外的绝大部分时间均工作在对牵引变电站电能质量综合补偿模式,对 牵引供电系统的负序、无功和谐波等电能质量问题进行综合补偿,对以长时间概率方式考 核的各电能质量指标而言,其补偿效果几乎不受任何影响。作为占所述发明装置成本核心 部分的两相“背靠背”式变流器,其一侧变流器的功率容量仅相当于单列电力机车牵引功率 的0. 5〜0. 7倍,通过一组降压变压器的电压合成显著降低了其功率设计容量和成本。所 述发明也是对既有的两相式STATC0M装置功能的有效拓展,性价比得以显著提高。附图说明[0018] 图1为已有的地面开关自动过分相技术方案示意图。[0019] 图2为已有的两相式STATC0M装置的两相“背靠背”式变流器电路结构图。[0020] 图3为已有的两相式STATC0M装置在牵引变电站内的接线示意图。[0021] 图4为本发明提出的电力机车无断电自动过分相及电能质量综合补偿装置系统 结构示意图。[0022] 图5为本发明提出的电力机车无断电自动过分相及电能质量综合补偿装置省去 变压器组Tb的系统结构示意图。[0023] 图6为本发明所述两相“背靠背”式变流器3的结构示意图。[0024] 图7为本发明所述两相“背靠背“式变流器3省去变压器组Tb的结构示意图[0025] 图8为构成本发明所述变流器组Va和Vb的2η个电压源变流器\的2种实施例 结构图;其中,图8(a)为采用2电平单相H桥结构示意图,图8(b)为采用二极管中点箝位 的3电平变流器结构示意图。[0026] 图9为本发明由所述m个单相多绕组变压器Ί;构成的单相串联多重化降压变压 器组实施例结构图。[0027] 图10为本发明由所述m个单相多绕组变压器Ί;构成的单相并联多重化降压变压 器组实施例结构图。[0028] 图11构成本发明单相多重化降压变压器组Tb的单相多绕组变压器Ί;的结构实施 例结构示意图。[0029] 图12为本发明所述原边绕组带有中间抽头的单相降压变压器10实施例结构图。[0030] 图13为本发明所述2台单相降压变压器11,12结构示意图。[0031] 图14为本发明应用于直接供电模式(或CC供电模式)牵引变电站的系统结构示 意图。[0032] 图15为本发明应用于AT供电模式牵引变电站的系统结构示意图。[0033] 图16为本发明所述主控制器13实现中性段合成电压V16的变压变频移相技术相 量分析图。[0034] 图17为本发明所述主控制器13实现中性段合成电压V16的变压变频移相程序流 程图。[0035] 图18为根据所述正弦波表Gc1 = 128个点)得到的电压信号v,ef。的标幺化计算 参考V。*波形图。[0036] 图19为所述装置应用于非平衡牵引变压器电分相时,主控制器13移相期间生成 所述参考电压vMf。的有效值Vots与对应的累计移相角θ的函数关系图。[0037] 图20为所述装置应用于平衡牵引变压器电分相时,主控制器13移相期间生成所 述参考电压ν&。的有效值Vots与对应的累计移相角θ的函数关系图。具体实施方式[0038] 本发明结合附图及实施例详细说明如下:[0039] 本发明所述电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置的结构如图4和图5 所示。本装置包括由开关BKa、BKm、BKb组成的断路器开关1,可控投切开关2,共用直流侧电 容器的两相“背靠背”式变流器3,电气量传感器4、5、6、17,位置传感器7、8、9,原边绕组带 有中间抽头的单相降压变压器10,单相降压变压器11、12和主控制器13。[0040] 如图4,所述两相“背靠背”式变流器3两侧各具有一对输出端子,左侧上方输出端 子为A1,下方输出端子为Bn,右侧上方输出端子为z,下方输出端子为w ;所述原边带有中间 抽头的单相降压变压器10的副边绕组上、下2个端子分别为X、Y,原边绕组的上、下2个端 子为χ、y,中间抽头端子为U。所述单相降压变压器11的原边绕组两端子为ai、b1;副边绕 组两端子为%、b2 ;所述单相降压变压器12的原边绕组两端子为a3、b3,副边绕组两端子为 a4> b4。所述两相“背靠背”式变流器3的输出端子A1与降压变压器10副边绕组端子X相 连接,输出端子I与副边绕组端子Y相连接。所述带有中间抽头的变压器10的原边绕组输 出端子χ与可控投切开关2的下端口 g相连接,可控投切开关2的上端口 f与断路器开关 1中的BKa的下端口串联,BKa的上端口为输出端子1。所述变压器10的原边绕组中间抽头 端子u与单相降压变压器12的副边绕组下端口 b4相连接,单相降压变压器12的副边绕组 上端口〜与单相降压变压器11的副边绕组下端口 1¾相连接,单相降压变压器11的副边绕 组上端口〜与断路器开关1中的BKm的下端口串联,BKffl的上端口为输出端子m ;所述两相 “背靠背”式变流器3的输出端子ζ与断路器开关1的Kib的下端口串联,BKb的上端口为输10出端子r ;所述单相降压变压器11的原边绕组上方端子〜与可控投切开关2的上端口 f相 连接,所述单相降压变压器12的原边绕组上方端子%与断路器开关1的BKb的下端口相连 接;[0041 ] 所述电气量传感器4安装在断路器开关1的BKa下端口,用以测量该端口侧的电气 信号%(包括该端口电压信号V4和流经该端口的电流信号14和左侧牵引供电臂电流i41); 电气量传感器5安装在断路器开关1的BKm下端口,用以测量该端口的电气信号e5 (包括该 端口电压信号V5和流经该端口的电流信号i5);电气量传感器6安装在断路器开关1的BKb 下端口,用以测量该端口的电气信号% (包括该端口电压信号V6和流经该端口的电流信号 i6和右侧牵引供电臂电流i61);所述电气量传感器17安装在单相降压变压器12的副边绕 组下端口 b4,用以测量该端口的电气信号e17 (包括该端口电压信号V17);所述位置传感器7、 9分别安装在电分相两侧的牵引供电臂14和15下方地面,位置传感器8安装在电分相中性 段16中间位置的下方地面。当所述位置传感器7、8、9检测到电力机车达到所在位置时,分 别向主控制器13发送位置信号w7’、w8和W90[0042] 所述主控制器13具有7个信号输入端口 an” In2, In3> In4, In5, In6, In7)和4个 信号输出端口(OpC^OyO4),如图4所示。电气量传感器4,5,6和17的信号输出端口分 别为d4,d5,d6和d17 ;位置传感器7,8和9的信号输出端口分别为d7,d8和d9。主控制器13 的7个信号输入端口均采用信号线分别与电气量传感器4,5,6,17和位置传感器7,8,9相 连接。其中,主控制器13的信号端口 In1与电气量传感器4的信号端口 d4与相连,In2与电 气量传感器5的信号端口 d5相连,In3与电气量传感器6的信号端口 d6相连;In4与位置传 感器7的信号端口 d7相连,In5与位置传感器8的信号端口 d8相连,In6与位置传感器9的 信号端口 d9相连,In7与电气量传感器17的信号端口 d17相连。可控投切开关2的控制信 号端口为d2,由开关BKa、BKffl, BKb组成的断路器开关1的控制信号端口分别为da,《和db。 电压源变流器组Va的控制信号端口为Dva (Dva表示构成变流器组Va的所有IGBT的控制信号 端口总和),电压源变流器组Vb的控制信号端口为Dvb (Dvb表示构成变流器组Vb的所有IGBT 的控制信号端口总和)。主控制器13的4个信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关 1,可控投切开关2,变流器组Va和Vb的控制信号端口相连接。其中,主控制器13的信号输 出端口 O1与断路器开关1的信号端口 da,dm和db相连接,¾与可控投切开关2的控制信号 端口 d2相连,O3与变流器组Va的控制信号端口 Dva相连,O4与变流器组Vb的控制信号端口 Dvb相连。[0043] 所述的主控制器13实时检测来自电气量传感器4、5、6、17的电气信号e4、e5、e6、 e17以及来自位置传感器7、8、9的位置信号W7,、W8和〜。主控制器13产生对所述两相“背 靠背”式变流器3的控制信号Cva和Cvb,对可控投切开关2的投切控制信号C2和断路器开关 1的闭合/关断控制信号C1 ;当电力机车通过电分相时,使可控投切开关2断开,所述发明 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16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2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。[0044] 所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器3,由共用直流侧电容器组C的 2台“背靠背”式连接单相电压源变流器组Va和Vb,与右边单相电压源变流器组Vb交流侧相连接的1台单相多重化变压器组Tb构成,如图4所示。所述共用直流侧电容器的两相“背 靠背”式变流器3,亦可以省去所述单相多重化变压器组Tb,直接由单相电压源变流器组Vb 引出一对输出端子ζ和w,如图5所示。[0045] 所述两相“背靠背”式变流器3的2种具体实施例结构分别如图6和图7所示。两 种实施例结构相同之处为:采用“背靠背”连接的单相电压源变流器组Va和Vb均由η个相 同的单相电压源变流器Vri,Vr2, Vm构成。η为正整数,η的取值关系满足以下关 系:令单列高速电力机车额定功率容量为St,任意一个单相电压源变流器^的额定视在功 率容量为Sw,则η取值应满足关系式(1): [0047] 式(1)中kt的取值决定于牵引变电站电分相所采用的牵引变压器类型,当采用以 V/V接线型为代表的非平衡牵引变压器时,kt = 1/2 ;当采用以SCOTT接线型为代表的平 衡牵引变压器时,& =^/2。根据现有高速电力机车额定功率及现有功率器件IGBT制造水 平,η通常满足10 ^ η ^ 70 ;直流侧电容器组分别由直流侧电容器Cu、CL2,…Cy Cta和 Cei>CE2,…CKi…CKn组成,单相电压源变流器组Va中第i个电压源变流器^的直流侧电容 器。与单相电压源变流器组Vb中第i个(1彡i彡η)电压源变流器L的直流侧电容器 CEi按照正、负极性相互并联(当Vh采用二极管箝位的3电平结构时,Vu和VKi的中性极相 互连接,图中未示出),从而共同构成共计η组“背靠背”式变流器中的第i组“背靠背”连 接的变流器,各组“背靠背”连接的变流器直流侧电容器相互之间独立,电气保持隔离。[0048] 两种实施例结构的不同之处分别说明如下:[0049] 第一种实施例结构如图6所示,该结构用于如图4所示的装置;其中,单相电压源 变流器组Va中第i个电压源变流器Vh的两个桥臂的中点ApBi分别与相邻的第i_l和i+1 个单相电压源变流器的桥臂中点B"和Aw依次连接,同时将单相电压源变流器Vri的桥臂 中点A1和Vm的桥臂中点Bn分别引出作为单相电压源变流器组Va的2个输出端子,其中Va 称为级联型η电平变流器,或称之为η电平链式变流器组。在单相电压源变流器组Vb中, 第i个单相电压源变流器L的两个桥臂中点A” Bi分别与单相多重化变压器组Tb副边的 第i绕组^ii两端口连接,并通过所述多重化变压器组Tb的多重化连接将该侧η个单相电 压源变流器Vri构成单相电压源变流器组Vb。多重化变压器组Tb原边绕组2端子分别作为 所述两相“背靠背”式变流器3的右侧输出端子ζ和W。[0050] 第二种实施例结构如图7所示,该结构用于如图5所示的装置,其中,单相电压源 变流器组Va和Vb均是由η个单相电压源变流器构成的η电平链式变流器组,所述单相电压 源变流器组Va、Vb中任一个单相电压源变流器Vh的两个桥臂的中点ApBi分别与相邻的第 i-Ι和i+Ι个单相电压源变流器的桥臂中点Bg和Ain依次连接,其中,电压源变流器组Va 中第1个单相电压源变流器Vri的桥臂中点A1和第η个单相电压源变流器Vm的桥臂中点 Bn分别引出,作为电压源变流器组Va的2个输出端子。单相电压源变流器组Vb中第1个 单相电压源变流器Vri的桥臂中点A1与连接电抗器L1相串联,第η个单相电压源变流器Vm 的桥臂中点Bn与连接电抗器L2相串联。连接电抗器L1和L2的右侧端口分别作为所述两相 “背靠背”式变流器3的输出端子ζ和W。[0051] 上述两个两相“背靠背”式变流器3实施例中的每个单相电压源变流器Ii有2种 实施例结构,如图8所示,由于每个电压源变流器结构完全相同,图8中仅示出第i个单相 电压源变流器Vh的结构(1≤i≤η)。第一种实施例结构如图8(a)所示,单相电压源变 流器I采用2电平单相H桥结构,包含有两个桥臂,其中每个桥臂分别由上下2个绝缘门 极双极型晶体管(IGBT) Sn、Si2和Si3、Si4及其反并联二极管Dn、Di2和Di3、Di4组成。两个 桥臂的上、下端分别连接在一起,构成变流器的直流母线并与直流电容Ci相并联,上端母线 为正极,下端母线为负极。第二种实施例结构如图8(b)所示,电压源变流器Ii可采用二极 管中点箝位的3电平变流器结构,包括有两个桥臂,其中每个桥臂分别由上、下各2个绝缘 门极双极性晶体管(IGBT) Sn、Si2、Si3、Si4和Si5、Si6、Si7、Si8及其反并联二极管Dn、Di2, Di3、 Di4和Di5、Di6, Di7, Di8,箝位二极管QDn、QDi2、QDi3、QDi4和直流侧两组相互串联的电容器Cn、 Ci2、Ci3、Cw组成。每个桥臂由2个电容器串联构造出一个电压中性点,由电压中性点引出2 只相互串联的箝位二极管对该桥臂进行电压箝位,其中上侧箝位二极管的阳极与下侧箝位 二极管阴极相连后接入电压中性点,同时上侧箝位二极管的阴极接入上侧2只IGBT连接中 点,下侧箝位二极管的阳极接入下侧2只IGBT的连接中点。2个桥臂的上、下两端分别连 接在一起,与2组电容器组共同构成变流器的直流母线,其上端母线为正极,下端母线为负 极,电容器构造的中性点引出作为中性极。[0052] 本发明的共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器3中的单相多重化降压变 压器组Tb由m个单相多绕组变压器组Ί;通过多重化连接构成(m数值满足η = mX j,通常 在5〜30之间),单相多重化变压器组Tb可采用单相串联多重化变压器组结构,也可采用 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Vh 的多重化连接和电气隔离功能。单相串联多重化变压器组实施例如图9所示,由共计m个 单相多绕组变压器Tri、Tr2,. . . T„的m个原边绕组P1, P2、. . . Pffl按同名端依次串联,构成所 述单相串联多重化降压变压器组,Trl的原边绕组上端口作为串联多重化变压器组Tb的原 边绕组上端口 ζ,T„的原边绕组下端口作为串联多重化变压器组Tb的原边绕组下端口 w,副 边共计η个绕组(n = mXj)。单相并联多重化变压器组实施例如图10所示,共计m个单相 多绕组变压器Tri、Tr2,. . . T„的m个原边绕组P1, P2、. . . Pffl按同名端全部并联,构成所述单 相并联多重化变压器组,每个单相多绕组变压器的原边绕组上、下端口全部相互并联,共同 构成并联多重化变压器组Tb的原边绕组端口 z,w,副边共计η个绕组(n = mX j)。[0053] 上述每个单相多绕组变压器Ί;由1个原边绕组P和j个副边绕组&i、SE2, . . . Sej 构成(其中j彡1,且j通常为不大于6的整数),如图11所示(特别地,当j = 1时I;退 化为普通的单相2绕组变压器)。所述j个副边绕组SK1、^、. . . Sej与原边绕组P之间的互 阻抗完全相同,副边绕组的分裂式接法使其相互之间阻抗很大,约为原边与副边互阻抗的2 倍以上。这样,控制时各绕组之间相互的影响很小,可以有效减小因为控制脉冲误差引起的 绕组间的循环功率。[0054] 本装置中的原边绕组带有中间抽头u的单相变压器10实施例结构,如图12所示。 原边绕组端子X和y之间的原边绕组匝数为Np,端子X与中间抽头U之间的绕组匝数为Npl, 中间抽头u与端子y之间的绕组匝数为^,(其中Np = Np1+Np2),副边绕组匝数为Ns。令ku 表示绕组Np2与Np匝数之比,如下式(¾所示:[0055] ku = Np2/Np (2)[0056] 当本装置所在牵引变电站采用以V/V型接线方式为代表的非平衡牵引变压器时, ku应满足关系式(3):[0057] ku = 1/2 (3)[0058] 当本装置所在牵引变电站采用以SCOTT型接线方式为代表的平衡牵引变压器时, ku应满足关系式[0059] ku = « 0.707 (4)[0060] 所述单相变压器10具有如下特征,令单相变压器10的额定功率容量为Sltl,则端 子u和y之间的原边绕组额定功率容量与端子χ和y之间原边绕组通过的额定功率容量应 相同,均等于变压器10的额定功率容量Sltl,并满足关系式(5):[0061] S10 = kt · St (5)[0062] 式(5)中kt的取值决定于牵引变电站电分相所采用的牵引变压器类型,当采用以 V/V接线型为代表的非平衡牵引变压器时,< =1/2;当采用以SCOTT接线型为代表的平衡牵 引变压器时名=万/2。[0063] 本装置的单相降压变压器11和12实施例分别如图13(a)和13(b)所示,单相降 压变压器11和12参数规格均相同,其额定功率容量为S11和S12,原边绕组匝数为N1,副边 绕组匝数为队,原、副边匝数比ks应满足关系式(6):[0064] ks = N1ZN2 = 2 (6)[0065] 令通过牵引电分相的单列电力机车额定功率容量为St,单相降压变压器11、12的 额定功率容量S11和S12,应满足关系式(7):[0066] S111=S12=K1^ (7)λ[0067] 本装置的主控制器13实施例,是由1片TMSM8335型DSP芯片和1片XC2S200型 FPGA芯片为中央计算和核心控制单元,共计16路A/D转换通道处理包括全部电气量采样信 号e4、e5、ee在内的模拟信号,共计10路开入信号通道处理包括全部位置传感信号W7、〜、W9 在内的数字信号,共计12路开出信号用于处理包括全部输出信号C1和C2在内的数字信号。 由10片XC2S200型FPGA芯片和200个HFBR-1521型光纤发射芯片构成主控器47全部控 制信号Cva和Cvb的生成,分配和输出单元。[0068] 本发明所提出电力机车无断电自动过分相及电能质量综合补偿装置,既可应用于 直接供电模式(或CC供电模式)牵引供电系统,亦可应用于AT供电模式牵引供电系统。图 14为本装置应用于直接供电模式牵引变电站的系统接线图。本装置的左侧引出端子1与 牵引供电臂14相连接,右侧引出端子r与牵引供电臂15相连接,中间引出端子m与电分相 中性段16相连接,下方引出端子y和w均接入导轨地线。所述单相降压变压器11的原边 绕组下端口 h接入导轨地线,所述单相降压变压器组12的原边绕组下端口 b3接入导轨地 线。图15为本装置应用于AT供电模式牵引变电站的系统接线图。所述装置的左侧引出端 子1与牵引供电臂14相连接,右侧引出端子r与牵引供电臂16相连接,中间引出端子m与 电分相中性段16相连接,下方引出端子y和w引入导轨地线。牵引电分相两侧的2台自耦 变压器(auto-transformer,AT)中间抽头分别接入接地导线,电分相两侧的正馈线需断开连接。在中国现有牵引供电系统,端子x、y之间以及端子z、w之间承受的牵引电压通常为 27. 5kV0[0069] 本发明提出一种采用上述电力机车无断电自动过分相及电能质量综合补偿装置 的实现电力机车无断电过分相及实现牵引变电站电能质量综合补偿的方法,所述方法既适 用于所述装置在直接供电模式和CC供电模式的牵引变电站应用,也适用于所属发明装置 在AT供电模式的牵引变电站应用。该方法(由主控制器中的的预先设置的程序实现)包 括以下步骤:[0070] 1)本装置准备投入运行之前,主控制器13将控制信号Cva,Cvb全部封锁,使装置处 于待机状态,然后主控制器13发送控制信号C1,使断路器开关1的BKa、BKb, BKb全部闭合, 装置并网;[0071] 2)主控制器13实时监测各测量信号,当主控制器13未接收到位置传感器7、8、9 发送的位置信号W7,、W8和W9时,表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相,则使本装 置进入对牵引变电站电能质量的综合补偿模式,该模式具体步骤如下:[0072] 2-1)主控制器13发送控制信号C2使可控投切开关2闭合;此后,主控制器13实 时检测电气量传感器4、6接收的电气量信号e4和e6,并实时计算牵引供电臂14和牵引供 电臂15的牵引负荷功率Pli> Qli和PL2、Ql2(PL1 > Qli和PL2、Ql2分别为牵引供电臂14和15的 负荷有功功率和无功功率)并分解出负荷电流中的谐波电流成分ihl和U ;[0073] 2-2)主控制器13通过控制信号Cva和Cvb,使发明装置在牵引供电臂14和15之间 转移有功功率P。,以平衡两侧供电臂有功功率,并分别补偿两供电臂的无功功率Qu、Ql2和 谐波电流、和4,(采用与两相式STATC0M相同的补偿原理)从而实现对牵引变电站电 能质量的综合补偿。[0074] 3)当主控制器13接收到来自位置传感器7或9发送的位置信号W7或W9时,表明 当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相,所述装置退出电能质量综合补偿模式,进入 机车无断电自动过分相模式。[0075] 在该模式主控器13采用如图17所示程序流程,具体步骤如下:[0076] 3-1)当所述装置进入机车无断电自动过分相模式,主控制器13首先将控制信号 Cva,Cvb全部封锁,使发明装置处于待机状态,[0077] 3-2)判断机车来车方向:若主控制器13检测到位置传感器7发送的W7信号,表明 机车从牵引供电臂14方向开来,将从左侧首先通过绝缘锚段关节MDa;若检测到位置传感 器9发送的W9信号,表明机车从牵引供电臂15方向开来,将从右侧首先通过绝缘锚段关节 MDb。[0078] 3-3)主控制器13发出控制信号C2控制可控投切开关2断开,根据已经判定的机 车过分相方向,主控制器13对移相起始电压进行锁定。[0079] 以机车从牵引供电臂14方向开过来为例予以说明(当机车从牵引供电臂15方向 开来时所述方法与之相同):主控制器13在确认机车来车方向后,采集电气量传感器4的 采样信号V4 (即为牵引供电臂14电压Va的检测信号),采集电气量传感器5的采样信号V5 和电气量传感器17的采集信号V17,并进行移相起始电压计算,其计算方法如下:[0080] 联合图4和图16(a)和(b)所示,令单相降压变压器11副边绕组端口〜、Id2之间 电压为VTa、降压变压器12的副边绕组端口〜、b4之间电压为VTb,二者相串联后其副边绕组15端口〜和b4之间的电压为VT。所述装置中变流器组Va通过降压变压器10原边绕组端口 u、y之间的输出电压为V。。[0081 ] 首先主控制器13将检测电压采样信号V5和电压采样信号V17相减,所得即为电压 Vt的检测信号vt,可由式⑶计算得到:[0082] vt = V5-V17 (8)[0083] 然后将电压采集信号V4与Vt相减,所得即作为所述变流器组Va输出电压V。的参 考电压信号vMf。,其计算方法如式(9)所示:[0084] Vrefo = V4-Vt (9)[0085] 主控制器13根据式(9)计算得到所述装置输出电压V。的参考电压信号Vref。,即移 相过程的起始参考电压信号,并据此生成对变流器组Va的控制信号Cva,同时协调控制信号 Cvb使变流器组Va和Vb共用的直流侧电容电压维持稳定。经所述变流器组Va输出电压V。 和所述串联变压器11、12的副边绕组电压Vt的串联合成,在中性段产生的合成电压A6与 牵引供电臂14电压Va的幅值和相位完全相同。[0086] 主控制器13根据得到的参考信号vMf。,计算所述参考信号vref。的有效值Votsq并 进行存储,以此作为移相起始电压的有效值。[0087] 3-4)预先计算变压变频移相程序中参考电压采用的频率f\。令牵引供电系统频 率为fo,预设本装置完成对中性段电压V16移相的时间为ΤΔ(ΤΔ为工频周期的1¾倍,1¾通常 取正整数,且满足1¾ = ΤΔ ·ί\)。令中性段合成电压V16从ts时刻经过ΤΔ时间后在te时刻 完成从牵引供电臂14的电压Va到牵引供电臂15的电压V0的相移过程,(其中ts时刻是 指变流器组Va的输出电压V。在主控制器13接收到位置传感器8发送的位置信号W8后的 首次电压过零的时刻,且满足te-ts = ΤΔ)在此期间变流器组Va输出电压V。的总相移角为 θ α0,则可由下式计算:[0088]7、./。供j , (10)[0089] 式(10)中,“ + ”号表示中性段电压实现滞后移相,“_”表示中性段电压实现超前移 相。当机车从电压相位超前的牵引供电臂经中性段向电压相位滞后的牵引供电臂行驶时, 公式(10)中用“ + ”号,反之用“_”号。根据图16(a)、(b)可知,所述装置无论应用于平衡 接线牵引变压器还是应用于非平衡接线牵引变压器,输出电压V。总移相角均满足θ α0 = 士 180°。[0090] 3-5)主控制器13启动变压变频移相流程,控制中性段合成电压V16开始移相。当 主控制器13检测到位置传感器8发送的位置信号W8时,表明机车已经完全通过绝缘锚段 关节MDa,进入中性段16 (中性段长度应根据电力机车长度合理设定)。如图16所示,主控 制器13以ts时刻为参考电压信号vref。的零起始相位,以作为vref。的参考频率,并按照 每个移相周期的移相角度,计算该周期移相输出电压的有效值Vorms,继而生成所述移相输 出电压V。的参考信号vMf。。最终使所述中性段合成电压V16相对牵引供电臂14的电压Va 逐步产生移相。至、时刻输出电压V。的累计移相角达到180°,中性段16的合成电压V16 与牵引供电臂15的电压V0实现同幅值、同相位。所述中性段合成电压V16移相的程序流程如图17所示,其具体实施方式为:[0091] 3-5.1)根据公式(10)求解出频率,令主控制器13定时计算的频率为f2,两者 应满足以下关系:[0092] f2 = ki · fi (11)[0093] 式(11)中Ic1通常为大于100以上的正整数。[0094] 3-5. 2)根据式(10)和(11),主控制器13生成具有Ic1个点的(对应于f2频率的 1个完整周期)正弦波表,并以此表作为输出电压参考信号vref。的标么化计算参考W如 图18为根据所述正弦波表(选择Ic1 = 128个点)得到的电压信号vMf。的标么化计算参考 V:的波形,图中每个点的横坐标依次为对应于0到ki的共计1¾个正整数,纵坐标即为每 个正整数计数点对应的标么化计算参考νΛ[0095] 3-5. 3)主控制器13生成2个相位计数器Ctl和Ct2,计数器Ctl按照频率f2从0开 始定时累加1。在ts时刻,主控制器13进行初始相位锁定,即在该时刻对相位计数器Ctl和 Ct2清零,并使Ctl开始以频率f2定时累加计数。当相位计数器Ctl累加到k「l时,则对计数 器Ctl再次清零(表明在此期间正好经过了以为频率的1个正弦整周期),同时对计数器 Ct2累加1,如此反复循环。每当计数器Ct2累加1,主控制器13就对移相角增加Δ θ角度 (Δ θ是指每经过一个移相周波,参考电压vref。相对移相起始电压的相角移动值),并根据 累计相位角θ计算所述参考电压信号vMf。在每个移相周期对应的有效值¥。_。所述Δ θ 计算方法为:[0096]A/1 , 180°Δ 沒(12)[0097] 当机车从电压相位超前的牵引供电臂经中性段向电压相位滞后的牵引供电臂行 驶时,公式(12)中用“_”号,反之用“ + ”号。当机车从电压相位超前的牵引供电臂开来时, 初始移相角Θ。为180°,当机车从电压相位滞后的牵引供电臂开来时,初始移相角90为0°。[0098] 在计数器Ctl和Ct2循环期间,根据累计相移角θ,主控制器13计算移相的参考电 压信号Vref。在每个移相周波对应的电压有效值Vrais (令Ct2当前计数值为i,则累计移相角 θ = ΪΧΔ θ)0其计算方法为:[0099] 当所述装置应用于以V/V接线型为代表的非平衡牵引变压器电分相时,在移相期 间与所述参考电压信号vMf。对应的有效值Vots可根据下式计算:[0100]=( Vl+ 3 sinM-V^sin 卟厂_0 (13)[0101] 当所述装置应用于以SCOTT接线型为代表的平衡牵引变压器电分相时,在移相期 间与所述参考电压信号V&。对应的有效值Vots可根据下式计算:[0102] Vorms = (Vl + sin2^ - sin θ^ · Vorms0 (14)[0103] 根据式(13),所述装置应用于以V/V接线型为代表的非平衡牵引变压器电分相 时,在移相期间和所述参考电压信号V&。对应的有效值Vots与累计移相角θ的函数关系如图19所示。根据式(14),所述装置应用于以SCOTT接线型为代表的平衡牵引变压器电分 相时,在移相期间和所述参考电压信号vMf。对应的有效值Vmis与累计移相角θ的函数关 系如图20所示。图19和图20中横坐标单位为角度,对应于50个移相周波Gc2 = 50),每 个移相周波移相角Δ θ =3.6°,纵坐标为V。ms/V。msQ。[0104] 3-5. 4)在计数器Ctl循环累加期间,主控制器13根据相位计数器Ctl的计数值,进 入正弦波表查表得到参考电压信号vref。所需每个计数值相对应的标么化计算参考νΛ据 此主控制器13生成所述输出移相参考电压VMf。,其计算公式如下:[0105] Vrefo = V0rmsXV0* (15)[0106] 3-6)当计数器Ct2在te时刻计数值达到1¾时,表明移相参考电压信号\ei0的相位 已经移动到目标值θα0。主控制器13采集电气量传感器6的电压采集信号V6 (ν6即为牵 引供电臂15的电压V0的采集信号),采集电气量传感器5的采样信号e5和电气量传感器 17的采集信号e17。将其中的电压采样信号V5和电压采样信号V17相减,根据式(8)计算得 到电压Vt的检测信号Vt,然后将电压采集信号V6与Vt相减,所得即作为所述变流器组Va输 出电压V。的参考信号vMf。,计算方法如式(16)所示:[0107] Vrefo = V6-Vt (16)[0108] 主控制器13在、时刻将由式(16)计算所得作为变流器组Va的输出电压参考信 号vMf。,并生成对变流器组Va的控制信号Cva,同时协调控制信号Cvb使变流器组Va和Vb共 用的直流侧电容电压维持稳定。则经所述变流器组Va输出电压V。和所述串联变压器11、12 的副边绕组电压Vt在中性段串联合成的电压Vni与牵引供电臂15电压V0的幅值和相位完 全相同。实现所述装置对中性段移相目标电压的锁定;[0109] 4)当主控制器13检测到位置传感器9或7发送的位置信号W9或W7时,表明电力 机车已完全通过中性段16,经过绝缘锚段关节驶入牵引供电臂15或14 ;主控制器13控制 所述装置结束电分相无断电柔性过分相模式;主控制器13将全部控制脉冲信号Cva,Cvb闭 锁,使所述装置处于待机状态,随即发出控制信号C2令可控投切开关2闭合,之后启动所述 装置进入对牵弓I变电站电能质量综合补偿模式。[0110] 本发明在实际应用中,以本装置应用于V/V接线型非平衡变压器电分相为实施例 1。为实现上述方法,令通过该电分相的单台高速电力机车最大额定牵引功率St = 20Mvar, 所述装置接入牵引供电臂电压等级为27. 5kV,而当电力机车在中性段16区间运行时,机车 的全部牵引功率由所述装置中的两相“背靠背”式变流器3和单相降压变压器11和12共 同提供。本实施例中两相“背靠背”式变流器3采用如图6所示结构。根据式(5),带有中 间抽头的单相减压变压器10额定功率容量Sltl = IOMvar,根据式(3),其原边绕组^52与Np 匝数之比为1/2,原副边电压变比为27. 5kV/13. 75kV ;根据式(7),单相降压变压器11和12 的额定功率容量S11和S12均为lOMvar,原副边电压变比为27. 5kV/13. 75kV ;单相多重化变 压器组Tb的额定功率容量为lOMvar。[0111] 实施例1中,变流器组Va和Vb的设计额定功率容量均为lOMvar,采用 3300V/1400AIGBT组成的2电平H桥电压源变流器Vp其直流侧电压平均值可取2000V 左右,每个H桥电压源变流器额定容量为0. 83Mvar, η = 12。如图6所示,两侧变流器组 Va和Vb各有12组电容器,分别通过共用直流侧连接构成12组相互独立的“背靠背”式 变流器。所述串联多重化变压器组Tb每台串联多重化变压器组由共计3台相同规格的Tr构成,每台多绕组变压器Ί;选用副边为4绕组的分裂式接法,原边/副边电压变比为 7.6 : l(9.2kV/1.2kV),每台Ί;变压器额定功率容量选择为3.3Mvar。实施例选用可控投 切开关2耐压等级应高于30kV,额定电流大于800A,无需带载分断能力。[0112] 电分相中性段两侧供电臂电SVa与乂0之间的相位差θ为60°角,本装置对中性 段合成电压A6的变压变频移相过程的相量分析见图16(a)。如图16所示,牵引供电臂14的 电压Va与牵引供电臂15的电压V0有效值均为27. 5kV,单相降压变压器11副边绕组端口 电压VTa有效值为13. 75kV,单相降压变压器12副边绕组端口电压Vt0有效值为13. 75kV, 由单相降压变压器11和12串联后副边绕组端口〜和b4之间的电压Vt有效值为23. SkV0 本装置对中性段生成的合成电压V16是由串联变压器电压Vt和变流器组Va的输出电压Vo 这2部分电压合成得到,其中输出电压V。在ts时刻起经AT时间在、时刻形成180°的相 位滞后,相应地,中性段合成电压V16在该期间产生60角度的滞后,从Va沿虚线轨迹移相到 V”[0113] 设定中性段距离为300m,满足高速电力机车以300km/h的速度全速通过电分相区 间时,对应通过电分相时间为3. 6s。θ a0 = 180°,令ΤΔ = ls,由式(可得实现滞后移相 fi = 49. 5Hz,实现超前移相 fi = 50. 5Hz。[0114] 本发明在实际应用中,以本装置应用于SCOTT接线型平衡变压器的牵引电分相为 实施例2。为实现上述方法,令通过该电分相的单台高速电力机车最大额定牵引功率St = 20Mvar,所述装置接入牵引供电臂电压等级为27. 5kV,实施例2中两相“背靠背”式变流 器3采用如图7所示结构。根据式(5),带有中间抽头的单相减压变压器10额定功率容 量Sltl = 14. 2Mvar,根据式(4),其原边绕组^52与Np匝数之比ku ^ 0. 707,原副边电压变 比为27. 5kV/27. 5kV ;根据式(7),单相降压变压器11和12的额定功率容量S11和S12均为 lOMvar,原副边电压变比为27. 5kV/13. 75kV。[0115] 实施例2中,变流器组Va和Vb的设计额定功率容量均为14.2Mvar,采用 3300V/1000AIGBT组成的2电平H桥电压源变流器V,,其直流侧电压平均值可取2000V左 右,每个H桥电压源变流器额定容量为0. 60Mvar,n = 25。如图7所示,两侧变流器组Va和 Vb各有25组电容器,分别通过共用直流侧连接构成25组相互独立的“背靠背”式变流器。 变流器组Vb引出端ζ和w直接接入牵引供电臂15。实施例选用可控投切开关2耐压等级 应高于30kV,额定电流大于800A,无需带载分断能力。[0116] 实施例2中,电分相中性段两侧供电臂电压Va与V0之间的相位差θ为90°角, 本装置对中性段合成电压V16的变压变频移相过程的相量分析见图16(b)。如图16所示, 牵引供电臂14的电压Va与牵引供电臂15的电压V0有效值均为27. 5kV,单相降压变压器 11副边绕组端口电压VTa有效值为13. 75kV,单相降压变压器12副边绕组端口电压Vt0有 效值为13. 75kV,由单相降压变压器11和12串联后副边绕组端口〜和b4之间的电压Vt有 效值为23. SkV0本装置对中性段生成的合成电压Vni是由串联变压器电压Vt和变流器组Va 的输出电压V。这2部分电压合成得到,其中输出电压V。在ts时刻起经△ T时间在、时刻 形成180°的相位滞后,相应地,中性段合成电压Vni在该期间产生90°的滞后,从Va沿虚 线轨迹移相到V0。[0117] 设定中性段距离为300m,满足高速电力机车以300km/h的速度全速通过电分相区 间时,对应通过电分相时间为3. 6s。θ a0 = 180°,令ΤΔ = ls,由式(可得实现滞后移相fi = 49. 5Hz,实现超前移相 fi = 50. 5Hz。

Claims (7)

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 ;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,l^i^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、右单相电压源变流器组均是由η个单相电压源变流器构成的η电平链式变 流器组,所述单相电压源变流器组中任一个单相电压源变流器的两个桥臂的中点均与相邻 的第i_l和i+Ι个电压源变流器的桥臂中点依次串联,其中,右边单相电压源变流器组中第 1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,作为右边单相电压源变流器组的2个输出端子;左边单相电压源变流器组中第1个电压 源变流器的1个桥臂中点与第一连接电抗器相串联,第η个电压源变流器的桥臂中点与第 二连接电抗器相串联;第一、第二连接电抗器的右侧端口分别作为所述两相“背靠背”式变 流器的2个输出端子。
5. 一种采用如权利要求1所述装置的实现电力机车无断电过分相及牵引变电站电能 质量综合补偿的方法,该方法包括以下步骤:1)所述装置准备投入运行之前,主控制器使装置处于待机状态,然后发送控制信号,使 断路器开关的开关BKa、BKb, BKb全部闭合,该装置并网;2)主控制器实时监测各测量信号,当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位置信 号时,表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相,则控制所述装置进入并运行在对牵 引变电站电能质量的综合补偿模式;3)当主控制器接收到来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时,表明 当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相,主控制器控制所述装置退出电能质量综合补偿模式,进入并运行在机车无断电自动过分相模式;4)当主控制器检测到第二或第一位置传感器发送的位置信号时,表明电力机车已完全 通过中性段,经过绝缘锚段关节驶入第二或第一牵引供电臂,主控制器控制所述装置结束 电分相无断电柔性过分相模式;并将全部控制脉冲信号闭锁,使所述装置处于待机状态,随 即发出控制信号令可控投切开关闭合,之后启动所述装置进入并运行在对牵引变电站电能 质量综合补偿模式。
6.如权利要求5所述方法,其特征在于,所述步骤2)主控制器控制所述装置进入并运 行在对牵引变电站电能质量的综合补偿模式的具体步骤如下:2-1)主控制器发送控制信号使可控投切开关闭合;此后,主控制器实时检测第一、第 三电气量传感器接收的电气量信号,并实时计算两牵引供电臂的负荷有功功率和无功功 率,并分解出负荷电流中的谐波电流成分;2-2)主控制器通过控制信号使所述装置在两牵引供电臂之间转移有功功率,以平衡两 侧供电臂有功功率,并分别补偿两供电臂的无功功率和谐波电流,从而实现对牵引变电站 电能质量的综合补偿。
7.如权利要求5所述方法,其特征在于,所述步骤3)主控制器控制所述进入并运行在 机车无断电自动过分相模式具体步骤如下:3-1)当所述装置进入机车无断电自动过分相模式,主控制器首先使发明装置处于待机 状态,3-2)判断机车来车方向:若主控制器检测到第一位置传感器发送的信号,表明机车从 左边牵引供电臂方向开来,将从左侧首先通过绝缘锚段关节;若检测到第二位置传感器发 送的信号,表明机车从右边牵引供电臂方向开来,将从右侧首先通过绝缘锚段关节;3-3)主控制器发出控制信号控制可控投切开关断开,根据已经判定的机车过分相方 向,主控制器对移相起始电压进行锁定;当机车从左边牵引供电臂方向开过来时:主控制器在确认机车来车方向后,采集第一、 第二和第四电气量传感器的采样信号,根据计算得到的移相起始电压,生成对左边变流器 组的控制信号,并协调右边变流器组的控制信号使两边变流器组共用的直流侧电容电压维 持稳定;经所述左边变流器组输出电压和所述两个串联的单相降压变压器的副边绕组电压 的串联合成,在中性段产生的合成电压与左边牵引供电臂电压的幅值和相位完全相同;3-4)主控制器根据预先计算变压变频移相程序中参考电压采用的频率及牵引供电系 统频率,预设本装置完成对中性段电压移相的时间;3-5)主控制器启动变压变频移相流程,控制中性段合成电压开始移相;当主控制器检 测到第三位置传感器发送的位置信号时,表明机车已经完全通过左绝缘锚段关节,进入中 性段;主控制器按照每个移相周期的移相角度,计算该周期移相输出电压的有效值,继而生 成所述移相输出电压的参考信号;最终使所述中性段合成电压相对左边牵引供电臂的电压 逐步移相,移相输出电压的移相角达180°,相应中性段的合成电压与右牵引供电臂的电压 实现同幅值、同相位;3-6)当移相参考电压的相位已经移相到目标值,主控制器采集第三电气量传感器的电 压采集信号,采集第二电气量传感器的采样信号和第四电气量传感器的采集信号;得到左 边变流器组输出电压的参考信号,主控制器将此参考信号作为对左变流器组的输出电压参考,生成对左变流器组的控制信号,并协调右变流器组的控制信号使两边变流器组共用的 直流侧电容电压维持稳定;实现所述装置对中性段移相目标电压的锁定。
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