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

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

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引网电分相和实现牵引变电站电能质量综合补偿功能的装置。

背景技术

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S1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MD_a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S₂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MD_b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S₂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90.8kV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(Static SynchronousCompensator，STATCOM)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 Power Electronics 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V_a1、V_a2和V_b1、V_b2。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C₁、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C₁、C₂，C₃，C₄，C₅、C₆，C₇、C₈额定电压为3kV×2，IGCT规格为6kV/6kA。两相式STATCOM装置交流侧各采用1台串联2重化变压器T_a和T_b，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(5MVA×2串×2相)。

采用这种两相式STATCOM装置在牵引变电站的应用连接方式如图3所示，两相式STATCOM装置一侧输出端子为x、y，另一侧端子为z、w。端子x经断路器BK_a接入牵引供电臂14，端子z经断路器BK_b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STATCOM装置针对牵引变电站电能质量控制过程描述如下：首先STATCOM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P_c在“背靠背”连接的两组变流器V_a、V_b之间实现转移。当STATCOM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V_a和V_b可分别独立地对两侧供电臂补偿无功功率Q_c1和Q_c2，以及补偿谐波电流i_ch1和i_ch2。

根据以上所述两相式STATCOM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。

发明内容

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。

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。

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，

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。

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。

本发明的特点及有益效果如下：

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STATCOM装置功能的有效拓展，性价比得以显著提高。

附图说明

图1为已有的地面开关自动过分相技术方案示意图。

图2为已有的两相式STATCOM装置的两相“背靠背”式变流器电路结构图。

图3为已有的两相式STATCOM装置在牵引变电站内的接线示意图。

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。

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T_b的系统结构示意图。

图6为本发明所述两相“背靠背”式变流器3的结构示意图。

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

图8为构成本发明所述变流器组V_a和V_b的2n个电压源变流器V_r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。

图9为本发明由所述m个单相多绕组变压器T_r构成的单相串联多重化降压变压器组实施例结构图。

图10为本发明由所述m个单相多绕组变压器T_r构成的单相并联多重化降压变压器组实施例结构图。

图11构成本发明单相多重化降压变压器组T_b的单相多绕组变压器T_r的结构实施例结构示意图。

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。

图13为本发明所述2台单相降压变压器11，12结构示意图。

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。

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。

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。

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。

图18为根据所述正弦波表(k₁＝128个点)得到的电压信号v_refo的标幺化计算参考V_o ^*波形图。

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v_refo的有效值V_orms与对应的累计移相角θ的函数关系图。

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v_refo的有效值V_orms与对应的累计移相角θ的函数关系图。

具体实施方式

本发明结合附图及实施例详细说明如下：

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BK_a、BK_m、BK_b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。

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B_n，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x、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a₁、b₁，副边绕组两端子为a₂、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B_n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x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BK_a的下端口串联，BK_a的上端口为输出端子l。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a₄与单相降压变压器11的副边绕组下端口b₂相连接，单相降压变压器11的副边绕组上端口a₂与断路器开关1中的BK_m的下端口串联，BK_m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z与断路器开关1的BK_b的下端口串联，BK_b的上端口为输出端子r；所述单相降压变压器11的原边绕组上方端子a₁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a₃与断路器开关1的BK_b的下端口相连接；

所述电气量传感器4安装在断路器开关1的BK_a下端口，用以测量该端口侧的电气信号e₄(包括该端口电压信号v₄和流经该端口的电流信号i₄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BK_m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BK_b下端口，用以测量该端口的电气信号e₆(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w₉。

所述主控制器13具有7个信号输入端口(In₁、In₂、In₃、In₄、In₅、In₆、In₇)和4个信号输出端口(O₁、O₂、O₃、O₄)，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BK_a、BK_m、BK_b组成的断路器开关1的控制信号端口分别为d_a，d_m和d_b。电压源变流器组V_a的控制信号端口为D_va(D_va表示构成变流器组V_a的所有IGBT的控制信号端口总和)，电压源变流器组V_b的控制信号端口为D_vb(D_vb表示构成变流器组V_b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V_a和V_b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d_a，d_m和d_b相连接，O₂与可控投切开关2的控制信号端口d₂相连，O₃与变流器组V_a的控制信号端口D_va相连，O₄与变流器组V_b的控制信号端口D_vb相连。

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w₉。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C_va和C_vb，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。

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V_a和V_b，与右边单相电压源变流器组V_b交流侧相连接的1台单相多重化变压器组T_b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T_b，直接由单相电压源变流器组V_b引出一对输出端子z和w，如图5所示。

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V_a和V_b均由n个相同的单相电压源变流器V_r1，V_r2，...V_ri...V_rn构成。n为正整数，n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S_t，任意一个单相电压源变流器V_ri的额定视在功率容量为S_vr，则n取值应满足关系式(1)：

$n\≥k_t\·\frac{S_t}{S_{\mathrm{vr}}}---\left(1\right)$

式(1)中k_t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，k_t＝1/2；当采用以SCOTT接线型为代表的平衡牵引变压器时，

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，n通常满足10≤n≤70；直流侧电容器组分别由直流侧电容器C_L1、C_L2、…C_Li…C_Ln和C_R1、C_R2、…C_Ri…C_Rn组成，单相电压源变流器组V_a中第i个电压源变流器V_ri的直流侧电容器C_Li与单相电压源变流器组V_b中第i个(1≤i≤n)电压源变流器V_ri的直流侧电容器C_Ri按照正、负极性相互并联(当V_ri采用二极管箝位的3电平结构时，V_Li和V_Ri的中性极相互连接，图中未示出)，从而共同构成共计n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。

两种实施例结构的不同之处分别说明如下：

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V_a中第i个电压源变流器V_ri的两个桥臂的中点A_i、B_i分别与相邻的第i-1和i+1个单相电压源变流器的桥臂中点B_i-1和A_i+1依次连接，同时将单相电压源变流器V_r1的桥臂中点A₁和V_rn的桥臂中点B_n分别引出作为单相电压源变流器组V_a的2个输出端子，其中V_a称为级联型n电平变流器，或称之为n电平链式变流器组。在单相电压源变流器组V_b中，第i个单相电压源变流器V_ri的两个桥臂中点A_i、B_i分别与单相多重化变压器组T_b副边的第i绕组S_Ri两端口连接，并通过所述多重化变压器组T_b的多重化连接将该侧n个单相电压源变流器V_ri构成单相电压源变流器组V_b。多重化变压器组T_b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z和w。

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V_a和V_b均是由n个单相电压源变流器构成的n电平链式变流器组，所述单相电压源变流器组V_a、V_b中任一个单相电压源变流器V_ri的两个桥臂的中点A_i、B_i分别与相邻的第i-1和i+1个单相电压源变流器的桥臂中点B_i-1和A_i+1依次连接，其中，电压源变流器组V_a中第1个单相电压源变流器V_r1的桥臂中点A₁和第n个单相电压源变流器V_rn的桥臂中点B_n分别引出，作为电压源变流器组V_a的2个输出端子。单相电压源变流器组V_b中第1个单相电压源变流器V_r1的桥臂中点A₁与连接电抗器L₁相串联，第n个单相电压源变流器V_rn的桥臂中点B_n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z和w。

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V_ri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V_ri的结构(1≤i≤n)。第一种实施例结构如图8(a)所示，单相电压源变流器V_ri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)S_i1、S_i2和S_i3、S_i4及其反并联二极管D_i1、D_i2和D_i3、D_i4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C_i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V_ri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)S_i1、S_i2、S_i3、S_i4和S_i5、S_i6、S_i7、S_i8及其反并联二极管D_i1、D_i2、D_i3、D_i4和D_i5、D_i6、D_i7、D_i8，箝位二极管QD_i1、QD_i2、QD_i3、QD_i4和直流侧两组相互串联的电容器C_i1、C_i2、C_i3、C_i4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。

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T_b由m个单相多绕组变压器组T_r通过多重化连接构成(m数值满足n＝m×j，通常在5～30之间)，单相多重化变压器组T_b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V_b中n个单相电压源变流器V_ri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T_r1、T_r2、...T_rm的m个原边绕组P₁，P₂、...P_m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，T_r1的原边绕组上端口作为串联多重化变压器组T_b的原边绕组上端口z，T_rm的原边绕组下端口作为串联多重化变压器组T_b的原边绕组下端口w，副边共计n个绕组(n＝m×j)。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T_r1、T_r2、...T_rm的m个原边绕组P₁，P₂、...P_m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T_b的原边绕组端口z，w，副边共计n个绕组(n＝m×j)。

上述每个单相多绕组变压器T_r由1个原边绕组P和j个副边绕组S_R1、S_R2、...S_Rj构成(其中j≥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T_r退化为普通的单相2绕组变压器)。所述j个副边绕组S_R1、S_R2、...S_Rj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。

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N_p，端子x与中间抽头u之间的绕组匝数为N_p1，中间抽头u与端子y之间的绕组匝数为N_p2，(其中N_p＝N_p1+N_p2)，副边绕组匝数为Ns。令k_u表示绕组N_p2与N_p匝数之比，如下式(2)所示：

k_u＝N_p2/N_p                       (2)

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，k_u应满足关系式(3)：

k_u＝1/2                          (3)

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，k_u应满足关系式(4)

$k_u=\sqrt{2}/2\≈0.707---\left(4\right)$

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S₁₀，则端子u和y之间的原边绕组额定功率容量与端子x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S₁₀，并满足关系式(5)：

S₁₀＝k_t·S_t                      (5)

式(5)中k_t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，

当采用以SCOTT接线型为代表的平衡牵引变压器时，

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N₂，原、副边匝数比k_s应满足关系式(6)：

k_s＝N₁/N₂＝2                     (6)

令通过牵引电分相的单列电力机车额定功率容量为S_t，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)：

$S_{11}=S_{12}=\frac{1}{2}{S}_t---\left(7\right)$

本装置的主控制器13实施例，是由1片TMSF28335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、e₆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、w₈、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C_va和C_vb的生成，分配和输出单元。

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l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b₁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l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27.5kV。

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：

1)本装置准备投入运行之前，主控制器13将控制信号C_va，C_vb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BK_a、BK_b、BK_b全部闭合，装置并网；

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：

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P_L1、Q_L1和P_L2、Q_L2(P_L1、Q_L1和P_L2、Q_L2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i_h1和i_h2；

2-2)主控制器13通过控制信号C_va和C_vb，使发明装置在牵引供电臂14和15之间转移有功功率P_c，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Q_L1、Q_L2和谐波电流i_h1和i_h2，(采用与两相式STATCOM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。

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。

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：

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C_va，C_vb全部封锁，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MD_a；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MD_b。

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。

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V_α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：

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a₂、b₂之间电压为V_Ta、降压变压器12的副边绕组端口a₄、b₄之间电压为V_Tb，二者相串联后其副边绕组端口a₂和b₄之间的电压为V_T。所述装置中变流器组V_a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_o。

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V_T的检测信号v_t，可由式(8)计算得到：

v_t＝v₅-v₁₇                        (8)

然后将电压采集信号v₄与v_t相减，所得即作为所述变流器组V_a输出电压V_o的参考电压信号v_refo，其计算方法如式(9)所示：

v_refo＝v₄-v_t                       (9)

主控制器13根据式(9)计算得到所述装置输出电压V_o的参考电压信号v_refo，即移相过程的起始参考电压信号，并据此生成对变流器组V_a的控制信号C_va，同时协调控制信号C_vb使变流器组V_a和V_b共用的直流侧电容电压维持稳定。经所述变流器组V_a输出电压V_o和所述串联变压器11、12的副边绕组电压V_T的串联合成，在中性段产生的合成电压V₁₆与牵引供电臂14电压V_α的幅值和相位完全相同。

主控制器13根据得到的参考信号v_refo，计算所述参考信号v_refo的有效值V_orms0并进行存储，以此作为移相起始电压的有效值。

3-4)预先计算变压变频移相程序中参考电压采用的频率f₁。令牵引供电系统频率为f₀，预设本装置完成对中性段电压V₁₆移相的时间为T_Δ(T_Δ为工频周期的k₂倍，k₂通常取正整数，且满足k₂＝T_Δ·f₁)。令中性段合成电压V₁₆从t_s时刻经过T_Δ时间后在t_e时刻完成从牵引供电臂14的电压V_α到牵引供电臂15的电压V_β的相移过程，(其中t_s时刻是指变流器组V_a的输出电压V_o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t_e-t_s＝T_Δ)在此期间变流器组V_a输出电压V_o的总相移角为θ_αβ，则f₁可由下式计算：

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_o总移相角均满足θ_αβ＝±180°。

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MD_a，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t_s时刻为参考电压信号v_refo的零起始相位，以f₁作为v_refo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V_orms，继而生成所述移相输出电压V_o的参考信号v_refo。最终使所述中性段合成电压V₁₆相对牵引供电臂14的电压V_α逐步产生移相。至t_e时刻输出电压V_o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V_β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：

3-5.1)根据公式(10)求解出频率f₁，令主控制器13定时计算的频率为f₂，两者应满足以下关系：

f₂＝k₁·f₁                       (11)

式(11)中k₁通常为大于100以上的正整数。

3-5.2)根据式(10)和(11)，主控制器13生成具有k₁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v_refo的标幺化计算参考V_o ^*，如图18为根据所述正弦波表(选择k₁＝128个点)得到的电压信号v_refo的标幺化计算参考V_o ^*的波形，图中每个点的横坐标依次为对应于0到k₁的共计128个正整数，纵坐标即为每个正整数计数点对应的标幺化计算参考V_o ^*。

3-5.3)主控制器13生成2个相位计数器C_t1和C_t2，计数器C_t1按照频率f₂从0开始定时累加1。在t_s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C_t1和C_t2清零，并使C_t1开始以频率f₂定时累加计数。当相位计数器C_t1累加到k₁-1时，则对计数器C_t1再次清零(表明在此期间正好经过了以f₁为频率的1个正弦整周期)，同时对计数器C_t2累加1，如此反复循环。每当计数器C_t2累加1，主控制器13就对移相角增加Δθ角度(Δθ是指每经过一个移相周波，参考电压v_refo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v_refo在每个移相周期对应的有效值V_orms。所述Δθ计算方法为：

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θ₀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θ₀为0°。

在计数器C_t1和C_t2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v_refo在每个移相周波对应的电压有效值v_orms(令C_t2当前计数值为i，则累计移相角θ＝i×Δθ)。其计算方法为：

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v_refo对应的有效值V_orms可根据下式计算：

$V_{\mathrm{orms}}=(\sqrt{1+3{\sin }^2\mathrm{\θ}}-\sqrt{3}\sin \mathrm{\θ})\·v_{\mathrm{orms}0}---\left(13\right)$

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_refo对应的有效值V_orms可根据下式计算：

$V_{\mathrm{orms}}=(\sqrt{1+{\sin }^2\mathrm{\θ}}-\sin \mathrm{\θ})\·v_{\mathrm{orms}0}---\left(14\right)$

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_refo对应的有效值V_orms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v_refo对应的有效值V_orms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(k₂＝50)，每个移相周波移相角Δθ＝3.6°，纵坐标为V_orms/V_orms0。

3-5.4)在计数器C_t1循环累加期间，主控制器13根据相位计数器C_t1的计数值，进入正弦波表查表得到参考电压信号v_refo所需每个计数值相对应的标幺化计算参考V_o ^*。据此主控制器13生成所述输出移相参考电压V_refo，其计算公式如下：

V_refo＝V_orms×V_o ^*                   (15)

3-6)当计数器C_t2在t_e时刻计数值达到k₂时，表明移相参考电压信号V_refo的相位已经移动到目标值θ_αβ。主控制器13采集电气量传感器6的电压采集信号v₆(v₆即为牵引供电臂15的电压V_β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V_T的检测信号v_t，然后将电压采集信号v₆与v_t相减，所得即作为所述变流器组V_a输出电压V_o的参考信号v_refo，计算方法如式(16)所示：

V_refo＝v₆-v_t                    (16)

主控制器13在t_e时刻将由式(16)计算所得作为变流器组V_a的输出电压参考信号v_refo，并生成对变流器组V_a的控制信号C_va，同时协调控制信号C_vb使变流器组V_a和V_b共用的直流侧电容电压维持稳定。则经所述变流器组V_a输出电压V_o和所述串联变压器11、12的副边绕组电压V_T在中性段串联合成的电压V₁₆与牵引供电臂15电压V_β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；

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C_va，C_vb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引变电站电能质量综合补偿模式。

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S_t＝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S₁₀＝10Mvar，根据式(3)，其原边绕组N_p2与N_p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10Mvar，原副边电压变比为27.5kV/13.75kV；单相多重化变压器组T_b的额定功率容量为10Mvar。

实施例1中，变流器组V_a和V_b的设计额定功率容量均为10Mvar，采用3300V/1400AIGBT组成的2电平H桥电压源变流器V_r，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，n＝12。如图6所示，两侧变流器组V_a和V_b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T_b每台串联多重化变压器组由共计3台相同规格的T_r构成，每台多绕组变压器T_r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∶1(9.2kV/1.2kV)，每台T_r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。

电分相中性段两侧供电臂电压V_α与V_β之间的相位差θ为60°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(a)。如图16所示，牵引供电臂14的电压V_α与牵引供电臂15的电压V_β有效值均为27.5kV，单相降压变压器11副边绕组端口电压V_Tα有效值为13.75kV，单相降压变压器12副边绕组端口电压V_Tβ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a₂和b₄之间的电压V_T有效值为23.8kV。本装置对中性段生成的合成电压V₁₆是由串联变压器电压V_T和变流器组V_a的输出电压Vo这2部分电压合成得到，其中输出电压V_o在t_s时刻起经AT时间在t_e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V_α沿虚线轨迹移相到V_β。

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_αβ＝180°，令T_Δ＝1s，由式(可得实现滞后移相f₁＝49.5Hz，实现超前移相f₁＝50.5Hz。

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S_t＝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S₁₀＝14.2Mvar，根据式(4)，其原边绕组N_p2与N_p匝数之比k_u≈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10Mvar，原副边电压变比为27.5kV/13.75kV。

实施例2中，变流器组V_a和V_b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_r，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V_a和V_b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V_b引出端z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。

实施例2中，电分相中性段两侧供电臂电压V_α与V_β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V_α与牵引供电臂15的电压V_β有效值均为27.5kV，单相降压变压器11副边绕组端口电压V_Tα有效值为13.75kV，单相降压变压器12副边绕组端口电压V_Tβ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a₂和b₄之间的电压V_T有效值为23.8kV。本装置对中性段生成的合成电压V₁₆是由串联变压器电压V_T和变流器组V_a的输出电压V_o这2部分电压合成得到，其中输出电压V_o在t_s时刻起经ΔT时间在t_e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90°的滞后，从V_α沿虚线轨迹移相到V_β。

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_αβ＝180°，令T_Δ＝1s，由式(可得实现滞后移相f₁＝49.5Hz，实现超前移相f₁＝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n个相同的单相电压源变流器构成，n为正整数，且n满足10≤n≤70；直流侧电容器组各由n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，1≤i≤n，共同构成共计n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-1和i+1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n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n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n＝m×j，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V_b中n个单相电压源变流器V_r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n个相同的单相电压源变流器构成，n为正整数，且n满足10≤n≤70；直流侧电容器组各由n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，1≤i≤n，共同构成共计n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n个单相电压源变流器构成的n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-1和i+1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n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n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BK_a、BK_b、BK_b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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