CN102642481B - 用于铁路牵引网的电能调节-融冰装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰装置，该装置包括左、右两个结构相同的变流设备，左、右两变流设备的直流侧通过开关连接；每变流设备各包括的一台多重化绕组变压器和多个结构相同的H桥模块，变压器由原边绕组和多个次边绕组组成，原边绕组连接牵引网变电所供电臂的单相交流电，每个次边绕组连接一个H桥模块，各H桥模块直流侧串联连接。本发明还涉及一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰方法。本发明采用基于H桥直流侧串联的拓扑结构，既可以满足大容量直流融冰需求，也可以满足电气化铁路的电能质量治理，以实现覆冰时融冰，不融冰时进行牵引变电所电能质量治理，以节省投资，提高设备利用率。

Description

用于铁路牵引网的电能调节-融冰装置及方法

技术领域

本发明涉及电力系统供电领域，特别涉及一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰装置及方法。 

背景技术

随着全球气候的变化，大范围的气象灾害在世界范围内频繁发生。近年来我国也频频发生冰灾，因覆冰引起的供电中断，甚至电网解列等，造成了大面积的停电。而且修复工作难度大、周期长，严重影响了交通、通讯等多个产业。但国内至今还没有安装牵引网除(融)冰装置的线路，为确保列车在冻雨及冰雪等极端灾害天气情况下安全运行，开展牵引网融冰装置开发意义重大。 

电气化铁道用牵引网覆冰属大气结冰范畴，它是在空气高度过饱和而且含有过冷水滴、导线温度等于或者略高于环境温度的情况下出现的一种自然附着成冰的现象。由于微气候、微地形及温度、空气中的过冷却水含量、风速等不同，牵引网覆冰可以分为雨淞、混合淞、雾淞、白霜等，常见的是雨淞和混合淞。牵引网覆冰时，不仅导致电力机车无法取流、受电弓损坏，而且导致牵引网舞动甚至倒杆、塌网等严重事故。因此牵引网融冰的主要目的是融化牵引网中的接触线的覆冰，同时兼顾融化承力索覆冰。 

融冰方式主要分为加热融冰、机械融冰、被动除冰等，其中加热融冰法为主要的融冰方式，而加热融冰法中交流融冰和直流融冰方法最直接、有效。直流融冰技术的原理是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，用较低电压提供短路电流加热导线使覆冰融化。与交流融冰相比，直流融冰时线路阻抗的感性分量不起作用，降低融冰所需电源容量，提高融冰效率。并且直流融冰时直流电压连续可调，可以满足不同长度的线路融冰要求，且不要进行阻抗匹配，减低了施行难度。 

其中，直流电源可采用发电机电源整流和采用系统电源的可控硅整流两种方案。前者虽可减少投资但却受发电机组容量与融冰所需容量的限制，大多情况都不满足需求。因此采用系统电源的可控硅整流融冰是热力融冰法中的热点，其适用性更强，可根据不同情况调节直流融冰电压，使之满足不同应用环境的需要，是现有融冰方法中最理想的一种。结合我国电气化铁道的实际，线 路崎岖，且线路有单线、复线，每个牵引臂的距离有长有短等多种不同的组合方式，因此采用系统电源可控整流融冰是电气化铁路牵引网的最佳融冰方式。 

现有的电气化铁路牵引网在应用过程中，还存在一个较大的问题。电气化铁路作为电力系统的用电大户，单相负载直接接入主干电网，有无功功率大、谐波含量高、负序电流大等特点，其中高速铁路的主要影响是负序电流大。这些已经严重影响了铁路沿线供电系统的电能质量，给周边企业生产和人民生活带来不好的影响，因此迫切需要对铁路带来的负序等电能质量问题进行处理。 

国内对铁路的电能质量治理提出了多种方案，其中铁路功率调节器RPC是一种性能较高的方案，能实现功率双向流动的调节器，可全面治理无功、谐波和负序问题。 

目前现有技术中，对电气化铁路牵引网的覆冰问题和电能质量问题都是采用不同的设备、不同的方式分别治理，导致使用设备的浪费和治理成本的提高。 

发明内容

本发明的目的提供一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰装置，该装置可同时解决铁路牵引网的覆冰问题和电能质量问题，提高设备利用率。 

本发明一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰装置，该装置包括左、右两个结构相同的变流设备，左、右两变流设备的直流侧通过开关连接；每变流设备各包括的一台多重化绕组变压器和多个结构相同的H桥模块，变压器由原边绕组和多个次边绕组组成，原边绕组连接牵引网变电所供电臂的单项交流电，每个次边绕组连接一个H桥模块，各H桥模块直流侧串联连接。 

优选的，左、右两变流设备的直流侧输出端分别设有开关。 

优选的，次边绕组通过电感连接H模块。 

优选的，H桥模块包括H桥逆变器，与该H桥逆变器直流侧并联的电容。 

优选的，H桥逆变器由IGBT或IGCT组成。 

本发明还提供一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰方法，该方法可同时解决铁路牵引网的覆冰问题和电能质量问题，提高设备利用率。 

本发明一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰方法，在牵引上的变电所处设置功率调节-融冰装置，该装置包括左、右两个结构相同的变流设备，左、右两变流设备的直流侧通过开关连接；每变流设备各包括的一台多重化绕组变 压器和多个结构相同的H桥模块，变压器由原边绕组和多个次边绕组组成，原边绕组连接牵引网变电所供电臂的单项交流电，每个次边绕组连接一个H桥模块，各H桥模块直流侧串联连接；该方法包括：需要功率调节时，通过连接左、右两变流设备的直流侧，将功率调节-融冰装置左、右两变流设备连通，关闭左、右两变流设备的直流侧的其他输出端；当变电所第一供电臂的有功功率较大时，与变电所第二供电臂连接的变流设备将第二供电臂的交流电通过可控整流转换为直流电，再通过与第一供电臂连接的变流设备通过逆变，输出功率给第一供电臂的负载供电，其中所转移的有功功率大小可控；与第一供电臂连接的变流设备将直流电逆变为交流电，为第一供电臂补充电能，使得第一供电臂和第二供电臂有功功率达到平衡。 

优选的，该方法还包括：需要单直流电流本地融冰时，将功率调节-融冰装置的一变流设备与本地接触网连通；控制该变流设备输出直流电流对本地接触网融冰。 

优选的，该方法还包括：需要单直流电流跨区融冰时，将功率调节-融冰装置的一变流设备与本区和邻近的另一区的接触网连通；控制该变流设备输出直流电流可同时对本区和邻近的另一区接触网融冰。 

优选的，该方法还包括：需要双直流电流本地融冰时，将功率调节-融冰装置左、右两变流设备连通，关闭左、右两变流设备中一变流设备的直流输出端；另一变流设备的直流输出端与本地接触网连通；控制功率调节-融冰装置输出直流电流对本地接触网融冰。 

优选的，该方法还包括：需要双直流电流跨区融冰时，将功率调节-融冰装置左、右两变流设备连通，关闭左、右两变流设备中一变流设备的直流输出端；另一变流设备的直流输出端与与本区和邻近另一区接触网连通；控制功率调节-融冰装置输出直流电流同时对本区和邻近另一区接触网融冰。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

本发明采用基于H桥直流侧串联的拓扑结构，既可以满足大容量直流融冰需求，也可以满足电气化铁路的电能质量治理，以实现覆冰时融冰，不融冰时进行牵引变电所电能质量治理，以节省投资，提高设备利用率。 

附图说明

图1为本发明功率调节-防冰装置的拓扑结构图； 

图2为本发明功率调节-防冰装置与牵引网连接图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明采用基于H桥直流侧串联的拓扑结构，既可以满足大容量直流融冰需求，也可以满足电气化铁路的电能质量治理，以实现覆冰时融冰，不融冰时进行牵引变电所电能质量治理，以节省投资，提高设备利用率。 

参见图1，示出本发明功率调节-防冰装置的拓扑结构，从整体看，该装置可分为左、右两个相同的变流设备，每变流设备都包括的一台多重化绕组变压器Us和N个相同结构的H桥模块，变压器由原边绕组和N个次边绕组组成，每个次边绕组对应一个H桥模块；H桥模块包括H桥逆变器和直流侧电容。 

H桥逆变器由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)或IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor集成门极换流晶闸管)组成。每个H桥模块通过变压器次边绕组耦合至高压回路，多个独立的H桥模块直流侧通过串联方式形成一个高压可控的直流输出，构成高压换流电路拓扑。 

功率调节-防冰装置的左、右两变流设备背靠背连接，通过变压器分别接入牵引变电所的两个供电臂。图1中电阻R1和电抗L1，电阻R2和电抗L2串联代表第一供电臂牵引网、第二供电臂牵引网线路的阻抗。电阻R1和电抗L1支路两端分别设有开关1和开关2；电阻R2和电抗L2支路两端分别设有开关5和开关6；开关1与开关5之间设有开关3，开关2和开关6之间设有开关4。 

工作时，多绕组变压器Us的原边连接单相高压交流电，多绕组变压器Us将单相高压(例如27.5kV、55kV)降压到合适的电压等级(例如970V)，通过各个次边绕组和连接电抗接入各H桥模块，各H桥模块输出直流电压。各H桥模块的直流侧串联，使功率调节-防冰装置输出可控的直流高电压。 

功率调节-防冰装置左、右两变流设备一端是高压单相输入，一端是高压直流输出，实现大容量交流和直流的转换。该功率调节-防冰装置可通过增加H桥模块数量可提高输出直流电压等级，无IGBT器件串联均匀问题；通过控 制各H桥模块，可控制输出直流电压。该功率调节-防冰装置的左、右两边分别连接一相高压交流电，通过功率融通可以治理实现两个供电臂的功率平衡，结合两变流设备可以同时治理谐波各自所在臂的谐波和无功功率。因此，可以治理三相高压侧的谐波、无功功率高、负序电流大等问题。 

本发明合理设计次边绕组UC1-UCN的电压，根据实际的容量需求设计次边绕组的个数和H桥模块的个数，获得所需的直流电压；各H桥模块结构完全一致，方便模块化生产和冗余设计。 

本发明功率调节-防冰装置可工作在两种模式： 

1)功率调节模式。 

将功率调节-防冰装置的左、右两变流设备分别与牵引变电所左、右两个输出臂连接，开关3和开关4合上，功率调节-防冰装置左变流设备和右变流设备连通；开关1和开关2断开，功率调节-防冰装置左变流设备不输出直流电压；开关5和开关6断开，功率调节-防冰装置右变流设备不输出直流电压。 

如牵引变电所左输出臂的线路上有机车通过，而右输出臂的线路上无负载或者负载轻，则左输出臂有功率输出，导致左、右两输出臂电流不平衡，这时，控制功率调节-防冰装置右变流设备整流，变电所将右输出臂的交流电流转换为直流电压，传送到左变流设备；功率调节-防冰装置左变流设备再将直流电压逆变为交流电，补充变电所左输出臂的功率，使变电所左、右两个输出臂功率平衡。 

同理，如牵引变电所右输出臂的线路上有机车通过，而左输出臂的线路上无负载或者负载轻，该功率调节-防冰装置用变电所左输出臂的功率补充右输出臂所需的部分功率，使变电所左、右两个输出臂功率平衡。这样，本发明功率调节-防冰装置相对于使变电所左、右两个输出臂同时为机车提供有功功率，可以提高对变电所内主变电容器的利用率，从而减少对单臂的容量需求。同时，更大优势是，当其中一边有机车取电，另外一边的机车正属于再生制动，就可以实现再生制动的能量传给取电的机车，减少从电网的取电，节约电费。 

同理，本发明功率调节-防冰装置左、右两变流设备，都可以根据各自所在牵引网供电臂的无功功率和谐波的情况，进行无功功率和谐波补偿，因为功率调节在进行无功功率和谐波补偿时，不需要两个供电臂交换，因此两边分别 进行无功补偿时，相当于单相STATCOM装置。 

本发明次边绕组多重化的设计，通过载波移相控制，即180电弧度/N进行调制，则提高整个系统的开关频率，使有功功率和无功功率输出时含有的谐波量少，同时因提高等效的开关频率而有利于谐波的输出。 

2)直流融冰模式： 

直流融冰模式根据线路融冰所需电流的大小，可分为单直流电流输出模式和双直流电流输出模式。当线路较长或者线路电阻值较大时，需要提高直流供电电压以输出所需的融冰电流，而功率调节-防冰装置装置的左变流设备或右变流设备受自身器件容量的限制不能提供所需的融冰电流时，采用双直流电流输出模式，可功率调节-防冰装置左、右两变流设备并联输出，提高到使设备处于整流模式下的双倍容量；当功率调节-防冰装置的左变流设备或右变流设备能提供所需的融冰电流时，则采用单直流电流输出模式。 

(A)单直流电流输出模式：将开关3和开关4断开；将开关1和开关2合上，功率调节-防冰装置左变流设备单独工作；将开关5和开关6合上，功率调节-防冰装置右变流设备单独工作。这样形成了两套直流融冰装置，可同时分别进行融冰。 

(B)双直流电流输出模式：将开关3和开关4合上，同时，将开关1和开关2合上，将开关5和开关6断开；或者将开关1和开关2断开，将开关5和开关6合上，功率调节-防冰装置左右两变流设备同时为给某条线路进行输电。这样提供的功率最大，而且牵引变压器各臂输出的电流平衡，在融冰时也不会向电网注入负序电流。 

参见图2，示出本发明功率调节-防冰装置与变电所连接关系。为更好地体现跨区融冰，在相邻变电所安装各装一套功率调节-防冰装置，功率调节-防冰装置21的开关A、B、C、D、E、F分别对应于图1中的开关1、2、3、4、5、6；功率调节-防冰装置22的开关a、b、c、d、e、f分别对应于图1中的开关1、2、3、4、5、6。 

在融冰模式下，牵引网的交流供电开关(隔离刀或断路器)S1、S2、S3、 S4和S9、S10、S11、S12都处于断开状态。 

在单直流电流输出模式下，可同时实现对牵引变电所两个牵引网供电臂融冰，具体操作步骤如下。 

功率调节-防冰装置21的开关C、开关D分开，开关E、开关F分别连接至牵引网L、R点上，分区亭的开关S6合上，开关S7、开关S5分开。这样，功率调节-防冰装置21的右半变流设备与牵引供电牵引网23形成直流回路； 

功率调节-防冰装置22的开关c、开关d分开，开关a、开关b分别连接至牵引网l、r点上，分区亭的开关S8合上，开关S7、开关S5分开。这样，功率调节-防冰装置22的左半变流设备与牵引供电牵引网24形成直流回路。 

在单直流电流输出模式下实现跨区融冰，具体操作步骤如下： 

以功率调节-防冰装置21的右半变流设备为例，功率调节-防冰装置21的开关C、开关D分开，开关E、开关F分别连接至牵引网L、R点上，分区亭的开关S6、S8分开、开关S5、S7合上，开关S9、开关S10、开关S11、开关S12分开，并人工对S11、S12短接。这样功率调节-防冰装置21右半变流设备牵引网23、24形成直流回路，可对牵引网23、24进行融冰。 

在双直流电流输出模式下实现融冰，具体操作步骤如下： 

功率调节-防冰装置21的开关A、开关B分开，开关C、开关D合上，开关E、F分别连接至牵引网L、R点上，分区亭的开关S6合上，开关S5、S7分开。这样，功率调节-防冰装置21与牵引网23形成直流回路；功率调节-防冰装置21的左、右两变流设备可同时对牵引网23进行融冰。 

在双直流电流输出模式下实现跨区融冰，具体操作步骤如下： 

功率调节-防冰装置21的开关A、开关B分开，开关C、开关D合上，开关E、开关F分别连接至牵引网L、R点上，分区亭的开关S6、S8分开、开关S5、S7合上，开关S9、开关S10、开关S11、开关S12分开，并人工对S11、S12短接。这样，功率调节-防冰装置21与牵引网23、24形成直流回路，可对牵引网23、24进行融冰。 

本发明功率调节-防冰装置在需融冰时融冰，且融冰效率高；不融冰时治理牵引变电所电能质量，能全面改善电网电能质量，充分提高设备的利用率。本发明在融冰时，输出的直流可从零到最大，输出范围广、可控制性高；还可 根据线路长短、数量，得出融冰线路的电阻，选择单倍直流融冰或者双倍直流融冰，单倍直流融冰时可同时对牵引网的两臂同时进行，功率效率高；双倍直流融冰时的输出电流是单倍直流融冰时的两倍，可适应长供电融冰，并且还能够实现单倍直流跨区融冰或双倍直流融冰跨区融冰。 

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰装置，其特征在于，该装置包括左、右两个结构相同的变流设备，形成背靠背的连接结构，左、右两变流设备的直流侧通过开关连接；每变流设备各包括的一台单相多重化绕组变压器和多个结构相同的H桥模块，变压器由原边绕组和多个次边绕组组成，原边绕组连接牵引网变电所供电臂的单项交流电，每个次边绕组连接一个H桥模块，各H桥模块直流侧串联连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，左、右两变流设备的直流侧输出端分别设有开关。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，次边绕组通过电感连接H模块。

4.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，H桥模块包括H桥逆变器，与该H桥逆变器直流侧并联的电容。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，H桥逆变器由IGBT或IGCT组成。

6.一种用于铁路牵引网的功率调节-融冰方法，其特征在于，在牵引上的变电所处设置功率调节-融冰装置，该装置包括左、右两个结构相同的变流设备，左、右两变流设备的直流侧通过开关连接；每变流设备各包括的一台多重化绕组变压器和多个结构相同的H桥模块，变压器由原边绕组和多个次边绕组组成，原边绕组连接牵引网变电所供电臂的单项交流电，每个次边绕组连接一个H桥模块，各H桥模块直流侧串联连接；该方法包括：

需要功率调节时，通过连接左、右两变流设备的直流侧，将功率调节-融冰装置左、右两变流设备连通，关闭左、右两变流设备的直流侧的其他输出端；

当变电所第一供电臂的有功功率较大时，与变电所第二供电臂连接的变流设备将第二供电臂的交流电通过可控整流转换为直流电，再通过与第一供电臂连接的变流设备通过逆变，输出功率给第一供电臂的负载供电，其中所转移的有功功率大小可控；

与第一供电臂连接的变流设备将直流电逆变为交流电，为第一供电臂补充电能，使得第一供电臂和第二供电臂有功功率达到平衡。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

需要单直流电流本地融冰时，将功率调节-融冰装置的一变流设备与本地接触网连通；

控制该变流设备输出直流电流对本地接触网融冰。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

需要单直流电流跨区融冰时，将功率调节-融冰装置的一变流设备与本区和邻近的另一区的接触网连通；

控制该变流设备输出直流电流可同时对本区和邻近的另一区接触网融冰。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

需要双直流电流本地融冰时，将功率调节-融冰装置左、右两变流设备连通，关闭左、右两变流设备中一变流设备的直流输出端；

另一变流设备的直流输出端与本地接触网连通；

控制功率调节-融冰装置输出直流电流对本地接触网融冰。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

需要双直流电流跨区融冰时，将功率调节-融冰装置左、右两变流设备连通，关闭左、右两变流设备中一变流设备的直流输出端；

另一变流设备的直流输出端与与本区和邻近另一区接触网连通；

控制功率调节-融冰装置输出直流电流同时对本区和邻近另一区接触网融冰。

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