CN103094903A - 一种车网谐振地面综合治理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车网谐振地面综合治理系统，包括：高压有源滤波器、高通滤波器和车网谐振地面控制单元。高压有源滤波器通过多重化升压变压器连接在牵引供电母线上，高压有源滤波器滤除12次以下谐波，同时进行无功动态补偿。高通滤波器直挂在牵引供电母线上，高通滤波器用于滤除13次以上高次谐波。车网谐振地面控制单元分别与高压有源滤波器和高通滤波器相连，车网谐振地面控制单元分别对高压有源滤波器和高通滤波器进行动态实时控制。本发明车网谐振地面综合治理系统能够很好地适应我国电气化铁道普遍存在交直型和交直交型电力机车各车型混跑的现状，实现系统功能集中化，安装方式灵活，同时具有可靠性高、通用性强、改造成本低的优点。

Description

一种车网谐振地面综合治理系统

技术领域

本发明涉及一种电能治理装置，具体涉及一种应用于轨道交通电气化领域的车网谐振地面综合治理系统。

背景技术

近年来，我国电气化铁道建设进入了高速发展阶段，新型大功率交直交（AC-DC-AC）电力机车逐步成为了我国电气化铁道的主力车型。然而，既有线路上仍存在着大量的传统型交直（AC-DC）电力机车，这导致我国电气化铁道普遍存在各类车型混跑的现状，尤其是铁路局各编组站和枢纽站更为明显。因此，良好的牵引供电网与电力机车的系统匹配，是列车安全可靠、高效运行的关键因素。

传统型交直电力机车采用半控桥式整流，其通过控制晶闸管的导通角来实现机车出力的调节，其功率因数低，谐波特性主要集中在3、5、7等次。随着铁路大提速以及客运专线的快速建设，新型交直交电力机车在我国大量采用。新型交直交电力机车功率因数较高，注入系统的谐波电流较小，但其交流网侧高频带出现大量的30～50次和在100～120次等高次谐波，特别是机车启动、爬坡、制动等调节过程中谐波含量显著增大，注入系统的谐波电流次数相应提高。加之我国各类车型混跑的情况，使得牵引供电系统中谐波含量丰富，谐波频带分布广泛，这种情况大大增加了系统产生谐波谐振的可能性。当系统发生谐波谐振时，会形成较大的过电压和过电流，频繁出现直流电力机车RC回路烧损、二次继电保护设备和计量仪表的绝缘损坏、继电保护设备误动作。同时，还会导致氧化锌避雷器损坏，牵引变电所交直流充电模板屏烧毁等现象，严重影响了铁路的正常运行。

目前，国外铁路由于运力需求不是非常紧迫或交直流机车不混跑、或单一牵引网的机车密集度不高，车网谐振问题未凸显现或不显著，技术研究基本体现在谐振仿真模型。国内研究工作开展相对较晚，主要集中在谐波分析的算法、电力系统谐波的建模、谐波的危害及影响。在工程实践中，有提出优化行车调度，交流机车分散使用的方案，其缺点是实施难度大，并减弱线路运输运力。又如修改交流机车控制软件、改变牵引供电系统阻抗潮流分布、变压器原边绕组出线使用磁珠、改变直流机车RC绕组的参数和耐热系数等方法，但均因改造工程量巨大，可操作性低等，导致车网谐振问题现象持续且无法有效的治理。

在现有技术中，与本发明有关的文献主要有山东雷奇电器有限公司于2009年01月16日申请，并于2009年10月28日公告，公告号为CN201336573Y的中国实用新型专利《牵引网谐振抑制装置》。如附图1所示，该实用新型专利主要包括变压器及牵引变压器输出侧的两组牵引供电臂，每组牵引供电臂上电连接电流互感器，每组牵引供电臂上设置有若干并联的滤波器。控制器通过实时检测电网中的电流互感器的电压值和电流互感器二次侧的电流值，从而根据设定的参数控制滤波支路的投切组数，从而避免系统谐振点。该专利采用互感器改变系统谐振点，采用接触器实现滤波支路投切，但只能滤除固定次系统谐波，且易造成系统过补。

因此，提出一种新的车网谐振地面综合治理系统，适应于我国电气化铁道普遍存在交直型和交直交型电力机车各车型混跑的现状，解决各路普遍存在因车网谐振导致直流电力机车RC回路烧损的技术缺陷，实现综合治理系统功能集中化成为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种车网谐振地面综合治理系统，该系统针对我国电气化铁道普遍存在交直型和交直交型电力机车各车型混跑特殊性，能够解决各路普遍存在因车网谐振导致直流电力机车RC回路烧损的技术缺陷，实现综合治理系统功能集中化，安装方式灵活，同时还具有可靠性高、通用性强、改造成本低的特点。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种车网谐振地面综合治理系统的技术实现方案，一种车网谐振地面综合治理系统，包括：高压有源滤波器、高通滤波器和车网谐振地面控制单元。高压有源滤波器通过升压变压器连接在牵引供电母线上，高压有源滤波器滤除12次以下谐波，同时进行无功动态补偿。高通滤波器直挂在牵引供电母线上，高通滤波器用于滤除13次以上高次谐波。车网谐振地面控制单元分别与高压有源滤波器和高通滤波器相连，车网谐振地面控制单元分别对高压有源滤波器和高通滤波器进行动态实时控制。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，高压有源滤波器进一步包括n重的预充电单元和与之对应的n重逆变功率单元，n≥1。升压变压器的二次侧采用多重化结构，预充电单元连接在升压变压器的二次侧，预充电单元与逆变功率单元相连。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，高压有源滤波器进一步包括两重以上的逆变功率单元。两重以上的逆变功率单元之间相互串联，并连接在预充电单元与升压变压器之间。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，预充电单元由接触器一、接触器二和充电电阻组成，接触器一与充电电阻串联后再与接触器二并联。预充电单元用于抑制逆变功率单元直流侧电容充电过程中的过电流。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，逆变功率单元进一步包括逆变单元，逆变单元采用全控型整流桥。逆变单元与预充电单元相连。在逆变单元的直流电容充电前接入预充电单元，通过预充电单元将电流限制在一个可控的范围内。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，逆变功率单元还进一步包括旁路开关。旁路开关连接在逆变单元的两个串联级联点之间，并与逆变单元并联。当一个或多个逆变功率单元出现故障时，通过旁路开关旁路故障的逆变单元。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，高通滤波器包括开关、电容器、电抗器和电阻器。电抗器与电阻器并联后与电容器串联组成二阶无源滤波器，再与开关串联。

作为本发明一种车网谐振地面综合治理系统技术方案的进一步改进，车网谐振地面控制单元包括车网谐振总控制器、高通滤波器滤波控制器和n组的高压有源滤波器从控制器。车网谐振总控制器分别与高通滤波器滤波控制器和高压有源滤波器从控制器相连，n组的高压有源滤波器从控制器之间通过光纤相互连接。车网谐振总控制器采集牵引供电系统母线电压和电流信号，通过高压有源滤波器从控制器控制各重逆变功率单元，并实现与各重高压有源滤波器从控制器的通讯及动态实时控制。车网谐振总控制器采集包括电压、电流、无功功率、有功功率、谐波在内的电能质量参数和故障保护信息，并实时上传至监控保护单元和上位机。

通过实施上述本发明一种车网谐振地面综合治理系统的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明车网谐振地面综合治理系统的高压有源滤波器（HAPF）能够滤除12次以下谐波兼顾无功动态补偿，高通滤波器（HPF）能够滤除13次以上高次谐波，系统采用有源加无源相结合的综合治理方式，有效地降低了成本；

（2）本发明车网谐振地面综合治理系统安装方式灵活，可灵活安装于牵引变电所、开闭所、编组站、枢纽站等区域；

（3）本发明车网谐振地面综合治理系统通用性强、可靠性高，通过加装HAPF和HPF地面治理装置，改变系统阻抗特性，有效滤除了谐波，从而改变了系统谐振点，能够满足电力机车在各种线路下的各种运行方式；

（4）本发明车网谐振地面综合治理系统采用具有旁路开关的高压级联型多电平拓扑结构，并通过多重化变压器升压式直挂于牵引供电母线，有效降低了高压有源滤波器（HAPF）的容量和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术牵引网谐振抑制装置的主电路电气拓扑结构图；

图2是本发明车网谐振地面综合治理系统一种具体实施方式的主电路电气拓扑结构图；

图3是本发明车网谐振地面综合治理系统一种具体实施方式中逆变功率单元的电路原理图；

图4是本发明车网谐振地面综合治理系统一种具体实施方式中高压有源滤波器的电路原理图；

图5是本发明车网谐振地面综合治理系统一种具体实施方式中车网谐振地面控制单元的系统结构框图；

图中：1-高压有源滤波器，2-高通滤波器，3-车网谐振地面控制单元，4-预充电单元，5-逆变功率单元，6-多重化升压变压器，7-牵引变电所，8-编组站，9-监控保护单元，10-上位机，11-开关，501-逆变单元，502-旁路开关，51～5n-逆变功率单元1～逆变功率单元n，300-车网谐振总控制器，301-高通滤波器滤波控制器，31～3n-高压有源滤波器从控制器1～高压有源滤波器从控制器n。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图2至5所示，给出了本发明一种车网谐振地面综合治理系统的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

针对目前电气化铁道普遍存在交直型和交直交型电力机车各车型混跑特殊性，各路普遍存在因车网谐振导致直流电力机车RC回路烧损等现状，本发明具体实施方式提出了一种采用高压有源滤波器（HAPF，High Active Power Filter）和二阶高通滤波器（HPF，High Pass Filte）构成的车网谐振地面综合治理系统的技术方案，本发明能够实现功能集中化，安装方式灵活。高压有源滤波器1和高通滤波器2的组合可根据牵引供电系统和供电线路的实际工况需要，安装于牵引变电所7或编组站8（或开闭所、枢纽站等）。同时，本发明可有效滤除高次谐波，避免线路不同运行方式而谐振点改变的影响，兼顾无功动态补偿，对既有所改造和新建所扩建，具有可靠性高、通用性强、改造成本低等优点。

如附图2所示为一种车网谐振地面综合治理系统的具体实施方式，包括：高压有源滤波器1、高通滤波器2和车网谐振地面控制单元3。高压有源滤波器1通过多重化结构的升压变压器6连接在牵引供电母线27.5kV或2×27.5kV上，高压有源滤波器1滤除12次以下谐波，同时进行无功动态补偿。其中，单相10kV/27.5kV升压变压器6的二次侧采用多重化拓扑结构，为便于铁路变电所安装和减少占地面积，升压变压器6内置连接电抗器。第1重高压有源滤波器从控制器31至第N重高压有源滤波器从控制器3n分别用于高压有源滤波器1的逆变功率单元1～逆变功率单元n供电。多重化升压变压器6的优点是输出谐波含量小。高通滤波器2直挂在牵引供电母线27.5kV或2×27.5kV上，高通滤波器2用于滤除13次以上高次谐波。高压有源滤波器1和高通滤波器2还分别进一步包括开关11。高压有源滤波器1的升压变压器6通过开关11连接在牵引供电母线上。车网谐振地面控制单元3分别与高压有源滤波器1和高通滤波器2相连，控制高压有源滤波器1滤除12次以下的谐波，同时进行无功动态补偿，控制高通滤波器2滤除13次以上的高次谐波。车网谐振地面控制单元3还分别对高压有源滤波器1和高通滤波器2的运行状态和故障保护，以及其与铁路局电调和行调等各部分进行动态实时监控，并对高压有源滤波器1和高通滤波器2之间的通讯进行控制。

高压有源滤波器1进一步包括n重的预充电单元4和与之对应的n重逆变功率单元5，n≥1。预充电单元4连接在多重化升压变压器6的二次侧，预充电单元4与逆变功率单元5相连。如附图2所示，作为一种典型的实施方式，高压有源滤波器1进一步包括两重以上的逆变功率单元5，两重以上的逆变功率单元5之间相互串联，并连接在预充电单元4与升压变压器6之间。预充电单元4进一步由接触器一（如：KM1和KM3）、接触器二（如：KM2和KM4）和充电电阻（如：Rc1和Rc2）组成，接触器一与充电电阻串联后再与接触器二并联。预充电单元4用于抑制逆变功率单元5直流侧电容充电过程中的过电流，保护逆变功率单元5的续流二极管，避免充电初期的大电流对器件造成可能的损伤或破坏。由于逆变功率单元5在充电的瞬间电容器相当于短路，冲击电流很大，因而采用充电电阻进行限流。

如附图3所示，逆变功率单元5进一步包括逆变单元501，逆变单元501采用全控型整流桥。逆变单元501与预充电单元4相连。在逆变单元501的直流电容充电前接入预充电单元4，通过预充电单元4将电流限制在一个可控的范围内。

如附图4所示，逆变功率单元5采用n个相同的H桥逆变单元模板级联而成，一方面提高了逆变功率单元5的输出电压。另一方面实现了较大的电平数目，等效开关频率高，输出电压特性好。单个H桥逆变单元采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管）等大功率半导体器件构成的全控桥整流桥。逆变功率单元5还进一步包括旁路开关502。以一个逆变功率单元5为例，旁路开关502连接在逆变单元501的两个串联级联点（如附图3和4中所示的L1和L2点）之间，并与逆变单元501并联。旁路开关502则由接触器或者晶闸管等半导体器件构成，当一个或多个逆变功率单元5出现故障时，通过旁路开关502旁路故障的逆变单元501，从而保证高压有源滤波器1仍能正常工作。在一种典型的实施方式中，旁路开关502采用6kV户内真空接触器，机械保持，直流220V作为其控制电源，由车网谐振地面控制单元3发出指令控制其分合。

高通滤波器2可以有一个或是两个以上，高通滤波器2进一步包括开关11、电容器C、电抗器L和电阻器R。电抗器L与电阻器R并联后与电容器C串联组成二阶无源滤波器，再与开关11串联，通过开关11连接在牵引供电母线上。

如附图5所示，车网谐振地面控制单元3进一步包括车网谐振总控制器300、高通滤波器滤波控制器301和n组的高压有源滤波器从控制器。车网谐振总控制器300分别与高通滤波器滤波控制器301和高压有源滤波器从控制器相连，n组的高压有源滤波器从控制器之间通过光纤相互连接。车网谐振地面控制单元3采用模块化、分布式主从控制拓扑结构。其中，车网谐振总控制器300采集牵引供电系统母线电压和电流信号，通过高压有源滤波器从控制器控制各重逆变功率单元5，并实现与各重高压有源滤波器从控制器的通讯及动态实时控制。同时，车网谐振总控制器300采集电压、电流、无功功率、有功功率、谐波分布等电能质量参数和故障保护信息，并实时上传至监控保护单元9和上位机10。监控保护单元9实现车网谐振地面综合治理系统的监控和保护，监控保护的上传和信息交互，以及车网谐振地面综合治理系统的总调度。高压有源滤波器从控制器1～高压有源滤波器从控制器n实现单重逆变单元501的控制，高压有源滤波器从控制器1～高压有源滤波器从控制器n采用光纤相互连接，有效的提高了综合治理装置的抗干扰能力，确保了综合治理装置运行的稳定性和可靠性。

本发明提出的一种车网谐振地面综合治理系统的具体实施方案，采用高压有源滤波器1+高通滤波器2的组合结构设计，高压有源滤波器1滤除12次以下谐波兼顾无功动态补偿，高通滤波器2滤除13次以上高次谐波，综合治理装置采用有源加无源相结合的综合治理方式，有效降低了成本。其次，本发明具有旁路开关502的高压级联型多电平拓扑结构，并通过多重化变压器升压式直挂于牵引供电母线，有效的降低了高压有源滤波器1的容量和成本。本发明系统的安装方式灵活，可灵活安装于牵引变电所、开闭所、编组站、枢纽站等区域。同时，本发明系统通过加装HAPF+HPF地面治理装置，通用性强、可靠性高，通过改变系统阻抗特性，有效地滤除了谐波，从而改变了系统的谐振点，满足了电力机车在各种线路下的各种运行方式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于，包括：高压有源滤波器（1）、高通滤波器（2）和车网谐振地面控制单元（3）；所述高压有源滤波器（1）通过升压变压器（6）连接在牵引供电母线上，高压有源滤波器（1）滤除12次以下谐波，同时进行无功动态补偿；所述高通滤波器（2）直挂在牵引供电母线上，高通滤波器（2）用于滤除13次以上高次谐波；所述车网谐振地面控制单元（3）分别与高压有源滤波器（1）和高通滤波器（2）相连，车网谐振地面控制单元（3）分别对高压有源滤波器（1）和高通滤波器（2）进行动态实时控制。

2.根据权利要求1所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述高压有源滤波器（1）进一步包括n重的预充电单元（4）和与之对应的n重逆变功率单元（5），n≥1；升压变压器（6）的二次侧采用多重化结构，所述预充电单元（4）连接在升压变压器（6）的二次侧，预充电单元（4）与逆变功率单元（5）相连。

3.根据权利要求2所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述高压有源滤波器（1）进一步包括两重以上的逆变功率单元（5），所述两重以上的逆变功率单元（5）之间相互串联，并连接在预充电单元（4）与升压变压器（6）之间。

4.根据权利要求2所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述预充电单元（4）由接触器一、接触器二和充电电阻组成，接触器一与充电电阻串联后再与接触器二并联，所述预充电单元（4）用于抑制逆变功率单元（5）直流侧电容充电过程中的过电流。

5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述逆变功率单元（5）进一步包括逆变单元（501），所述逆变单元（501）采用全控型整流桥；所述逆变单元（501）与预充电单元（4）相连；在逆变单元（501）的直流电容充电前接入预充电单元（4），通过预充电单元（4）将电流限制在一个可控的范围内。

6.根据权利要求5所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述逆变功率单元（5）还进一步包括旁路开关（502），所述旁路开关（502）连接在逆变单元（501）的两个串联级联点之间，并与逆变单元（501）并联，当一个或多个逆变功率单元（5）出现故障时，通过旁路开关（502）旁路故障的逆变单元（501）。

7.根据权利要求1-4、6中任一权利要求所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述高通滤波器（2）包括开关（11）、电容器（C）、电抗器（L）和电阻器（R）；所述电抗器（L）与电阻器（R）并联后与电容器（C）串联组成二阶无源滤波器，再与开关（11）串联。

8.根据权利要求7所述的一种车网谐振地面综合治理系统，其特征在于：所述车网谐振地面控制单元（3）包括车网谐振总控制器（300）、高通滤波器滤波控制器（301）和n组的高压有源滤波器从控制器；所述车网谐振总控制器（300）分别与高通滤波器滤波控制器（301）和高压有源滤波器从控制器相连，n组的高压有源滤波器从控制器之间通过光纤相互连接；车网谐振总控制器（300）采集牵引供电系统母线电压和电流信号，通过高压有源滤波器从控制器控制各重逆变功率单元（5），并实现与各重高压有源滤波器从控制器的通讯及动态实时控制；车网谐振总控制器（300）采集包括电压、电流、无功功率、有功功率、谐波在内的电能质量参数和故障保护信息，并实时上传至监控保护单元（9）和上位机（10）。

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