CN103863141B - 一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法，该方法控制级联多电平地面过电分相装置的逆变器部分，通过调整逆变器的幅值和频率实现列车在中性段时，中性段电压在相邻两桥臂电压间的无冲击切换。本发明实现了电力机车（或动车组）柔性通过电分相，对接触网和电力机车（或动车组）均无任何冲击，并且能够降低对开关器件的要求。列车可以实现不间断供电通过电分相。本控制方法更要的意义在于，基于其硬件可以在存在电分相的接触网上，实现贯通式供电。

Description

一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法

技术领域

本发明涉及交直交电力机车（动车组）、交直电力机车地面过电分相装置制造领域。

背景技术

电力机车（动车组）过电分相的方法有多种，早期列车速度较慢，通常采用手动过电分相，在分相区设有分相标志指挥司机过电分相操作。到中性段前，司机先将牵引级位降到0，断开辅助系统，再将牵引变压器原边主断路器断开，使机车不带电通过中性段。机车进入下一相供电臂的供电区后，司机合上主断路、并启动辅助系统、逐步恢复牵引级位。手动过电分相司机劳动强度大，在过分相时必须由司机断电，如果没断电过电分相，会在进入中性段时牵引网与受电弓产生过电压拉弧，烧坏牵引网和受电弓，甚至两相短路等严重事故，随着列车运行速度的不断提高这一问题将更为突出。

目前，电力机车（动车组）通常采用自动过电分相方法，主要有二种方法：地面自动过分相和车上自动过分相。采用地面过电分相时，电力机车（动车组）不需要任何动作，主电路断电时间很短，适合坡度较大的和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。

附图1为传统地面自动过分相装置的工作原理图，其工作过程如下：当电力机车（动车组）运行到CG1时（列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作），开关K1闭合，中性段接触网由A相供电，待机车进入中性段，到达CG3时，K1断开，K2迅速合上，完成中性段供电的换相变换。由于此时中性段已由B相供电，电力机车（动车组）可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的情况下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2断开，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。地面过电分相时，电力机车（动车组）在中性段进行电压转换，是带载断开分相开关，会生产截流过电压，对开关要求较高；同时是满载闭合另一个分相开关，机车上有牵引变压器，因为两相相位不一样，变压器的稳态磁通有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。

针对传统地面过电分相装置的缺点，有研究人员提出了改进措施，改进后的地面过电分相装置如附图2所示，其工作原理如下：当电力机车（动车组）运行到CG1时（列车运行方向如图所示；CG1～CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作），控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2导通。A相电压通过降压变压器TX1，晶闸管SCR1、SCR2，升压变压器TX3到达中性段。晶闸管SCR1、SCR2的触发采用电压过零触发。当机车行驶到CG3时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2关断，同时控制器发出控制信号使SCR3、SCR4导通。这样中性段就由A相供电转变为B相供电。B相电压通过降压变压器TX2，晶闸管SCR3、SCR4，升压变压器TX3到达中性段。当机车行驶到CG4处时，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2、SCR3、SCR4关断。系统恢复到原始状态。可见，改进后的方案仍然不能完全解决传统地面过电分相装置的缺点，由于需要采用升降压变压器，增加了系统的复杂程度和成本。

综上所述，现有技术的地面过电分相装置存在的以下问题：1）由于在整个过程中是满载分断开关，对开关要求较高；2）中性段电压转换时，是带载断开分相开关，会生产截流过电压；3）在中性段进行电压切换时，切换前后电压相位不一致，机车上牵引变压器的稳态磁通就会有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法，使地面过电分相装置能够实现电力机车柔性通过电分相。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车柔性通过电分相，避免过电分相对接触网及电力机车的冲击，其特征在于，采用级联多电平的地面过电分相装置，在设置有用于对机车位置的确定的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4和分别连接在对接触网A和B相与过电分相装置之间用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块M1和M2和级联多电平的地面过电分相装置构成的系统中，由地面的列车位置信号传感器控制相位调整转换的，其正向行驶由CG2信号启动，此时控制级联多电平地面过电分相装置的逆变器输出电压相位由A相调整到B相；反向行驶时，其执行步骤与上对称变换，由CG3完成CG2的测位。

所述相位调整是通过调整级联多电平逆变器的输出频率实现的：当列车正向行驶时，逆变器需要在中性段将输出电压由A相超前B相120°调整到与B相一致，可以适当提高或降低逆变器的输出频率，待相位调整过来后，再将逆变器的输出电压调整为与B相电压的幅值、频率和相位一致；当列车由B相桥臂向A相桥臂运动时，逆变器需要在中性段将输出电压由B相滞后A相240°调整到与B相一致，可以适当增加或降低逆变器的输出频率，待相位调整过来后，再将逆变器的输出电压调整为与A相电压的幅值、频率和相位一致；在调整过程中，是降低还是提高逆变器的频率，是由实际调相时的调整时间及所需调整周期数决定的。

这样，根据设于轨道上的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4对机车位置的确定，由单相降压变压器、不控整流器装置和级联多电平逆变器的地面过电分相装置，当电力机车（或电动车组）在接触网中性段运行时，将级联多电平逆变器的输出频率降低或增加，实现逆变器输出电压的频率、相位和幅值在A相和B相之间的转换，从而实现列车柔性的通过电分相，避免对牵引网和电力机车的冲击；当列车正向行驶时，逆变器需要在中性段将输出电压由A相超前B相120°调整到与B相一致，可以适当提高或降低逆变器的输出频率，待相位调整过来后，再将逆变器的输出电压调整为与B相电压的幅值、频率和相位一致；反向行驶时，其执行步骤与上对称变换，由CG3完成CG2的测位。

采用本发明的控制方法，利用级联多电平地面过电分相装置可以实现了电力机车（动车组）柔性通过电分相，从而从根本上避免产生截流过电压以及合闸浪涌过电流，并且能够降低对开关器件的要求。列车可以实现不间断供电的通过电分相，不存在速度损失。本控制方法更要的意义在于，基于其硬件可以在存在电分相的接触网上，实现贯通式供电。

附图说明

图1是传统地面过电分相装置的工作原理图

图2是一种改进的地面过电分相装置工作原理图

图3是本发明设计的级联多电平地面过电分相装置的系统结构图

图4是相邻两桥臂电压相位相差120°的供电电压波形

图5为本发明的控制流程图（CG1向CG4运动）

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据设于轨道上的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4对机车位置的确定以及用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块M1和M2对接触网A和B相电压相位的确定，由级联多电平地面过电分相装置的控制器控制输出电压，实现电力机车柔性通过电分相；如图3所示，本控制方法具体实施方式如下：

1、列车从CG1向CG4运行时，

1）电力机车（或电动车组）在达到CG1时，控制级联多电平逆变器的输出，使其输出电压的幅值、频率和相位与A相桥臂一致；

2）电力机车（或电动车组）在到达CG2后，控制逆变器的输出电压频率，开始调整其输出电压相位。

设地面过电分相装置在θ（θ∈(0，2π]）时完成相位调整，则有：

{2π/3+[θ+2(z-1)π]}/f_net=[θ+2(i-1)π]/f_conv

可得：

f_conv=[θ+2(i-1)π]f_net/{2π/3+[θ+2(z-1)π]}（1）

式中：f_net—为牵引接触网供电频率，我国取50Hz；

f_conv—为级联多电平逆变器的输出电压频率；

i、z—为自然数。

理论上θ可以取(0，2π]间任意值，不过考虑到工程上的易于实现，θ取π或2π时比较合适。θ取π时，式（1）可变为：

f_conv=(2i-1)f_net/(2z-1/3)（θ=π）（2）

θ取2π时，式（1）可变为：

f_conv=if_net/(z+1/3)（θ=2π）（3）

3）经过所设周波数后，在逆变器输出电压过零点时，将逆变器输出电压的频率重新设定为50Hz，并将其幅值设定至与B相电压一致，保持逆变器输出电压与B相电压锁相。

4）电力机车（或电动车组）到达CG4时，封锁逆变器。地面过电分相装置进入待机状态。

2、列车从CG4向CG1运行时，

1）电力机车（或电动车组）在达到CG4时，控制级联多电平逆变器的输出，使其输出电压的幅值、频率和相位与B相桥臂一致；

2）电力机车（或电动车组）在到达CG3后，在逆变器的电压过零点时，控制逆变器的输出电压频率，开始调整其输出电压相位。

类似的，可得如下公式：

f_conv=[θ+2(i-1)π]f_net/{4π/3+[θ+2(z-1)π]}（4）

θ取π时，式（4）可变为：

f_conv=(2i-1)f_net/(2z+1/3)（θ=π）（5）

θ取2π时，式（4）可变为：

f_conv=if_net/(z+2/3)（θ=2π）（6）

3）经过所设周波数后，在逆变器输出电压过零点时，将逆变器输出电压的频率重新设定为50Hz，并将其幅值设定至与A相电压一致，保持逆变器输出电压与A相电压锁相。

4）电力机车（或电动车组）到达CG1时，封锁逆变器。地面过电分相装置进入待机状态。

附图4为相邻两桥臂电压相位相差120°的供电电压波形。

附图5为本发明的控制流程图（CG1向CG4运动）。

本发明通过设计一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法，通过对逆变器输出频率的控制，在电力机车（或动车组）运行在电分相的中性段时，实现级联多电平逆变器输出电压相位的调整，使中性段的电压由与A相幅值、频率和相位相同转变为与B相幅值、频率和相位相同（反向时，实行对应的变换），实现了电力机车（动车组）柔性通过电分相，对接触网和电力机车（或动车组）均无任何冲击，并且能够降低对开关器件的要求。本控制方法更要的意义在于，基于其硬件可以在存在电分相的接触网上，实现贯通式供电。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于级联多电平地面过电分相装置的控制方法，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车柔性通过电分相，避免过电分相对接触网及电力机车的冲击，其特征在于，采用级联多电平地面过电分相装置，在设置有用于对机车位置确定的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4和分别连接在接触网A和B相与过电分相装置之间用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块M1和M2和级联多电平地面过电分相装置构成的系统中，由地面的列车位置信号传感器控制相位调整转换，其正向行驶由CG2信号启动，此时控制级联多电平地面过电分相装置的逆变器输出电压相位由A相调整到B相；反向行驶时，其执行步骤与上述正向行驶过程对称变换，由CG3完成CG2的测位；所述相位调整是通过调整级联多电平逆变器的输出频率实现的：当列车正向行驶时，逆变器需要在中性段将输出电压由A相超前B相120°调整到与B相一致，适当提高或降低逆变器的输出频率，待相位调整过来后，再将逆变器的输出电压调整为与B相电压的幅值、频率和相位一致；当列车由B相桥臂向A相桥臂运动时，逆变器需要在中性段将输出电压由B相滞后A相240°调整到与B相一致，适当增加或降低逆变器的输出频率，待相位调整过来后，再将逆变器的输出电压调整为与A相电压的幅值、频率和相位一致；在调整过程中，是降低还是提高逆变器的频率，是由实际调相时的调整时间及所需调整周期数决定的。