CN105539208A - 一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，控制级联多电平地面过电分相系统的变流器部分，通过控制变流器输出电压的幅值和相位，在列车受电弓同时接触牵引供电网供电臂与中性段时，实现列车所需牵引功率在牵引网供电臂和中性段之间可控切换，从而实现受电弓与接触网供电臂或中性段分离或闭合时，无冲击电流，避免暂态过程对车网的不良影响。本发明实现了电力机车(或动车组)通过级联多电平过电分相系统时，列车功率切换的无冲击，进而避免了拉弧、截流过电压等问题的产生，实现列车柔性通过电分相。

Description

一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法

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，到达第二位置传感器CG2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。

鉴于现有装置的问题，已有发明专利CN201010597237.4，公开了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；本发明人已经申请了发明专利CN201410036222.9，公开了采用级联多电平变流器的地面过电分相装置的结构；申请了发明专利CN201410036720.3、CN201510133802.4等用于解决列车运行于新型地面过电分相系统下的中性段时，实现两相邻桥臂供电电压的相位幅值调整。但还没有涉及列车所需功率如何在牵引网供电臂与中性段之间的可控切换。

发明内容

鉴于现有技术的如上不足，本发明的目的是提供一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，使相关系统在电力机车带载通过电分相时，能够实现电力机车所需功率在牵引供电臂和中性段之间的可控切换，从而实现受电弓与目标导线的无流分断或无流闭合。

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系统功率控制方法，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车通过电分相时，实现电力机车受电弓与相应的接触网导线或中性段无流分断或无流闭合，其特征在于，采用级联多电平的地面过电分相系统，系统中设置有用于确定机车位置的第一位置传感器CG1、第二位置传感器CG2、第三位置传感器CG3、第四位置传感器CG4、在接触网供电臂A和B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PT_A和PT_B，电力机车具有功率实时发射装置，地面过电分相系统亦具有相应的功率实时接收装置；根据地面的列车位置信号传感器传递的信号实现控制功率调整，包括如下具体过程：

电力机车正向行驶至由第一位置传感器CG1位置时，第一位置传感器CG1信号启动进行功率的一次调整：此时，列车实时功率发射装置发送有功功率P*、无功功率Q*信号，地面过电分相系统功率实时接收装置接受后采用直接功率控制方法控制地面过电分相系统中变流器输出电压幅值和相位，使电力机车所需功率由接触网供电臂A转移至中性段；列车继续运行至第三位置传感器CG3时，进行功率二次调整，使电力机车所需功率由中性段转移至接触网供电臂B；反向行驶时，其执行步骤与上对称变换，由第四位置传感器CG4、第二位置传感器CG2执行上述对应的功能。

显然，本发明的过程叙述虽然是对级联多电平地面过电分相系统展开的，那是为了叙述的方便，将之可替换为不断电过电分相系统应无实质上的困难。

所述的基于级联多电平的地面过电分相系统功率控制方法，是通过对所述系统中的变流器采用直接功率控制实现的，通过直接控制级联多电平变流器输出的有功功率、无功功率，从而实现列车功率在牵引供电臂和中性段之间的可控流动；系统采用的直接功率控制可以采用传统的开关表直接功率控制、功率前馈直接功率控制、预测直接功率控制等等。

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，列车实时功率测量装置及发送装置发送有功功率P*、无功功率Q*，以及采用直接功率控制的变流器，就能实现以下功能(以列车从接触网供电臂A向接触网供电臂B运行为例)：

1)电力机车(或电动车组)未进入分相区时，变流器处于预并网状态，功率参考均为零，中性段电压与电分相入口区供电臂A的电压一致，因此当受电弓同时与供电臂A与中性段接触时，供电臂A与中性段不会产生环流；

2)当电力机车进入分相区，受电弓同时与接触网供电臂A及中性段接触，并且到达CG1时，控制变流器的参考有功功率、无功功率逐渐升高至并达到列车的实际功率需求，这样，当功率切换完毕时，列车所需功率将完全由中性段提供，列车继续前进，受电弓与接触网供电臂A脱离时，不存在暂态过程；

3)列车运行于中性段时，按照已申请的发明专利的方法CN201410036720.3、CN201510133802.4，实现中性段网压与牵引供电臂B电压幅值相位一致，当列车受电弓同时中性段及接触网供电臂B接触时，控制变流器的参考给定有功功率、无功功率，使其从P*、Q*按照一定的速率下降至零，这样当功率切换完成后，列车所需功率完全由牵引供电臂B提供，因此当列车继续运行受电弓与中性段脱离时，也不存在暂态冲击。

本发明公开的方法，通过对相应系统中的变流器采用直接功率控制，可以实现电力机车所需功率在牵引供电臂与中性段的可控切换，从而实现列车带载无冲击的通过电分相，彻底避免传统过电分相方式存在的暂态过程，提高了装置的适应性。

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是级联多电平地面过电分相系统结构图

图4是本发明的功率控制示意图，(a)为有功功率的调整示意图，(b)为无功功率的调整示意图，以列车带载从牵引供电臂A向牵引供电臂B运行、列车功率从牵引供电臂A切换至中性段的过程为例。

图5是本发明采用的一种功率前馈的控制图，主要包括负载实时功率计算、锁相环、前馈功率控制、调制等环节构成。

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。

在设置有用于确定机车位置的机车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4和分别连接在对接触网供电臂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PT_A和PT_B和电力机车功率实时接收装置及级联多电平的地面过电分相装置构成的系统中，如图3实施例所示，本发明公开的功率控制示意图如图4所示，其具体实施方式如下：

1、列车从CG1向CG4运行时，

1)列车在未到达CG1时，给定对应系统中变流器的参考有功功率、参考无功功率给定均为零，中性段电压与供电臂A的输出电压一致，当受电弓同时与中性段和牵引供电臂A并联时，实现中性段和牵引供电臂的无冲击并联；

2)电力机车(或电动车组)在达到CG1时，电力机车受电弓同时接触牵引供电臂A与中性段导线，地面过电分相系统接收电力机车的实时功率并设定为对应系统中变流器的参考有功功率和参考无功功率，其功率给定均按照给定的斜率上升，从而使中性段电压的幅值和相位发生变化，使得电力机车所需功率从牵引供电臂A转移至中性段；当列车受电弓与牵引供电臂A的导线脱离时，实现无流分离。

3)电力机车运行于中性段时，按照已申请的发明专利的方法CN201410036720.3、CN201510133802.4进行相邻两桥臂电压相位幅值的调整，调整完成后，中性段的电压与牵引供电臂B的电压完全一致，这样当列车受电弓同时与牵引供电臂B和中性段接触时，中性段与供电臂B之间不存在环流；

4)电力机车(或电动车组)继续运行在到达CG3后，电力机车受电弓同时接触牵引供电臂B和中性段，设定对应系统中变流器的参考有功功率和参考无功功率为零，其功率给定均按照给定的斜率下降，从而使中性段电压的幅值和相位发生变化，使得电力机车所需功率从中性段转移至牵引供电臂B，列车受电弓脱离中性段时实现无流分断。

2、列车从CG4向CG1运行时，

1)列车在未到达CG4时，给定对应系统中变流器的参考有功功率、参考无功功率给定均为零，中性段电压与供电臂B的输出电压一致，当受电弓同时与中性段和牵引供电臂B并联时，实现中性段和牵引供电臂的无冲击并联；

2)电力机车(或电动车组)在达到CG4时，电力机车受电弓同时接触牵引供电臂B与中性段导线，地面过电分相系统接收电力机车的实时功率并设定为对应系统中变流器的参考有功功率和参考无功功率，其功率给定均按照给定的斜率上升，从而使中性段电压的幅值和相位发生变化，使得电力机车所需功率从牵引供电臂B转移至中性段；当列车受电弓与牵引供电臂A的导线脱离时，实现无流分离。

3)电力机车运行于中性段时，按照已申请的发明专利的方法CN201410036720.3、CN201510133802.4进行相邻两桥臂电压相位幅值的调整，调整完成后，中性段的电压与牵引供电臂A的电压完全一致，这样当列车受电弓同时与牵引供电臂A和中性段接触时，中性段与供电臂A之间不存在环流；

4)电力机车(或电动车组)继续运行在到达CG2后，电力机车受电弓同时接触牵引供电臂A和中性段，设定对应系统中变流器的参考有功功率和参考无功功率为零，其功率给定均按照给定的斜率下降，从而使中性段电压的幅值和相位发生变化，使得电力机车所需功率从中性段转移至牵引供电臂A，列车受电弓脱离中性段时实现无流分断。

这样，通过对应系统中变流器采用直接功率控制，就能实现列车带载通过电分相时的功率可控切换，从而避免相应的暂态过程。

确定基于级联多电平变流器的地面过电分相系统中变流器的功率切换速率首先需要确定以下参数：

1)确定分相区中性段与供电臂并联部分的长度L，单位m；

2)确定通过电分相列车的速度v，单位m/s；

3)确定列车所需的最大功率P_max。

上述参数确定后，即可确定受电弓同时与接触网及中性段接触的时间t，

t＝L/v(1)

取功率切换时间为kt，则功率切换的速率S_P为

S_p＝P_max/kt(2)

式中，k为功率切换时间系数，k∈(0,1)。

本发明通过设计一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，通过对对应变流器输出电压幅值和相位控制，在电力机车(或动车组)运行接触网供电臂与中性段、受电弓与二者同时接触时，实现电力机车所需功率在中性段与牵引供电臂之间的可控切换，达到受电弓与目标导线的无电分离以及无冲击闭合，实现了电力机车(动车组)带载无冲击通过电分相，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。

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 (4)

1.一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车通过电分相时，实现电力机车受电弓与相应的接触网导线或中性段无流分断或无流闭合，其特征在于，采用级联多电平的地面过电分相系统，系统中设置有用于确定机车位置的第一位置传感器CG1、第二位置传感器CG2、第三位置传感器CG3、第四位置传感器CG4、在接触网供电臂A和B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PT_A和PT_B，电力机车具有功率实时发射装置，地面过电分相系统亦具有相应的功率实时接收装置；根据地面的列车位置信号传感器传递的信号实现控制功率调整，包括如下具体过程：

电力机车正向行驶至第一位置传感器CG1位置时，第一位置传感器CG1信号启动进行功率的一次调整：此时，列车实时功率发射装置发送有功功率P*、无功功率Q*信号，地面过电分相系统功率实时接收装置接收后采用直接功率控制方法控制地面过电分相系统中变流器输出电压幅值和相位，使电力机车所需功率由接触网供电臂A转移至中性段；列车继续运行至第三位置传感器CG3时，进行功率二次调整，使电力机车所需功率由中性段转移至接触网供电臂B；反向行驶时，其执行步骤与上对称变换，由第四位置传感器CG4、第二位置传感器CG2执行上述对应的功能。

2.根据权利要求1所述之基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，其特征在于，所述基于级联多电平地面过电分相系统可替换为不断电过电分相系统。

3.根据权利要求1所述之基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，其特征在于，所述直接功率控制方法可采用开关表直接功率控制、功率前馈直接功率控制、预测直接功率控制。

4.根据权利要求1所述之基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，其特征在于，牵引供电臂和中性段之间的功率切换速度是由列车的运行速度、供电臂与中性段并联长度共同决定的。