CN106208112A - 一种电力机车试验线平衡供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力机车试验线平衡供电系统，包括控制单元、机车牵引供电子系统和功率平衡子系统，机车牵引供电子系统用于将单相线电压转换为电力机车额定牵引供电电压；功率平衡子系统包括三相V/v接线变压器和功率平衡装置，三相V/v接线变压器的原边分别与电力机车试验线的三相供电网中三相相连，功率平衡装置包括两个变流器机组以及直流电容；单相升压变压器的原边回路中设置有第一电流检测件，控制单元用于根据单相升压变压器的原边回路的电流信号，控制两个变流器机组间的有功功率融通以及各自的无功功率输出，以实现电力机车试验线的三相电网功率平衡。本发明的供电系统具有保证供电三相平衡以及消除负序影响等优点。

Description

一种电力机车试验线平衡供电系统

技术领域

本发明主要涉及电力机车技术领域，特指一种电力机车试验线平衡供电系统。

背景技术

作为电力机车静调、动调考核试验的试验线路通常采用普遍存在的交流三相10kV电源供电，通过变压器输出单相25kV电压给电力机车供电，由于10kV系统容量相对较小，供给SS型、HXD型电力机车、CRH型高速动车组等大功率单相不平衡负载时，容易出现不平衡负荷或者单相过载引起的上级变压器跳闸故障，影响供电系统安全、可靠运行。为了保证电力机车出厂动调试验正常运行，往往只是采取同线负载临时限电，或增大上级线路及变压器容量的措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种保证三相供电平衡、消除负序对其它供电负载影响的电力机车试验线平衡供电系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种电力机车试验线平衡供电系统，包括控制单元、机车牵引供电子系统和功率平衡子系统，所述机车牵引供电子系统包括单相升压变压器，所述单相升压变压器与电力机车试验线相连、用于将单相线电压转换为电力机车额定牵引供电电压；所述功率平衡子系统包括三相V/v接线变压器和功率平衡装置，所述三相V/v接线变压器的原边分别与电力机车试验线的三相供电网中三相相连，所述功率平衡装置包括两个变流器机组以及直流电容，两个变流器机组形成背靠背结构且共用直流电容，两个变流器机组的输出端分别与三相V/v接线变压器中的两台单相降压变压器的次边相连；所述单相升压变压器的原边回路中设置有第一电流检测件，所述控制单元分别与第一电流检测件和功率平衡装置相连，用于检测单相升压变压器的原边回路的电流信号，控制两个变流器机组间的有功功率融通以及各自的无功功率输出，以实现电力机车试验线的三相电网功率平衡。

作为上述技术方案的进一步改进：

两个变流器机组的电源回路中分别串联有第二电流检测件和第三电流检测件，所述控制单元分别与第二电流检测件和第三电流检测件相连，用于根据对应检测的电流信号调整两个变流器机组之间的有功功率融通以及各自的无功功率输出以达到闭环控制。

所述牵引供电子系统和功率平衡子系统与三相供电网之间均串联有开关组件。

还包括保护单元，所述三相V/v接线变压器的原边三相中均串联有第四电流检测件，所述电力机车试验线的三相供电网的三相中均设置有电压检测件，所述保护单元用于在第一电流检测件或第二电流检测件或第三电流检测件或第四电流检测件或电压检测件检测到的信号大于对应预设值时封锁变流器机组的脉冲或者断开开关组件。

两个变流器机组均为由多个IGBT模块构成的H桥电路。

所述单相升压变压器和单相降压变压器的原边均设置有避雷器。

所述单相升压变压器以及三相V/v接线变压器均为高阻抗变压器。

所述单相升压变压器以及三相V/v接线变压器的次边均串联有电抗器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的电力机车试验线平衡供电系统，可满足机车动调试验需求，避免供电线路保护跳闸，同时实现试验线(10kV)进线侧三相供电平衡，显著减小线路电流幅值，消除负序对同线路其它供电负荷造成的不良影响，保证试验线路供电质量，充分发挥供电系统的能力；另外本平衡供电系统结构简单、操作简便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的平衡供电系统的一次主电路图。

图3为本发明的平衡供电系统的功率平衡原理图。

图4为本发明的电力机车牵引供电子系统电压电流矢量图。

图5为本发明的功率平衡子系统的电压电流矢量图。

图6为本发明的三相电网进线侧的电压电流矢量图之一。

图7为本发明的三相电网进线侧的电压电流矢量图之二。

图8为本发明的控制及保护逻辑原理图。

图9为本发明的平衡供电系统其它实施例的一次主电路图。

图10为本发明的平衡供电系统其它实施例的一次主电路图。

图11为本发明的变流器机组的电路原理图。

图中标号表示：1、控制单元；2、机车牵引供电子系统；3、功率平衡子系统；4、保护单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图11所示，本实施例的电力机车试验线平衡供电系统，包括控制单元1、机车牵引供电子系统2和功率平衡子系统3，机车牵引供电子系统2包括单相升压变压器，单相升压变压器T1分别与电力机车试验线和电力机车相连、用于将单相线电压转换为电力机车额定牵引供电电压；功率平衡子系统3包括三相V/v接线变压器T2和功率平衡装置，三相V/v接线变压器T2的原边分别与电力机车试验线的三相供电网中三相相连，功率平衡装置包括两个变流器机组以及直流电容，两个变流器机组形成背靠背结构且共用直流电容，两个变流器机组的输出端分别与三相V/v接线变压器中的两台单相降压变压器的次边相连；单相升压变压器的原边回路中设置有第一电流检测件，控制单元1分别与第一电流检测件和功率平衡装置相连，用于根据单相升压变压器的原边回路的电流信号，控制两个变流器机组间的有功功率融通以及各自的无功功率输出，以实现电力机车试验线的三相电网功率平衡。本发明的电力机车试验线平衡供电系统，可满足机车动调试验需求，避免供电线路保护跳闸，同时实现试验线(10kV)进线侧三相供电平衡，显著减小线路电流幅值，消除负序对同线路其它供电负荷造成的不良影响，保证试验线路供电质量，充分发挥供电系统的能力；另外本平衡供电系统结构简单、操作简便。

如图9所示，本实施例中，可采用单相三绕组变压器替换本发明的单相双绕组变压器，可采用单相双绕组变压器替换本发明的三相V/v接线变压器，相应的开关组件会有相应减少。

本实施例中，两个变流器机组的电源回路中分别串联有第二电流检测件(图2中的CT2)和第三电流检测件(图2中的CT3)，控制单元1分别与第二电流检测件和第三电流检测件相连，用于检测对应变流器机组的电流信号，实时调整两个变流器机组之间的有功功率融通以及各自的无功功率输出以达到闭环控制。

本实施例中，牵引供电子系统和功率平衡子系统3与三相供电网之间均串联有开关组件，如图2中的隔离开关(QS1和QS2)和断路器(QF1和QF2)。

本实施例中，还包括保护单元4，三相V/v接线变压器的原边三相中均串联有第四电流检测件(图2中的TA2、TA3和TA4)，电力机车试验线的三相供电网的三相中均设置有电压检测件(图2中的PT)，保护单元4用于在第一电流检测件或第二电流检测件或第三电流检测件或第四电流检测件或电压检测件检测到的信号大于对应预设值时封锁两个变流器机组的脉冲或断开开关组件。

如图11所示，本实施例中，两个变流器机组均为由四个IGBT模块构成的H桥电路，在其它实施例中，也可以由多于四个的IGBT模块构成；单相升压变压器和单相降压变压器的原边均设置有避雷器，抑制供电线路雷电、操作以及运行过电压。

本实施例中，单相升压变压器以及三相V/v接线变压器均采用高阻抗变压器，高阻抗变压器内部集成有电抗器；其中高阻抗变压器是指短路电压百分数超过同一电压等级、同一容量的国家标准的百分值的变压器；在其它实施例中，如图10所示，单相升压变压器以及三相V/v接线变压器也可以为普通变压器，在其次边的外部串联电抗器。

下面对本发明的电力机车试验线平衡供电系统的控制方法做进一步分析说明：

设定三相进线电压为额定电压，变压器损耗较小，忽略不计，以交流传动机车负荷(功率因数为1)为例进行分析，机车有功功率等于P1，无功功率Q1等于0。为方便分析，以下的电压电流全部为10kV侧等效电流。

机车牵引供电子系统2运行时，子系统的电压电流矢量图如图4所示。

如图3所示，控制系统检测到机车牵引子系统的电流，控制系统使得变流器机组2#向变流器机组1#进行有功融通，融通功率大小为机车供电系统有功功率的二分之一(10kV侧等效为融通电流为二分之一I1)，方向为由变流器机组2#向变流器机组1#；同时变流器机组1#输出容性无功功率Q2，同时变流器机组2#输出感性无功功率Q3。

$P_2=\frac{1}{2}*P_1$

即以各自线电压为参考，如图5所示：

变流器机组1#的视在功率为：

$S_1=-P_2-{\mathrm{jQ}}_2=-\frac{1}{2}*P_1-j*0.289*P_1$

变流器机组2#的视在功率为：

$S_2=P_2+{\mathrm{jQ}}_3=\frac{1}{2}*P_1+j*0.289*P_1$

如图6所示，平衡供电系统10kV进线侧总电流：

${\stackrel{\·}{I}}_A={\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2$

${\stackrel{\·}{I}}_B={\stackrel{\·}{I}}_4$

又因则可知，10kV进线侧三相母线电流均与相电压同相位，电流幅值相等，三相功率实现平衡，如图7所示。

功率平衡前后，相电流幅值变化为：

$\mathrm{\η}==\frac{I_1}{I_1}=\frac{1}{2}*\frac{2}{\sqrt{3}}=\frac{\sqrt{3}}{3}=0.577$

则平衡供电系统能够显著减小10kV进线侧的电流幅值，减小幅值达42.3％。

如果负载为交直型电力机车，只需将变流器机组1#的容性无功输出值增加为机车无功负载Q1与Q2之和即可。以各自线电压为参考：

变流器机组1#的视在功率为：

$S_1=-P_2-j(Q_2+Q_1)=-\frac{1}{2}*P_1-j*(0.289*P_1+Q_1)$

变流器机组2#的视在功率为：

$S_2=P_2+{\mathrm{jQ}}_3=\frac{1}{2}*P_1+j*0.289*P_1$

而且由于平衡供电子系统同时补偿了牵引供电子系统的无功电流，则电流10kV进线侧的电流幅值减小比例超过42.3％。

如图8所示，本实施例中，控制装置接收保护装置以及两个变流器机组发送的故障信号，当检测到故障时，停止发送变流器机组1#和变流器机组2#的控制命令。保护装置实时检测10kV母线的电压(来自PT)和系统各支路10kV侧的电流(来自TA1、TA2、TA3、TA4的保护绕组)，以及变流器机组1#的电流(来自CT1的保护绕组)和变流器机组2#的电流(来自CT2的保护绕组)，并与保护定值进行比较。若采集的电流值超过设定值，动作于牵引供电子系统支路断路器(QF1)和功率平衡子系统3支路断路器(QF2)，同时将故障信号发送至控制系统，停止变流器机组1#和变流器机组2#的输出。同时，保护装置还采集了隔离开关的位置信号，作为合闸允许条件，防止系统检修时误合断路器。

本实施例中，变流器机组所使用的降压变压器为高阻抗变压器(等效为次边输出绕组线路串联一个高阻值的电抗器)，可以节省系统总投资以及节省占地。

本实施例中，牵引供电子系统一次主电路接入断路器QF1双极分别接入A、C相，平衡供电子系统一次主电路接线断路器QF2三极分别接入A、C、B相；在其它实施例中，断路器QF1双极分别接入A、B相，平衡供电子系统一次主电路接线断路器QF2三极分别接入A、B、C相；或者断路器QF1双极分别接入B、C相，平衡供电子系统一次主电路接入断路器QF2三极分别接入A、B、C相。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，包括控制单元(1)、机车牵引供电子系统(2)和功率平衡子系统(3)，所述机车牵引供电子系统(2)包括单相升压变压器，所述单相升压变压器与电力机车试验线相连、用于将单相线电压转换为电力机车额定牵引供电电压；所述功率平衡子系统(3)包括三相V/v接线变压器和功率平衡装置，所述三相V/v接线变压器的原边分别与电力机车试验线的三相供电网中三相相连，所述功率平衡装置包括两个变流器机组以及直流电容，两个变流器机组形成背靠背结构且共用直流电容，两个变流器机组的输出端分别与三相V/v接线变压器中的两台单相降压变压器的次边相连；所述单相升压变压器的原边回路中设置有第一电流检测件，所述控制单元(1)分别与第一电流检测件和功率平衡装置相连，用于检测单相升压变压器的原边回路的电流信号，控制两个变流器机组间的有功功率融通以及各自的无功功率输出，以实现电力机车试验线的三相电网功率平衡。

2.根据权利要求1所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，两个变流器机组的电源回路中分别串联有第二电流检测件和第三电流检测件，所述控制单元(1)分别与第二电流检测件和第三电流检测件相连，用于根据对应检测的电流信号调整两个变流器机组之间的有功功率融通以及各自的无功功率输出以达到闭环控制。

3.根据权利要求2所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，所述牵引供电子系统(2)和功率平衡子系统(3)与三相供电网之间均串联有开关组件。

4.根据权利要求3所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，还包括保护单元(4)，所述三相V/v接线变压器的原边三相中均串联有第四电流检测件，所述电力机车试验线的三相供电网的三相中均设置有电压检测件，所述保护单元(4)用于在第一电流检测件或第二电流检测件或第三电流检测件或第四电流检测件或电压检测件检测到的信号大于对应预设值时封锁变流器机组的脉冲或者断开开关组件。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，两个变流器机组均为由多个IGBT模块构成的H桥电路。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，所述单相升压变压器和单相降压变压器的原边均设置有避雷器。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，所述单相升压变压器以及三相V/v接线变压器均为高阻抗变压器。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的电力机车试验线平衡供电系统，其特征在于，所述单相升压变压器以及三相V/v接线变压器的次边均串联有电抗器。