CN106218449B - 一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，包括列车位置识别子系统，电能特征监测子系统和功率调节子系统；列车位置识别子系统用于识别列车在铁路线路上所处的位置，并将位置提供给功率调节子系统；电能特征监测子系统用于监测铁路供电网各供电区段的电能特征，并将电能特征提供给功率调节子系统；功率调节子系统包括功率调节单元，功率调节单元包括第一功率调整臂和第二功率调整臂，第一功率调整臂与供电网的第一供电区连接，第二功率调整臂与第一供电区的相邻的中性区连接。本发明具有可实现电力机车不减载、带电、安全，平稳的通过分相区，机车保护参数无需修改，适应能力强等优点。

Description

一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统

技术领域

本发明涉及一种电气化铁路供电技术领域，尤其涉及一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统。

背景技术

由于电气化铁路单相供电的特殊性，造成两供电臂之间必然存在一段中性区用于供电臂之间的电气隔离。目前，我国主要采用车载自动过分相方式断电通过该无电区，因此势必造成列车的牵引力丧失及速度损失，特别在一些高坡度区段，影响尤为严重。同时我国高速铁路相对于其他国家来说，具有规模大，距离长的特点。长行程高速列车的过分相点多，现有的车载过分相方案，列车动力丢失明显，不能最大限度地压缩运行时间，且高速列车的维护工作量大、维护停运时间长。因此需要有新的带电自动过分相方案，满足高速列车动力丢失少、压缩运行时间及降低高速列车的维护工作量、减少维护停运时间的需求。

现有带电过分相方式主要有柱上式自动过分相和地面自动过分相装置两种方式。其中，地面自动过分相通过安装在地面的装备给中性段供电，列车运行在分相区时也可以获得电能，因此不需断开主断路器、牵引力损失小。根据地面开关器件的不同，可以分为以下几种方式：

1、智能选相真空断路器式。该方式采用智能选相真空断路器进行过分相时的电源切换。主要优点：成本较低，可选相控制电源切换过程中的断路器开通时间，一定程度上抑制了合闸过电压及涌流。主要缺点：使用寿命低；仍不能精确的控制分、合闸的相位；需要进行机车保护参数的调整，机车适应性差。

2、降压渐进移相式。该方式成套装置从接触网供电臂上取电，并独立向接触网分相区供电，当电力机车负载到达分相区时，通过装置实现移相、电压调整、稳压和限流等功能，使得机车不断电自动过分相。主要优点：采用电力电子控制技术，区间切换过程平滑，机车适应能力强。主要缺点：需要多台变压器及大功率变流器，受器件容量限制，难以实现全容量，机车仍需降速退级，匹配麻烦；损耗大，效率低。

3、高压晶闸管阀式。该方式地面自动过分相装置采用高压直挂晶闸管阀组进行过分相时的电源切换，机车通过分相区时无需断电、减载。主要优点：采用电力电子器件代替机械开关,可以精确控制合闸相位,抑制合闸过压和涌流，可以实现过零关断，减少过电压；使用寿命长，维护成本低。主要缺点：仍需改变机车保护参数，机车适应性有限。

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，本发明提供一种可实现电力机车安全、平稳、不减载带电通过电分相区间，机车适应性好，并且可对供电网进行电能质量治理及功率融通的电气化铁路地面柔性自动过分相系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：包括列车位置识别子系统，电能特征监测子系统和功率调节子系统；所述列车位置识别子系统用于识别列车在铁路线路上所处的位置，并将所述位置提供给所述功率调节子系统；所述电能特征监测子系统用于监测铁路供电网各供电区段的电能特征，并将所述电能特征提供给所述功率调节子系统；所述功率调节子系统包括功率调节单元，所述功率调节单元包括第一功率调整臂和第二功率调整臂，所述第一功率调整臂与供电网的第一供电区连接，所述第二功率调整臂与所述第一供电区的相邻的中性区连接；所述功率调节子系统用于在列车即将进入中性区前为中性区供电，并使得中性区的电能特征与列车所在的第一供电区的电能特征相同，并且在列车在中性区运行过程中，将中性区的电能特征调整为与列车即将进入的下一个供电区的电能特征相同。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节单元包括依次连接的第一功率单元、变压器和第二功率单元，所述第一功率单元和所述第二功率单元结构相同，均包括第一H桥模块、第二H桥模块和电容，所述第一H桥模块的直流侧与所述第二H桥模块的直流侧连接，所述电容连接在所述第一H桥模块直流侧的正负极之间，所述第二H桥模块交流侧与所述变压器连接，所述第一功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为所述第一功率调整臂，所述第二功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为所述第二功率调整臂。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节子系统还包括第一电抗器和第二电抗器；所述第一电抗器串联在所述第一功率调整臂上，所述第二电抗器串联在所述第二功率调整臂上。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节子系统还包括第一预充电单元和第二预充电单元；所述第一预充电单元和第二预充电单元结构相同，均包括一个电阻和一个旁路断路器，所述电阻和旁路断路器并联；所述第一预充电单元串联在所述第一功率调整臂上，所述第二预充电单元串联在所述第二功率调整臂上。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节子系统还包括第一避雷器和第二避雷器；所述第一避雷器串联在所述第一功率调整臂上，所述第二避雷器串联在所述第二功率调整臂上。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节子系统还包括第一隔离开关和第二隔离开关；所述第一隔离开关串联在所述第一功率调整臂上，所述第二隔离开关串联在所述第二功率调整臂上。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节子系统包括多个功率调节单元，所述多个功率调节单元并联。

作为本发明的进一步改进，所述列车位置识别子系统包括多个列车位置传感器，所述列车位置传感器安装在铁轨的两侧。

作为本发明的进一步改进，所述电能特征监测子系统包括多个电压互感器，所述电压互感器用于获取铁路供电网各区段的电能特征，所述电能特征包括电压。

作为本发明的进一步改进，所述功率调节子系统还包括第一隔断路器、第二断路器和第三断路器；所述第一功率调整臂通过第一断路器与所述第一供电区连接，所述第二功率调整臂通过第二断路器与所述中性区连接；所述第二功率调整臂还通过第三断路器与所述供电网的下一个供电区连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明可实现电力机车不减载、带电、安全，平稳的通过分相区，机车保护参数无需修改，适应能力强。

2、本发明采用高压大功率H桥功率模块级联后直接接入供电臂，相对与降压式装置具有输出容量大，补偿效果好的特点。

3、本发明在列车未接近中性区时，还可通过开关切换实现对两供电臂的电能质量治理及有功功率融通。

附图说明

图1为本发明具体实施例结构示意框图。

图2为本发明具体实施例一电路结构示意图。

图3为本发明具体实施例功率单元电路示意图。

图4为本发明具体实施例二电路结构示意图。

图5为本发明具体实施例二安装在牵引变电所时的电路原理示意图。

图6为本发明具体实施例二安装在分区所时的主电路原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例一：

本实施例电气化铁路地面柔性自动过分相系统，包括列车位置识别子系统，电能特征监测子系统和功率调节子系统；列车位置识别子系统用于识别列车在铁路线路上所处的位置，并将位置提供给功率调节子系统；电能特征监测子系统用于监测铁路供电网各供电区段的电能特征，并将电能特征提供给功率调节子系统；功率调节子系统包括功率调节单元，功率调节单元包括第一功率调整臂和第二功率调整臂，第一功率调整臂与供电网的第一供电区连接，第二功率调整臂与第一供电区的相邻的中性区连接；功率调节子系统用于在列车即将进入中性区前为中性区供电，并使得中性区的电能特征与列车所在的第一供电区的电能特征相同，并且在列车在中性区运行过程中，将中性区的电能特征调整为与列车即将进入的下一个供电区的电能特征相同。

如图1所示，本实施例列车位置识别子系统通过列车位置传感器CG1、CG2、CG3、CG4采集列车位置，并将列车位置发送到功率调节子系统；电能特征监测子系统通过电流互感器TA01、TA02等，以及电压互感器YH1、YH2等采集包括电流、电压在内的电能特征，并将电能特征发送至功率调节子系统。功率调节子系统对包含QF11、QF12等断路器在内的开断，并控制U1n和U2n功率单元，对与第一功率调整臂和第二功率调整臂连接的两个供电区的电能进行调节。

在本实施例中，功率调节单元包括依次连接的第一功率单元、变压器和第二功率单元，第一功率单元和第二功率单元结构相同，均包括第一H桥模块、第二H桥模块和电容，第一H桥模块的直流侧与第二H桥模块的直流侧连接，电容连接在第一H桥模块直流侧的正负极之间，第二H桥模块交流侧与变压器连接，第一功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为第一功率调整臂，第二功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为第二功率调整臂。第一功率单元的第一H桥模块交流侧的另一端作为接地端，第二功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为接地端。

如图3所示，第一功率单元U1n、变压器TCn、第二功率单元U2n依次连接组成功率调节单元。变压器TCn为高频变压器，第一功率单元和第二功率单元均为背靠背的H桥结构，以实现交-直-交的变换。H桥结构的功率单元可采用全控器件，如IGBT管，直流电容、均压电阻等，以实现与功率调节系统的容量相适应。高频变压器可实现功率单元间的功率传递、电压变换，以及故障时的电气隔离。

在本实施例中，如图2所示，功率调节子系统还包括第一电抗器L1和第二电抗器L2；第一电抗器L1串联在第一功率调整臂上，第二电抗器L2串联在第二功率调整臂上。第一电抗器L1和第二电抗器L2用于连接接触网（供电网）电压与变流器输出电压，满足功率流动的条件，同时也可以抑制纹波电流。功率调节子系统还包括第一预充电单元和第二预充电单元；第一预充电单元和第二预充电单元结构相同，均包括一个电阻和一个旁路断路器，电阻和旁路断路器并联；第一预充电单元串联在第一功率调整臂上，第二预充电单元串联在第二功率调整臂上。第一预充电单元包括电阻R1和与之并联的旁路断路器QF12，第二预充电单元包括电阻R2和与之并联的旁路断路器QF22。第一预充电单元和第二预充电单元用于实现装置启动前对功率单元的软充电。功率调节子系统还包括第一避雷器BL1和第二避雷器BL2；第一避雷器BL1串联在第一功率调整臂上，第二避雷器BL2串联在第二功率调整臂上。第一避雷器BL1和第二避雷器BL2用于抑制供电网中的线路雷电造成的过电压。功率调节子系统还包括第一隔离开关QS1和第二隔离开关QS2；第一隔离开关QS1串联在第一功率调整臂上，第二隔离开关QS2串联在第二功率调整臂上。第一隔离开关QS1和第二隔离开关QS2用于在系统检修时将系统隔离。第一功率调整臂通过第一断路器QF11与第一供电区连接，第二功率调整臂通过第二断路器QF21与中性区连接。电流互感器TA11用于获取第一功率调整臂的电流，电流互感器TA21用于获取第二功率调整臂的电流。电流互感器TA12和电流互感器TA22分别用于获取功率调节单元2个接地端的电流。功率调节子系统包括多个功率调节单元，多个功率调节单元并联。如图4所示，第一功率单元U11、变压器TC1和第二功率单元U21依次连接组成第一个功率调节单元，第一功率单元U12、变压器TC2和第二功率单元U22依次连接组成第二个功率调节单元，所有功率调节单元依次并联。

在本实施中，列车位置识别子系统包括多个列车位置传感器，列车位置传感器安装在铁轨的两侧。电能特征监测子系统包括多个电压互感器，电压互感器用于获取铁路供电网各区段的电能特征，电能特征包括电压。如图2所示，功率调节子系统中的第一功率调整臂所左侧供电区的接触网连接，第二功率调整臂与中性区的接触网连接。在电力机车在供电网的供电区运行，并即将进入中性区时，如图2中电力机车所处位置，列车位置传感器CG1获取列车位置并发送至功率调节子系统，功率调节子系统通过功率调节单元将图2中左侧供电区的电能分配至中性区，通过第一功率调整臂获取电能，并通过第二功率调整臂输出电能，使得中性区具有与左侧供电区（即电力机车当前所处供电区）具有相同的电能特性。由于供侧供电区与中性区的电能特性相同，所以电力机车可以直接驶入中性区。列车位置传感器CG2确定电力机车驶入中性区后，功率调节子系统通过电能特征监测子系统可获得图2中右侧供电区（即列车即将驶入的供电区）的电能特征，并通过功率调节单元调整第二功率调整臂的电能输出，使得第二功率调整臂所输出的电能具有与图2中右侧供电区（即电力机车即将驶入的供电区）相同的电能特征。该电能特征的调整过程在预先设定的时间内完成，该时间短于列车在中性区运行的时间。由于中性区与右侧供电区的电能特征相同，所以电力机车可以直接驶入右侧供电区。从而完成电力机车不减载、带电、安全，平稳的通过分相区，并且，在电力机车通过分相区时，电力机车保护参数无需修改，适应能力强。

实施例二：

本实施例电气化铁路地面柔性自动过分相系统与实施例一基本相同，不同之处在于第二功率调整臂上还设置一条分支电路，如图4所示，该分支电路通过第三断路器QF23与供电网的下一个供电区（右侧供电区）的接触网连接。该分支电路上同样串联的隔离开关QS2，本实施例中，该隔离开关为双头隔离开关，可同时控制第二功率调整臂与中性区和右侧供电区的两条线路同时导通或断开。

在本实施例中，当电力机车需要过分相时，断开第三断路器QF23，闭合第二断路器QF21，此时系统的电路结构与图2等效相同，可实现电力机车带电自动过分相。由于电力机车通过分相区的时间相对来说较短，系统在大部分时间内都处于等待电力机车过分相的待机状态，为了充分提高系统的利用率，也更好的提高铁路供电网的电能质量，在电力机车通过分相区后，等待下一辆电力机车通过分相区之间，断开第二断路器QF21，闭合第三断路器QF23，由本发明的功率调节子系统对分别第一功率调整臂和第二功率调整臂连接的左侧供电区和右侧供电区的电能质量进行治理。在此种情况下，根据左侧供电区和右侧供电区是否由同一牵引变电所供电分为两种情况：一种情况为左侧供电区和右侧供电区同时由一个牵引变电所供电，如图5所示；一种情况为左侧供电区和右侧供电区分别由不同的牵引变电所供电，如图6所示。这两种情况的电能治理方式相同。通过控制各功率单元中的全控器件导通，从而调节输出电压，达到调节第一功率调整臂和第二功率调整臂的功率和补偿谐波的目的。

若忽略功率调节单元的DC-AC-DC环节，即如图3中第一功率单元U1n的右侧的H桥，变压器CTn和第二功率单元U2n的左侧的H桥不对电能质量产生影响，功率调节单元可看成两套独立的直挂式H桥级联型SVG（或APF），此时仅需控制第一功率单元U1n的左侧的H桥部分及第二功率单元U2n的右侧的H桥部分的器件开、断就可调节第一功率调整臂和第二功率调整臂的无功输出及进行谐波补偿。由于加入功率调节单元的DC-AC-DC环节后，可通过控制第一功率单元U1n的右侧的H桥部分及第二功率单元U2n的左侧的H桥部分的器件开、断，即可达到控制和稳定直流环电压的目的，从而实现两臂有功功率补偿。

通过电能特征监测子系统中的电流互感器TA01和TA02检测牵引供母线电流，电压互感器YH1和YH3检测牵引供母线电压，可实时计算系统有功、无功及谐波，并将控制命令发送至功率单元，控制全控器件导通、关断，输出与之相位相反、幅值相等的无功、谐波电流，保证第一功率调整臂和第二功率调整臂高功率因数及低谐波含量运行，同时将有功功率大的一侧功率转移差值的一半至有功功率小的一侧，实现有功功率融通，提高牵引变电所的利用率及抑制负序。

上述只是本发明的较佳实施例，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。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：包括列车位置识别子系统，电能特征监测子系统和功率调节子系统；所述列车位置识别子系统用于识别列车在铁路线路上所处的位置，并将所述位置提供给所述功率调节子系统；所述电能特征监测子系统用于监测铁路供电网各供电区段的电能特征，并将所述电能特征提供给所述功率调节子系统；所述功率调节子系统包括功率调节单元，所述功率调节单元包括第一功率调整臂和第二功率调整臂，所述第一功率调整臂与供电网的第一供电区连接，所述第二功率调整臂与所述第一供电区的相邻的中性区连接；所述功率调节子系统用于在列车即将进入中性区前为中性区供电，并使得中性区的电能特征与列车所在的第一供电区的电能特征相同，并且在列车在中性区运行过程中，将中性区的电能特征调整为与列车即将进入的下一个供电区的电能特征相同；所述功率调节单元包括依次连接的第一功率单元、变压器和第二功率单元，所述第一功率单元和所述第二功率单元结构相同，均包括第一H桥模块、第二H桥模块和电容，所述第一H桥模块的直流侧与所述第二H桥模块的直流侧连接，所述电容连接在所述第一H桥模块直流侧的正负极之间，所述第二H桥模块交流侧与所述变压器连接，所述第一功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为所述第一功率调整臂，所述第二功率单元的第一H桥模块交流侧的一端作为所述第二功率调整臂。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述功率调节子系统还包括第一电抗器和第二电抗器；所述第一电抗器串联在所述第一功率调整臂上，所述第二电抗器串联在所述第二功率调整臂上。

3.根据权利要求2所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述功率调节子系统还包括第一预充电单元和第二预充电单元；所述第一预充电单元和第二预充电单元结构相同，均包括一个电阻和一个旁路断路器，所述电阻和旁路断路器并联；所述第一预充电单元串联在所述第一功率调整臂上，所述第二预充电单元串联在所述第二功率调整臂上。

4.根据权利要求3所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述功率调节子系统还包括第一避雷器和第二避雷器；所述第一避雷器串联在所述第一功率调整臂上，所述第二避雷器串联在所述第二功率调整臂上。

5.根据权利要求4所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述功率调节子系统还包括第一隔离开关和第二隔离开关；所述第一隔离开关串联在所述第一功率调整臂上，所述第二隔离开关串联在所述第二功率调整臂上。

6.根据权利要求1所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述功率调节子系统包括多个功率调节单元，所述多个功率调节单元并联。

7.根据权利要求1所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述列车位置识别子系统包括多个列车位置传感器，所述列车位置传感器安装在铁轨的两侧。

8.根据权利要求1所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述电能特征监测子系统包括多个电压互感器，所述电压互感器用于获取铁路供电网各区段的电能特征，所述电能特征包括电压。

9.根据权利要求1至8任一项所述的电气化铁路地面柔性自动过分相系统，其特征在于：所述功率调节子系统还包括第一隔断路器、第二断路器和第三断路器；所述第一功率调整臂通过第一断路器与所述第一供电区连接，所述第二功率调整臂通过第二断路器与所述中性区连接；所述第二功率调整臂还通过第三断路器与所述供电网的下一个供电区连接。