CN106564407A - 三相转二相的平衡电铁牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本申请披露了如何利用变压器将平衡三相电变换为二相电的装置，以及二相电牵引供电网中二相电的功率平衡器装置。有了这些装置就可以将现有电气化铁路中的三相供电进化为二相平衡供电。二相平衡供电中只有一个变量，所以比现有的二个变量系统容易控制调整；此外，二相电系统同一牵引区紧邻的两旁必定为同相，而现有三相牵引系统紧邻的两旁牵引区必定为异相，所以本发明系统的应急转换供电也比较方便，转换功能优越得多；所需平衡器装置的功率容量很小，制造难度和成本都不高。

Description

三相转二相的平衡电铁牵引供电系统

发明领域

本发明属于电技术领域中的电能传输技术，具体地说，涉及电气化铁路的平衡牵引供电系统。

背景技术

电气化是铁路牵引供能的重要手段。电气化铁路主要由交流大电网供电，但目前的大电网是三相体制，要求三相平衡供电，即三相电流相等。如不能平衡，则会在电网系统内产生负序电流，在电机内引起逆序磁场，使电网内发电机和电动机转子发热，影响电机的正常运行。而牵引网和集电弓很难将三相电同时引入列车，只能采用单相牵引网的形式向列车输送电能，且列车的用电随机性强、单车耗电量巨大，很容易产生三相电不平衡。因此为了满足电网对三相电严苛的平衡要求，只能由不同相位的交流电分区向牵引网局部供电。所以，即使设置了隔离供电区间的分相区以均匀三相负荷，也还需要时刻关注三个相电流的动态平衡，可见，保持三相平衡确实是一个在经济上和技术上很难逾越的核心问题。

发明内容

本发明的目的是通过电制变换将三相电转变为二相电，再由二相电建立牵引供电网，向列车供电，因为二相电之间的平衡毕竟比三相电容易得多。

本发明的由三相电网供电的电气化铁路牵引馈电网系统，其特征是，系统中有一个或一组3相变2相的变压器T(1)；整个牵引供电网中只有二种相电压；系统中还有功率补偿电子平衡器(2)。

将平衡三相电转换为平衡二相电，引入电气化铁路牵引网后，只要以一个相电压为基准，对另一个相电压作跟踪调整，就很容易实现二相平衡。此外，在二相电牵引网中，每个牵引区相邻区为同相区，转换调整很方便，这是现有的三相牵引网所无法达到的。

附图说明

图1、传统的基本型3相变1相变流器线路图。

图2、三相向量电压分解示意图。

图3、向量合成变压器T3和T4绕线方向简图。

图4、本发明的采用四变压器的3相变2相原理线路图。

图5、合成变压器T3和T4集成为T34的结构图。

图6、本发明的采用三变压器的3相变2相原理线路图。

图7、旋转磁场变压器的3相变2相原理简图。

图8、本发明的采用旋转磁场的单变压器3相变2相原理简图。

图9、本发明的采用外源型平衡器的3相变2相系统简要结构图。

图10、虚拟六相整流器的原理说明图。

图11、本发明的采用内源型平衡器的3相变2相系统简要结构图。

图12、本发明的内源型功率补偿电子平衡器线路图。

图13、本发明的功率补偿外源型虚拟六相整流电子平衡器线路图。

具体实施方式

众所周知，电气化是铁路牵引供能的重要手段。电气化铁路主要由交流大电网来供电，但目前的大电网是三相体制，要求三相负荷平衡，即三相电流的大小和相位相同，否则会在电网中产生负序电流和逆序磁场，影响电网内发电机和电动机的正常运行。而牵引网和集电弓很难将三相电引入列车，只能采用单相牵引网的形式向列车输送电能，且列车的用电量巨大、用能的随机性很强，很容易引起系统内三相电不平衡。因此，为了满足电网对三相电严苛的平衡要求，只能由不同相位的三相交流电分区向牵引网局部供电，但是，即使采取分相区均衡供电的措施，依然无法保证供电区域内随机的列车驱动负荷达到动态平衡，必须要时时刻刻对三相负荷作动态调节。

要得到三相电的平衡供电，也就是说三个相电流非但要在数值上相等，而且三个相电流要按序保持120°的相位差。如果以一个相电流为基准，系统内必然存在二个变量，对这二个变量进行控制调节，才有可能达到三相电的平衡供电，其难度是很大的。

如果将该三相电通过特殊变压器变换成一个二相电系统，以二相电代替现有系统中的三相电供列车牵引驱动，那么，仍旧以二相系统中的一个相电流作为参考基准，只要对另一相的相电流作控制调节，系统的平衡供电就很容易得到保证，其难度将大为降低，设备费用将成倍减少。

依此思路解决三相电的平衡供电，实际上变为解决二相电的平衡供电，以及如何实现3相变2相的经济合理的电制转换问题。

当然，最简单的传统方法是将三相电通过电子变流器变换为单相电的同相牵引，该方案还可能取消换相区，所以是一项有重大意义的改革。但是，适合电化铁路的、处理变相的特大功率电力电子变流器将采用系统内全功率变流，制造难度大、价格高，又成为解决平衡问题的重大障碍。而退而求次，牵引网以二相电系统代替原有的三相电系统，解决平衡问题就容易得多，而变流器的大功率将为平衡器的很小功率所取代，制造容易、成本低，不失为一项经济适用的解决方案。

图1为传统的基本型3相变1相电子变流器线路。

DC/AC逆变器有电压源逆变器和电流源逆变器之分，前者的效率较高、电压稳定性较好，后者的限流特性好、安全性高。

图1a)为DC/AC电压源逆变器，直流回路中有并联电容器C。图1b)为DC/AC电流源逆变器，直流回路中串联有电感L。

整流器和逆变器采用双向型，既可以将三相交流功率整流成直流电，当列车再生制动时，列车的动能转变为电能，由变流器将电能回馈到三相电网中。他们也可以以四象限运行，以满足负载对电网功率因数的要求，也就是说，整流器和逆变器采用全控型器件的线路结构，可以相互转换。

本发明的将3相电变为2相电的转换设备，主要由变压器组或变压器，以及电力电子平衡器两大部件组成。

要实现三相电向二相电的转变，其原理可从三相电压向量分解中理解。

图2为三相向量电压分解示意图。

本方案沿袭了对三个线电压分别处理的思路。假定仍保留a相的Ua不变，则可先将Ub分解为Ubd和Ubq、Uc分解为Ucd和Ucq。

与a相相平行的同相电压分量Ud和相垂直的异相电压分量Uq，可以通过向量叠加，分别在两个合成变压器T3和T4中形成。

图3为向量合成变压器T3和T4绕线方向简图。

结合图2的向量图和图3的变压器绕线图，可以分析出：在变压器T3中，b相进线方向与c相进线方向一致。由于直接通过电压分量的叠加，Ucd和Ubd同向相加，电压加倍，得到Ud，Ud＝2Ucd＝2Ubd，而Ucq和Ubq反向抵消。所以只剩下电压Ud，由Ud驱动的磁流，同样会在T3次级产生与Ud相同相位的感应电压，Ud与Ua幅值相同而方向相反，倒向后则可直接加入Ua。

在变压器T4中，b相进线方向与c相进线方向相反，Ucq和Ubq变成同向相加，电压加倍，得到Uq，Uq＝2Ucq＝2Ubq，而Ucd和Ubd则反向相减而抵消，所以只剩下电压Uq。由Uq驱动的磁流，同样会在T4次级产生与Ua垂直相位的感应电压Uq。

为此，就可以通过合适控制，将一个平衡的三相功率，改变为平衡二相输出，进入只有Ua和Uq两种电压的铁路牵引网。

本发明的采用变压器分相的第一种方法，就是根据图2中向量分解的原理，通过多台变压器，将平衡三相电变换为平衡二相电。

图4为采用四变压器的3相变2相原理线路图。四变压器的3相变2相原理线路的技术特征是，将三相电压分解和合成，其中的1相电压直送合成变压器T2的初级绕组，其余2相在变压器T3和T4中合成；合成变压器T3的次级绕组接合成变压器T2的第二个初级绕组，T2次级绕组则输出Ud相电压；合成变压器T4的次级绕组则输出Uq相电压；Ud相电压和Uq相电压接到由分相区隔离的电气化铁路牵引网中。

为进一步隔离的需要，或为调节电压的需要，，Uq也可经隔离变压器T1输出到牵引网。

在上例中的合成变压器方案中，也可以采用三角形接法的三相线电压输入的结构，因为目前接触牵引网都采用线电压输入的结构，具体向量分析和接法与上例相似，叙述从略。

进一步改进可以发现，上例中的合成变压器T3和T4，可以集成为一个共同磁路的合成变压器T34。

图5为合成变压器T3和T4集成为T34的结构图。T34的铁心结构形状类似于一个三相变压器，左柱相当于原来的T3，当两个初级绕组同向接入电压Ub和Uc后，其垂直分量Ubd和Ucd相加而加倍，就可以在合成变压器T2中合成为倍加的Ud，当Ua和Ud分别输入T2的两个初级绕组后，次级就得到双倍功率的输入；而其水平分量Ubq和Ucq相减而趋向为零。右柱相当于原来是T4，当两个初级绕组反向接入电压Ub和Uc后，其水平分量Ubq和Ucq相加而加倍，而其垂直分量Ubd和Ucd相减而趋向为零；所以，在其右柱上的次级绕组就感应出水平分量Uq，Uq与Ua垂直。其特征为，系统由合成变压器T34和合成变压器T2组成，合成变压器T34的一个侧柱合成出Ud相电压，由其次级输送到T2的一个初级绕组，与T2的另一个初级绕组输入的Ua合成后在其次级输出Ud相电压；T34的另一个侧柱合成出Uq相电压，并由其次级绕组输出Uq相电压，经变压器T1次级输出；Ua相电压和Uq相电压接到由分相区隔离的牵引网中。

图6为本发明的采用三变压器的3相变2相原理线路图。与图4相比，其线路结构基本相同，区别仅在于将合成变压器T3和合成变压器T4集成在合成变压器T34中。

在变压器T34中，磁路中会出现二相磁流，电压与电流都是比较复杂的向量计算。特别是T34变压器的中间芯柱上的磁流，如果绕组设计对称，是否可以看作bc线电流产生的磁流。但不管怎么分析，a相流出的是相电流，与bc相流出的线电流，怎么达到平衡，都有待设计数学模型和数字仿真加以分析计算，以及实验结论作设计依据。此外，包括磁路设计在内的芯柱的宽度设计也非常特殊，这些都不是普通三相铁心可以比拟的。

由三角学计算可得，经过向量分解和变压器合成后，如以Ud*I＝1为单位，则在线路对称，功率因数相同的平衡输入中，垂直方向的功率为(Ua+Ud)*I＝2，水平方向的功率为Uq*I＝√3，约等于1.73。

将水平方向的电能通过电子逆变器转换a相功率，忽略损耗，可以计算得到q相功率占总平衡功率之比为：1.73/3.73≈46.4％。

而d和q两相的功率之比为：

2∶1.73＝1∶0.866，

也就是说，只有维持当d相消耗一份功率时，q相消耗0.866份的功率，且两相的电流具有相同的功率因数，那么，才可以达到二相平衡供电的状态。

本发明的第三个方案为只需要一个变压器的单变压器3相变2相系统，称为旋转磁场变压器方案。

当将平衡三相电输入旋转磁场变压器T5初级时，次级的二相绕组就可以输出平衡的二相电输出，其原理简单明了。

旋转磁场变压器是从电机结构的启示中发明的一种新型变压器结构，利用电机中的旋转磁场实现相数改变，同时利用两个绕组的匝比改变电压，实现变压器功能。所以，旋转磁场变压器既能像传统变压器一样，改变交流电压，还能改变相数，比前面所披露的采用普通的脉振磁场变压器改变相数更优越。

图7为本发明的采用旋转磁场T5的单变压器3相变2相原理简图。

旋转磁场变压器的结构相当于一台绕线式感应电机。变压器的初级为原电机的定子绕组，变压器的次级为原电机的转子绕组，初级和次级可以交换。由于取消了电机的转动功能，所以T5不再需要保留气隙，定子转子间实现零间隙磁路，磁阻和空载电流可以做得比普通叠片式变压器还小，是一种节能型变压器新品种，也可以将其看作一种经过性状改变的、不再作为机电能量转换装置的特殊电机结构。

旋转磁场变压器的定子上有三相星形或三角形接法的分布绕组，转子上为二相分布绕组。次级二相绕组间可以相互绝缘，也可以不绝缘而形成带零线的四相结构。与电机结构相同，根据磁路需要，旋转磁场变压器可以设计成不同的极对数。

本发明的旋转磁场变压器，与交流电机所不同的是，该变压器不需要轴，也不需要靠近轴处的铁心，所以转子磁路只要一个环状体磁轭就可以完成磁回路，这对于多极对数的磁路尤其可节省材料成本。

由于定转子中的旋转磁场，使初级绕组与次级绕组紧密交链耦合，就可以将初级中的三相电变成次级中的二相电。例如，将Ua、Ub、Uc三相电改变为Ud和Uq二相电。与前面二例所不同的是，在T5中，Uq与Ud二相不但电压相等，而且他们的平衡供电容量也相等，在设计制造过程中，均可容易地获得2相平衡对称的结构，即二者各占50％的总容量。其特征是，系统内有一台旋转磁场变压器T5；由旋转磁场变压器将平衡三相电改变为平衡二相电；二相电分区段进入牵引网。

旋转磁场变压器的初级绕组通常接入三相电网，采用分布式结构有利于产生比较均匀的旋转磁场，次级的对称性也比较好。如果为了提高绕组的绝缘性能而采用集中式绕组的显极结构，则磁路设计相对来说就比较复杂，且对次级对称性有一些不利影响。为此，可将次级绕组设计成六相结构，因为从三相到六相，只要在电机内多加三个显极，显极上的绕组反向连接就很容易提高对称性。此外，也可采用介于显极和隐极的复合磁路结构。同类或不同类型的结构也可用于次级磁极和绕组，但次级一般采用分布绕组。其特征是，T5的三相输入边磁路结构可以是隐极、显极、复合式或六相结构，对应于分布式、集中式、复合式或六相的绕组；输出边也可以是与输入边相同或不同的分布式、集中式、复合式或四相的绕组。

有关旋转磁场变压器的详尽资料，可见中国发明专利申请201310111574.1《采用旋转磁场原理的多相变压器》，本说明书不再赘述。

虽然本发明的平衡二相电优于传统三相电，可以用于解决或改善现有电气化铁路中的三相电的平衡问题。但是，由于列车运行中功率负荷是随机的，同一区间的牵引负荷很难与邻区另一相的未知负荷相同(对旋转磁场变压器系统)或相等的比例(对合成变压器系统)，不可能要求或指定列车的即时实际功率。为保持二相电系统的平衡，功率平衡器还是不能或缺的。

当然，功率平衡器只有采用电力电子逆变器，即通过电流采样和/或功率采样传感器，测知一个基准相的参数，然后对另一相作电子补偿调节，达到动态平衡的目标。由于电子逆变器的反应速度快，能够实现快速动态功率平衡，达到任何时刻使系统自动保持二相功率平衡的目标。

按不同补偿源的选取，本发明的平衡器有外源型补偿结构和内源型补偿结构两大类。所谓外补偿结构，就是被补偿相的功率来源于系统外的电网(例如三相供电网)，所谓内补偿结构，就是被补偿相的功率来自于二相电系统内的另一相，或者可以说是以“内部调剂”的形式达到系统内二相电功率的随机动态自动平衡。

图9为本发明的外源型平衡器的3相变2相系统简要结构图。图中，图例(1)为变压器T，通过不同结构的变压器，产生d相电压和q相电压，整个牵引供电网中只有这二种相电压；系统中还有一个功率补偿电子平衡器(2)。

外源型功率平衡器实际上为一种单相/三相AC/AC变流器。在本发明的二相电系统中，假如选d相作为基准相，则由外界三相电的能源通过平衡器与本系统内的q相间发生功率交流。当测知q相功率不足时，则由三相电系统向q相输送功率；反之，则q相向三相电系统输送富裕功率。外源型平衡器可能增加二相电系统的总功率容量，这是其优点所在。因此，他比较适合合成变压器方案，因为在该方案中，q相功率的比重低，所以所需要补偿的功率容量较小，平衡器成本较低。

图10为虚拟六相整流器的原理说明图。

图左为从星形接法分析三相电制的缺陷“线电压损失”产生的原因。由于在变流器中，AC/DC整流器是必不可缺的重要一环，整流器只与输入端端电压的高低相关联，而与其向量和相位无关，但三相电制中的线电压正是相电压向量和相位关系的产物。

在对现有三相电网的研究探索和实验测试中，三相电在变换为直流电时的电压利用率不高的现象被本发明人所发现，该现象称为三相电的线电压损失。以下为对各种相制式下线电压损失的分析描述。

由于在奇数相中都存在或多或少的线电压损失，尤以三相电的的线电压损失率15.5％为最高，而偶数相最高线电压都恒等于相电压的2倍，没有线电压损失，所以采用六相电制的电压利用率高于三相电，以六相整流器代替三相整流器有利于提高电能转换效率。但是问题是，今天全球电网都采用三相电制，除了增加倒相变压器外，无法得到六相电。

采用虚拟六相整流器，就可以无需倒相变压器和将三相整流器换成六相整流器，在整流器不变的前提下，也无须六相电，仍采用三相电，获得与六相电制下一样高的整流效率。

图10右部为本发明变流器中的虚拟六相整流器的原理线路图。仔细分析不难发现，整流过程中的整流管也同样有倒相作用，以A相为例，在A相的正半周，A相电流从二极管D3通过并到达直流输出的正端，对电容器C1充电；在A相的负半周时，A相电流从二极管D6通过并到达直流电压的中间端，对电容器C2充电。由于C1与C2同向串联，这样，就相当于将负半周反向了，与变压器所起的作用相同。但这一简化线路可以省去一个倒相变压器和六相整流器，经济性可观，还能将整流效率提高约15.5％。

在三相电制中，虽然表面上看来，三角形接法不显示线电压损失这一现象，但在三角形接法中，线电压损失是以线电流损失反映出来的，其结果与线电压损失相同。表1为各种相数下的交直流电压的比较表。

表1各种相数电制下的交直流电压的比较表

采用虚拟六相整流器，就可以得到比普通整流器更高的效率，高效率的具体测试数据已为实验所证实。有关虚拟六相整流器资料详见中国专利申请201310381920.8《虚拟六相整流器电源装置》。

图11为本发明的内源型平衡器的3相变2相系统简要结构图。与图8相同的是，他们都是AC/AC变流器，但图11为两端都为单相输出入，这是二者所不同的。内源型平衡器不能从外部获得功率增量，但可以在系统内的功率欠缺相和功率多余相间实现容量调剂。如果系统设计最大允许容量差为ΔP，则平衡器的设计容量只要ΔP/2就够了。假如q相功率比d相功率小1000kVA，只要将500kVA的d相功率通过平衡器转移到q相，二者的功率差1000kVA就消失了。而且单相调节比三相调节不存在相同步问题，控制简单容易，所以内源型平衡器的制造难度和成本更低，这是内源型平衡器的优点所在。内源型平衡器更适合旋转磁场单变压器方案。

图12为本发明的功率补偿内源型电子平衡器线路图。

本发明的功率平衡器(2)实际上为一种AC/AC背靠背变流器。外源型平衡器与同相牵引网中的变流器结构相同，都是三相变单相，但其功率容量要小得多。内源型功率平衡器为单相/单相AC/AC背靠背变流器，其设计容量大约是外源型的一半。

平衡器两端都是DC/AC变换器，中间有一个直流环节，根据直流环节的不同有电压型和电流型的区别，如图1所示，本文之前已有描述。

需要将平衡器设计成双向型，因为能流是需要双向流动的，当二相电系统中该相功率不足时，由三相电源或他相向该相输入电功率，平衡器不足相一端的变流器起逆变器作用，当该相功率超额时，则向外输送能量，平衡器超能相一端的变流器起整流器作用。由于既要考虑电流的大小相同，还要达到功率因数的平衡，因而，从调节功率因数的目的出发，就要考虑变流器能在四象限运行。

根据以上要求，功率元件通常需要采用逆导型开关器件，例如IGBT、MOSFET、GTO等，可控时的工作方式常采用脉宽调制(PWM)。

图13则为本发明的功率补偿外源型虚拟六相整流电子平衡器线路图。对于三相电网来说，一般都由零线，将零线接到滤波电容器中点，两端电容器的大容量和电压等级相同就可以了。六相整流器的基本型实验已证明其高效率的特点。

出于不同电源间的安全性的考虑，电子平衡器的输出入端可以加入隔离变压器。

与同相牵引供电网的全功率变流器的相比，本发明平衡器的功率容量至少可降低一个多数量级。而与现有三相牵引网相比，本发明需要平衡的仅仅只有一个相，非但比现有系统需要平衡二个相的设备简单，而且内源型单相/单相平衡器造价又可比外源型降低一半，所以比同相牵引中电力电子设备的造价可能要低二个数量级。此外，二相电系统同一牵引区紧邻的两旁必定为同相，而现有三相系统牵引系统紧邻的两旁必定为异相，所以本发明系统的应急转换供电也比较方便，转换功能优越得多。

Claims (10)

1.一种电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，系统中有一个或一组3相变2相的变压器T(1)；整个牵引供电网中只有二种相电压；系统中还有功率补偿电子平衡器(2)。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，将三相电压分解和合成，其中的1相电压直送合成变压器T2的初级绕组，其余2相在变压器T3和T4中合成；合成变压器T3的次级绕组接合成变压器T2的第二个初级绕组，T2次级绕组则输出Ud相电压；合成变压器T4的次级绕组则输出Uq相电压；Ud相电压和Uq相电压接到由分相区隔离的电气化铁路牵引网中。

3.根据权利要求2所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，合成变压器T3和合成变压器T4集成在合成变压器T34中。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，合成变压器T3和T4或T34采用相电压分相或线电压分相的不同结构。

5.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，系统内有一台旋转磁场变压器T5；T5将平衡三相电改变为平衡二相电；二相电分区段进入牵引网。

6.根据权利要求1或权利要求5所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，T5的三相输入边磁路结构可以是隐极、显极、复合式或六相结构，对应于分布式、集中式、复合式或六相的绕组；输出边也可以是与输入边相同或不同的分布式、集中式、复合式或四相的绕组。

7.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，功率平衡器可以是外源型补偿结构或内源型补偿结构中的一种。

8.根据权利要求7所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，外源型功率平衡器中有一个虚拟六相整流器。

9.根据权利要求1或权利要求7所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，功率平衡器采用逆导型开关器件IGBT、MOSFET或GTO逆导型开关器件。

10.根据权利要求1或权利要求7所述的电气化铁路牵引馈电系统，其特征是，功率平衡器采用脉宽调制控制方式。