CN107623318A - 一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置和控制方法，其装置包括，由开关器件构成四相桥臂与电容C并联构成的治理装置通过变压器接入接触网。四相桥臂分别接入两侧供电臂、无电的过渡段和钢轨。与牵引网无电过渡段N 相连的桥臂输出电压配合机车行驶进行调幅调相位控制，与两侧供电臂相连的两相桥臂在流通牵引变压器综合治理的补偿电流基础上均担向过渡段N的补偿电流。该装置实现牵引变综合治理同时配合机车实现不断电且无电冲击的过分相，且有结构简单的优点。

Description

一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置和控制方法
技术领域
本发明涉及一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置和控制方法。尤其涉及一种可以实现两侧供电臂功率平衡，消除负序电流，同时自动改变过分相系统中过渡段的电压幅值和电相位，消除机车过分相的电冲击的新型过分相装置及其控制方法。
背景技术
我国的电气化铁路采用25kV单相工频（50Hz）交流供电制式。由于牵引电网采用单相供电的特殊性，为了平衡电网负荷，牵引变压器将三相电变为两相，分别为两供电区间供电。
两侧供电不同相位，不能直接短接，因此两个供电区段需要设了分相，防止短路，从而形成了“无电区”。机车在通过分相区间（下简称“过分相”），机车断电失去动力，此时机车依靠惯性滑过分相。机车在过分相过程中机车经过“掉电”、“上电”的突变过程，产生过电流和过电压，对机车和变电所设备以及电网造成暂态冲击，而且过电压和涌流还会对线路造成损害、降低过分相开关的电寿命。不论是采用降弓过分相还是采用自动过分相方式都无法避免电冲击造成的不良影响。
由于牵引变压器将三相电变为两相的非对称供电，以及牵引负荷的不确定性和非线性，两侧供电臂上的负载不可能保持平衡，势必造成牵引变压器的供电不平衡，导致牵引供电线路中存在大量负序电流；同时铁路复杂的运输工况和大量电流型驱动机车存在给铁路供电注入大量的谐波电流，电流中大量的无功和谐波电流亟需治理。
为此，研究一种拓朴结构简单的新型牵引变电所电能质量综合治理装置，实现过分相调幅调相位供电，机车无电冲击、不断电过分相，同时兼顾调节治理负序、无功、谐波，具有重大意义。
发明内容
本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案为，一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置，如附图1 所示，其结构包括由开关器件S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42和电容C构成的治理装置通过变压器接入接触网。其中S11和S12串联构成1相桥臂，S21和S22串联构成2相桥臂，S31和S32串联构成3相桥臂， S41和S42串联构成4相桥臂，四相桥臂并联后，直流端与电容C并联。附图1中R s和L s分别表示开关器件开关损耗和变压器漏电阻和漏电感的等效阻感。1相桥臂的交流端与变压器T1副边一端相连，变压器T1原边分别接入接触网A和钢轨；2相桥臂的交流端与变压器T2副边一端相连，变压器T2原边分别接入接触网过渡段N和钢轨；3相桥臂的交流端与变压器T3副边一端相连，变压器T3原边分别接入接触网B和钢轨。变压器T1、变压器T2和变压器T3副边的一端并联后与4相桥臂的交流端相连。
本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案为，一种使上述新型牵引变电所电能质量综合治理装置的控制方法。控制与牵引网无电过渡段N 相连的桥臂输出电压配合机车行驶进行调幅调相位输出。在机车驶入接触网过渡段之前，控制换流器逆变电压与所在的接触网同压、同相位。机车进入接触网过渡段后，换流器为机车供电，并逐渐调节换流器逆变电压的幅值、相位，逐渐趋近于下一段接触网的电压的幅值与相位。在机车将要驶出过渡段之前，调节完成并跟踪下一段接触网的电压的幅值与相位，机车驶出过渡段，完成过分相。
与A、B 供电臂相连的两相桥臂在流通牵引变压器综合治理（治理负序、谐波、无功）的补偿电流基础上均担向过渡段N的补偿电流。
本发明的桥臂可以为两电平结构、三电平结构或其它电平结构的桥臂，亦或采用模块化多电平结构桥臂而取消集中的直流电容。
综上所述可知，本发明的新型牵引变电所电能质量综合治理装置有如下技术优点：1）拓朴结构简单；2) 实现机车不断电过分相；3）采用换流器逆变电压向接触网中性过渡区供电，灵活调整供电电压幅值与相位，实现机车无电冲击过分相；4）同时实现牵引变压器的综合治理。
附图说明
图1 为本发明的新型牵引变电所电能质量综合治理装置结构示意图1。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1 所示，牵引变电所原边接入110kV或220kV的公共电网，牵引变电所将三相电变换成两相电，副边两相分别接入接触网A和接触网B，在接触网A和接触网B之间设置有接触网过渡段N。其中过渡段N在传统的供电方式为无电区间。在接触网A和接触网过渡段N之间串联分相绝缘器J1，在接触网B和接触网过渡段N之间串联分相绝缘器J2。
本发明的一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置结构包括由开关器件S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42和电容C构成的治理装置通过变压器接入接触网。其中S11和S12串联构成1相桥臂，S21和S22串联构成2相桥臂，S31和S32串联构成3相桥臂， S41和S42串联构成4相桥臂，四相桥臂并联后，直流端与电容C并联。附图1中R s和L s分别表示开关器件开关损耗和变压器漏电阻和漏电感的等效阻感。1相桥臂的交流端与变压器T1副边一端相连，变压器T1原边分别接入接触网A和钢轨；2相桥臂的交流端与变压器T2副边一端相连，变压器T2原边分别接入接触网过渡段N和钢轨；3相桥臂的交流端与变压器T3副边一端相连，变压器T3原边分别接入接触网B和钢轨。变压器T1、变压器T2和变压器T3的一端并联后与4相桥臂的交流端相连。
本发明的桥臂开关器件S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42可以为两电平结构、三电平结构或其它电平结构的桥臂，亦或采用模块化多电平结构桥臂而取消集中的直流电容。
以机车从右到左行驶为例，为简化说明设变压器变比为1。假如机车从位置G1（分相绝缘器J1的右侧）行驶到位置G2（分相绝缘器J2的右侧）的时间为T。因为牵引变电所将三相变两相，A相供电臂和B相供电臂的电压可以分别设为：u A=U Acos(ωt+θ A)，u B=U Bcos(ωt+θ B)。
在无本发明的装置情况下，接触网过渡段N为无电区间，机车通过的过程电压存在u A→0→u B的变化过程，幅值和相位变化引起的电冲击较大，对机车和供电设备存在不利影响。为消除电冲击的不健康供电，由2相桥臂逆变电压为过渡段提供电压u N为：u N=U Ncos(ωt+θ N)，U N =U A +[(U B -U A)/T]*t，θ N=θ A +[(θ B-θ A)/T]*t。
其中：t⊆ [0, T]，也就对应机车从位置G1行驶到G2位置，t开始从0逐渐变为到T，也就是2相桥臂逆变电压u N在位置G1时与u A同幅同相位，机车通过接触网过渡段N时，调整u N的幅值和相位趋近于u B，在机车驶到位置G2前u N与u A同幅同相位，减小乃至于消除因电压幅值或相位变化带来的电冲击。
机车负载可以简化表达为Z L，那么可得2相桥臂逆变提供电流i N为：
i N=U Ncos(ωt+θ N)/Z L。
分析牵引变压器的工作状态可容易得到，为治理变压器平衡、消除负序、抑制谐波，1相桥臂和3相桥臂对A和B供电臂的期望补偿电流分别为i * A和i * B。因为2相桥臂消耗的能量也是需要从A、B供电臂获得，为保持平衡需要1、3相桥臂均担，故可将流入A和B供电臂的电流修正为：i A= i * A- i N/2，i B= i * B- i N/2。
4相桥臂为回流相，电流为1、2、3相桥臂电流之和，即为(i N+i A+i B)。

Claims (4)

1.一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置，其结构包括由开关器件S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41、S42和电容C构成的治理装置通过变压器接入接触网；其中S11和S12串联构成1相桥臂，S21和S22串联构成2相桥臂，S31和S32串联构成3相桥臂， S41和S42串联构成4相桥臂，四相桥臂并联后，直流端与电容C并联；附图1中Rs和Ls分别表示开关器件开关损耗和变压器漏电阻和漏电感的等效阻感；1相桥臂的交流端与变压器T1副边一端相连，变压器T1原边分别接入接触网A和钢轨；2相桥臂的交流端与变压器T2副边一端相连，变压器T2原边分别接入接触网过渡段N和钢轨；3相桥臂的交流端与变压器T3副边一端相连，变压器T3原边分别接入接触网B和钢轨；变压器T1、变压器T2和变压器T3副边的一端并联一起后与4相桥臂的交流端相连。
2.根据权利要求1所述的一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置，本发明的桥臂可以为两电平结构、三电平结构或其它电平结构的桥臂，亦或采用模块化多电平结构桥臂而取消集中的直流电容。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置的控制方式为：与牵引网无电过渡段N 相连的桥臂输出电压配合机车行驶进行调幅调相位控制；在机车驶入接触网过渡段之前，控制换流器逆变电压与所在的接触网同压、同相位；机车进入接触网过渡段后，换流器为机车供电，并逐渐调节换流器逆变电压的幅值、相位，逐渐趋近于下一段接触网的电压的幅值与相位；在机车将要驶出过渡段之前，调节完成并跟踪下一段接触网的电压的幅值与相位，机车驶出过渡段，完成过分相。
4.根据权利要求1和权利要求3所述的一种新型牵引变电所电能质量综合治理装置的控制方式为：与A、B 供电臂相连的两相桥臂在流通牵引变压器综合治理的补偿电流基础上均担向过渡段N的补偿电流。
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