CN108189711B - 一种电气化铁路地面自动过分相系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电气化铁路地面自动过分相系统，包括：高压开关单元，用于对与α相、β相牵引母线和α相、β相牵引供电臂相关的高压电源进行开断；地面电分相供电变流装置BLQ，为一台整流侧单相多绕组整流变压器T1、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T2和背靠背四象限变流器组成的交‑直‑交电能变换装置；列车方向及位置检测单元，用于检测列车的行驶方向以及到达的位置。本发明提供的电气化铁路地面自动过分相系统采用8步工作原理控制地面电分相供电变流装置，可在列车过带中性区段电气分段的中性区段期间，为接触网电分相连续平滑的牵引电源转换供电，实现列车不断电、不拉弧过分相的可靠运行。

Description

一种电气化铁路地面自动过分相系统
技术领域
本发明涉及电气化铁路接触网牵引供电领域，具体涉及一种电气化铁路地面自动过分相系统。
背景技术
我国电气化铁路牵引网采用分相分段式单相工频交流供电，每隔30～60km都存在约200～900m的带中性区段的电分相，在三相变压器供电条件下分区所处的电分相两侧接触网设计相位相同，但是由不同变电所馈线供电，因此相位差较小；另外，同一变电所母线馈出的不同馈线供电的接触网系统间设置了隔离不同电压的作为电分相功能的电气分段关节，这些称为虚拟电分相。随着我国高速铁路和重载铁路的发展，大功率变流牵引的列车运行工况使得牵引网中的电气分布差异较大，接触网虚拟电分相除了影响运输的舒适性和总的运行时间、降低铁路运输能力外，更是因此带来操作过电压的拉弧，有可能引发列车高压设备损伤或接触网烧断故障，同时，频繁过分相容易导致司机操作疲劳，因此接触网电分相一直都是机电、弓网配合的高发故障区域，接触网电分相和虚拟电分相已成为我国铁路朝着高速和重载发展的一个关键制约因素。
为了解决电气化铁路列车断电过分相问题，我国曾经引进过两种接触网电分相自动过分相技术，一种是以瑞士AF公司为代表的柱上开关自动断电过分相技术，一种是以日本为代表的地面开关自动切换过分相技术。
其中，柱上开关自动断电过分相设备在试验过程中出现过拉弧、烧弓、线路跳闸等现象，应用不成功。
基于地面机械开关自动切换的过分相设备在我国有少量应用，但实际应用也表现出了如下几个缺陷：1)机械开关切换不能精确控制相位，存在过电压和过电流冲击；2)机械开关切换时间长，换相过程中中性段存在较长的无电死区；3)存在较高的过电压和过电流冲击，需要修改列车的控制软件和保护整定值；4)机械开关寿命低，需要定期检修维护和更换，后期运营成本高。近年来，地面机械开关自动切换过分相设备换相失败导致接触网相间短路的问题也时有发生。
针对地面机械开关自动切换过分相技术存在的某些缺陷，近年来也有相关机构开展了基于地面电子开关的自动切换过分相技术研究，该技术的特点是采用电子开关替代机械开关，但由于其切换过分相的基本原理没有改变，因此换相过程中中性段必然还是会存在无电死区，由此也依然会给列车带来过电压和过电流冲击等问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种电气化铁路地面自动过分相系统。
本发明提供一种电气化铁路地面自动过分相系统，包括：高压开关单元，用于对与α相、β相牵引母线和α相、β相牵引供电臂相关的高压电源进行开断，包括三台高压断路器QF1、QF2、QF3和阻容吸收器RC；断路器QF1的馈入母线连接α相牵引母线，断路器QF2的馈入母线连接β相牵引母线，断路器QF1和断路器QF2的馈出母线连接在一起，形成一个公共连点并连接到地面电分相供电变流装置BLQ；断路器QF3的馈入母线连接到地面电分相供电变流装置BLQ，断路器QF3的馈出母线连接接触网电分相中性段N，所述阻容吸收器RC的高压端子连接在断路器QF3的馈出母线上，另一端直接接地；地面电分相供电变流装置BLQ，用于交-直-交电能变换，包括一台整流侧单相多绕组整流变压器T1 1、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3和背靠背四象限变流器2；列车方向及位置检测单元，用于检测列车的行驶方向以及到达的位置，包括列车位置传感器及其信号处理机，所述的列车位置传感器将列车轮轴信号发送给信号处理机。
其中，所述的整流侧单相多绕组整流变压器T1 1原边设置有一个高压绕组AX，次边设置有n个低压绕组a1x1、a2x2至anxn，以及1个高压绕组wx；其中，n为大于1的自然数；所述的逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3原边设置有n个低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边设置有一个高压绕组CX；所述的次边高压绕组wx与次边高压绕组CX串联后合成电压给中性段N供电。
其中，所述的背靠背四象限变流器2包括整流变换单元4、直流母线单元5和逆变变换单元6；整流变换单元4和逆变变换单元6分别包括n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；整流变换单元4的n个H桥功率模块的交流端与整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的a1x1、a2x2至anxn绕组的输出端连接；逆变变换单元6的n个H桥功率模块的交流端与逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3的c1x1、c2x2至cnxn绕组的输入端连接。
其中，所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
其中，所述功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，所述基于IGBT的两电平H桥变换电路主要由支撑电容61、IGBT及反并联二极管62、电流传感器63和输出熔断器64组成。
其中，所述功率模块采用基于IGBT或IGCT的三电平H桥变换电路；所述基于IGBT的三电平H桥变换电路主要由支撑电容71、箝位二极管72、IGBT及反并联二极管73、电流传感器74和输出熔断器75组成；所述基于IGCT的三电平H桥变换电路主要由吸收电容81、DC-LINK环节限流电感82、DC-LINK环节二极管83、DC-LINK环节电阻84、箝位二极管85、IGCT及反并联二极管86、电流传感器87和输出熔断器88组成。
其中，所述的列车方向及位置检测单元包括三对传感器，具体包括传感器J1和传感器J1’、传感器J2和传感器J2’及传感器J3和传感器J3’；传感器J1和传感器J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边；传感器J2和传感器J2’分别安装在属于中性段中间区域的铁轨两边；传感器J3和传感器J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。
其中，所述的列车方向及位置检测单元包括四对传感器，具体包括传感器J1和传感器J1’、传感器J21和传感器J21’、传感器J22和传感器J22’及传感器J3和传感器J3’；传感器J1和传感器J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边；传感器J21和传感器J21’分别安装在属于中性段靠近JY1关节区域的铁轨两边；传感器J22和传感器J22’分别安装在属于中性段靠近JY2关节区域的铁轨两边；传感器J3和传感器J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边；列车正向行驶时，采用传感器J1和传感器J1’、传感器J22和传感器J22’及传感器J3和传感器J3’三对传感器作为检测单元；当列车反向行驶时，采用传感器J1和传感器J1’、传感器J21和传感器J21’及传感器J3和传感器J3’三对传感器作为检测单元。
本发明的有益效果是：
通过所述电气化铁路地面自动过分相系统，电分相中性段被连续供电，无供电死区，列车可以不断电通过电分相，感受不到电分相的存在；
通过所述电气化铁路地面自动过分相系统给接触网电分相供电，列车过分相期间无过电压、过电流冲击，无电弧产生；
通过所述电气化铁路地面自动过分相系统，电力电子变流装置的容量只占系统总容量的一部分，可降低电力电子变流装置的制造成本；
以先进的电力电子变流装置及特种变压器作为核心部件，实现接触网电分相中性段的连续供电，使得列车可不断电过分相，且不会产生电弧和过电压、过电流冲击。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的原理框图；
图2为本发明实施例提供的列车过分相中性段供电电压移相矢量图；
图3为本发明另一实施例提供的电气化铁路地面自动过分相系统的原理框图；
图4为本发明实施例提供的地面电分相供电装变流装置的主电路图；
图5为本发明实施例提供的功率模块采用的基于IGBT的两电平H桥电路的拓扑图；
图6为本发明实施例提供的地面电分相供电装变流装置第二种实现方式的主电路图；
图7为本发明实施例提供的功率模块采用的基于IGBT的三电平H桥电路的拓扑图；
图8为本发明实施例提供的功率模块采用的基于IGCT的三电平H桥电路的拓扑图；
图9为本发明实施例提供的地面电分相供电装变流装置第三种实现方式的主电路图；
图10为本发明实施例提供的地面电分相供电装变流装置第四种实现方式的主电路图。
附图标记为：1—整流侧单相多绕组整流变压器T1，2—背靠背四象限变流器，3—逆变侧单相多绕组逆变变压器T2，4—整流变换单元，5—直流母线单元，6—逆变变换单元，PM—功率模块，61—支撑电容，62—IGBT及反并联二极管，63—电流传感器，64—输出熔断器，71—支撑电容，72—箝位二极管，73—IGBT及反并联二极管，74—电流传感器，75—输出熔断器，81—吸收电容，82—DC-LINK环节限流电感，83—DC-LINK环节二极管，84—DC-LINK环节电阻，85—箝位二极管，86—IGCT及反并联二极管，87—电流传感器，88—输出熔断器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提出了一种电气化铁路地面自动过分相系统，与背景技术中提到的其它自动过分相技术相比，采用先进的基于电力电子变流器装置和特种变压器作为核心部件，实现虚拟电分相接触网电分相的平滑连续换相供电，适用于电气化铁路列车不断电过分相、虚拟同相供电、电气化铁路柔性供电、柔性过分相等应用场合。
图1为本发明实施例提供的系统原理框图，如图1所示，电气化铁路地面自动过分相系统，包括：高压开关单元，用于对与α相、β相牵引母线和α相、β相牵引供电臂相关的高压电源进行开断，包括三台高压断路器QF1、QF2、QF3和阻容吸收器RC；断路器QF1的馈入母线连接α相牵引母线，断路器QF2的馈入母线连接β相牵引母线，断路器QF1和断路器QF2的馈出母线连接在一起，形成一个公共连点并连接到地面电分相供电变流装置BLQ；断路器QF3的馈入母线连接到地面电分相供电变流装置BLQ，断路器QF3的馈出母线连接接触网电分相中性段N，所述阻容吸收器RC的高压端子连接在断路器QF3的馈出母线上，另一端直接接地；地面电分相供电变流装置BLQ，用于交-直-交电能变换，包括一台整流侧单相多绕组整流变压器T1 1、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T23和背靠背四象限变流器2；列车方向及位置检测单元，用于检测列车的行驶方向以及到达的位置，包括列车位置传感器及其信号处理机，所述的列车位置传感器将列车轮轴信号发送给信号处理机。
图1所示系统适用于牵引变电所，本发明实施例的高压开关单元包含QF1、QF2、QF3三台断路器、阻容吸收器RC，以及与之配套的隔离开关和电流、电压互感器、综合自动保护屏等。阻容吸收器RC高压端子接在断路器QF3的馈出母线上，另一端直接接地。高压开关单元可以是以箱式变电站的形式组合在一起，也可分散在牵引变电所(或分区所)。在系统投入前，断路器QF1和断路器QF2、断路器QF3(包括配套的隔离开关)分断，系统投入时，闭合断路器QF1或QF2，将α牵引母线或β相牵引母线接入地面电分相供电变流装置。断路器QF3将地面电分相供电变流装置馈出的电源连接到接触网电分相的中性段N。
断路器QF1的馈入母线连接α相牵引母线，断路器QF2的馈入母线连接β相牵引母线，断路器QF1和断路器QF2的馈出母线连接在一起，形成一个公共连点并连接到地面电分相供电变流装置BLQ的整流变压器高压绕组A端子，断路器QF3的馈入母线连接到地面电分相供电变流装置的逆变变压器高压绕组C端子，断路器QF3的馈出母线连接接触网电分相中性段N，所述阻容吸收器RC的高压端子连接在断路器QF3的馈出母线上。其中断路器QF1和QF2(以及与之配套的隔离开关)的合闸逻辑要进行互反的联锁控制，即当QF1闭合时，QF2不能再被闭合，QF2闭合时，QF1不能再被闭合。QF1(或QF2)、QF3是在所述电气化铁路地面自动过分相系统投入时闭合，系统工作时，高压开关单元不再开关动作，只有当系统退出或故障时高压开关单元中的所有开关才分断。
作为本发明实施例的改进，高压开关单元可以增加断路器的数量，并增加辅助电源变换装置，从牵引母线上直接取电变换成系统运行所需的辅助控制电源。
本发明实施例提供的系统还包括地面电分相供电变流装置BLQ，是基于特种变压器和背靠背四象限电力电子变流器组成的交-直-交电能变换装置，如图4所示，主要由整流侧单相多绕组整流变压器T1 1、背靠背四象限变流器2、逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3组成。
在上述任一实施例的基础上，所述的整流侧单相多绕组整流变压器T1 1原边设置有一个高压绕组AX，次边设置有n个低压绕组a1x1、a2x2至anxn，以及1个高压绕组wx；其中，n为大于1的自然数；所述的逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3原边设置有n个低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边设置有一个高压绕组CX；所述的次边高压绕组wx与次边高压绕组CX串联后合成电压给中性段N供电。
整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的AX绕组的A端子接断路器QF1的馈出母线，X端子接大地。整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的wx绕组的x端子接大地，w端子连接逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3高压侧的X端子，逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3C端子接断路器QF3的馈入母线，通过断路器QF3连接接触网电分相的中性段N。根据系统设计需要，整流侧单相多绕组整流变压器T11的次边也可设计其它辅助绕组，比如用来对变压器预充磁等。
本发明实施例没有限定所有变压器低压侧功率绕组的数量，整流侧单相多绕组整流变压器T1次边低压侧也可包含非功率变换的辅助绕组，也没有限定功率模块的数量，这需要根据实际的容量需求进行匹配，任何具体绕组数量和功率模块数量的地面电分相供电变流装置都在本发明实施例的保护范围内。
在上述任一实施例的基础上，所述的背靠背四象限变流器2包括整流变换单元4、直流母线单元5和逆变变换单元6；整流变换单元4和逆变变换单元6分别包括n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；整流变换单元4的n个H桥功率模块的交流端与整流侧单相多绕组整流变压器T1 1的a1x1、a2x2至anxn绕组的输出端连接；逆变变换单元6的n个H桥功率模块的交流端与逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3的c1x1、c2x2至cnxn绕组的输入端连接。
背靠背四象限变流器2由通过整流侧单相多绕组整流变压器T11磁场并联运行的多功率模块(PM)交流-直流(AC/DC)整流变换单元4、直流母线单元5、通过逆变侧单相多绕组逆变变压器T2 3磁场并联运行的多功率模块(PM)直流-交流(DC/AC)逆变变换单元6组成。
整流侧单相多绕组整流变压器T1的原边高压绕组将由高压开关单元的断路器选通并馈出的α或β相牵引母线高压电源分别降压成n个低压交流电后送入到整流变换单元4的n个整流功率模块的交流输入端，整流功率模块通过整流侧单相多绕组整流变压器T1的磁场并联高频整流运行，得到的稳定的直流母线电压。
根据列车方向及位置检测单元检测到列车到达的位置及方向，适时的启动n个逆变功率模块工作输出电压，连接到逆变侧单相多绕组逆变变压器T2的n个原边低压交流绕组，通过逆变变压器的磁场并联运行在逆变侧单相多绕组逆变变压器T2次边高压绕组上输出一相电压后再与整流侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组串联后合成一相特定幅值和相位的电压，通过高压开关单元的一个高压断路器馈出到接触网中性段N，在列车过分相期间为中性段N连续供电。
如图4所示，作为本发明实施例中背靠背四象限变流器2的一种实现方式，所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。公共直流母线由支撑电容、放电电路等组成。
如图6所示，作为图4所示的地面电分相供电变流装置的一种改进，将装置的功率模块(PM)换成三电平H桥变换电路；所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
如图9所示，作为对第一种实现方式的改进，第三种实现方式是：所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元组成；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
如图10所示，作为第三种实现方式的改进，第四种实现方式的特征是：所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器2包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元组成；所述的变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
基于上述4种实现方式，功率模块有两电平H桥变换电路和三电平H桥变换电路两种电路形式，实施中两电平H功率模块的开关器件选取为IGBT器件，三电平H桥功率模块的开关器件可以选择IGBT也可以选择IGCT器件，但不局限上述器件，可以是其它满足功能的开关器件，如IEGT、智能IPM模块等。功率模块典型结构中的主要器件并不局限实施方式中所述的组成器件，各种用于提高模块性能的器件亦可是其组成部件，如提高功率模块电磁兼容性能的直流母线吸收电容、减小交流输出dv/dt的滤波器等，实际情况可根据系统需要增减功率模块构件。
应当说明的是，以上四种实现方式的直流单元特征是包含直流放电电路，也可包含其他检测等功能的电路，本发明的实施方式中只提供了一种较佳的直流放电电路，但不是对本发明的限制，任何具有放电功能的电路都应在本发明实施例的保护范围内。
如图5所示，在上述任一实施例的基础上，所述功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，所述基于IGBT的两电平H桥变换电路主要由支撑电容61、IGBT及反并联二极管62、电流传感器63和输出熔断器64组成。
如图7所示，为所述三电平功率模块PM的一种电路图，是基于IGBT三电平H桥变换结构的功率模块，主要由支撑电容71、箝位二极管72、IGBT及反并联二极管73、电流传感器74、输出熔断器75等组成。
如图8所示，为所述三电平功率模块PM另一种电路图，是基于IGCT三电平H桥变换结构的功率模块，主要由吸收电容81、DC-LINK环节限流电感82、DC-LINK环节二极管83、DC-LINK环节电阻84、箝位二极管85、IGCT及反并联二极管86、电流传感器87、输出熔断器88等组成。
本发明实施例中的系统还包括列车方向及位置检测单元，其包含列车位置传感器及其信号处理机，所述的列车位置传感器将列车轮轴信号发送给信号处理机，用来检测列车的行驶方向以及到达的位置。
如图1所示，在上述任一实施例的基础上，所述的列车方向及位置检测单元包括三对传感器，具体包括传感器J1和传感器J1’、传感器J2和传感器J2’及传感器J3和传感器J3’；传感器J1和传感器J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边；传感器J2和传感器J2’分别安装在属于中性段中间区域的铁轨两边；传感器J3和传感器J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。
J1(J1’)和J2(J2’)之间的距离为L1，J2(J2’)和J3(J3’)之间的距离为L2，L1和L2的长度由所处铁路最高列车行驶速度和列车的长度进行计算得到，一般由铁路设计院和所述系统研制单位共同确定。
为了减小中性段接触网的长度，上述检测单元的一种改进实施方式如图3所示，所述的列车方向及位置检测单元包括四对传感器，具体包括传感器J1和传感器J1’、传感器J21和传感器J21’、传感器J22和传感器J22’及传感器J3和传感器J3’；传感器J1和传感器J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边；传感器J21和传感器J21’分别安装在属于中性段靠近JY1关节区域的铁轨两边；传感器J22和传感器J22’分别安装在属于中性段靠近JY2关节区域的铁轨两边；传感器J3和传感器J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边；列车正向行驶时，采用传感器J1和传感器J1’、传感器J22和传感器J22’及传感器J3和传感器J3’三对传感器作为检测单元；当列车反向行驶时，采用传感器J1和传感器J1’、传感器J21和传感器J21’及传感器J3和传感器J3’三对传感器作为检测单元。
J1(J1’)和J21(J21’)之间的距离为L1，J21(J21’)和J22(J22’)之间的距离为L2，J22(J22’)和和J3(J3’)之间的距离为L3，L1、L2、L3的长度由所处铁路最高列车行驶速度和列车的长度进行计算得到，一般由铁路设计院和所述系统研制单位共同确定。
以图1所示的系统图和图2所示的电压矢量图来说明所述的电气化铁路地面自动过分相系统的工作原理如下：
①T1变压器高压原边绕组与次边wx绕组按变比k进行设计，当QF1合闸后，T1变压器的wx绕组输出电压的相位分别与α相供电臂相同，即且U1＝kUα，列车受电弓未到达A点前，电力电子变流器处于待机状态，中性段电压为T1变压器的wx绕组电压，即
②当列车达到A点(J1位置)时，启动地面电分相供电变流装置输出电压，T2变压器次边输出的电压为中性段电压控制u3的幅值和相位，列车受电弓到达B点前使得中性段合成电压即控制中性段电压与α相电压同步，此时列车由α相供电臂供电。
③当列车受电弓到达B点时，中性段与α相供电臂由于受电弓的短接而并网，控制电力电子变流装置输出电流由0增加到列车实际所需电流，α相供电臂提供的电流由列车实际电流下降，列车受电弓到达C点前完成换流，此时列车由α相供电臂和中性段同时供电。
④列车受电弓离开C点，在列车到达D点(J2位置)之前，控制中性段上的电压与α相供电臂电压同步，列车由地面电分相供电变流装置供电的中性段供电。
⑤当列车受电弓到达D点(J2位置)时，以β相供电臂电压为控制目标，控制T2变压器次边输出的电压为的幅值和相位延图2所示的虚线移动，则中性段上的合成电压自然的向β相供电臂电压矢量移动，即实现连续换相控制，当列车受电弓到达E点之前，中性段电压已经完成换相，完全与β相供电臂电压同步，即列车由中性段供电。
⑥当列车受电弓到达E点时，开始控制地面电分相供电变流装置的电流下降，β相供电臂电流自然上升，受电弓到达F点之前完成换流，此过程中列车由中性段和β相供电臂同时供电。
⑦当列车受电弓离开F点到列车完全离开G点(J3位置)前，控制中性段上的电压与β相供电臂电压同步。
⑧当列车完全离开G点(J3位置)时，电力电子变流器待机，中性段电压恢复到
列车反向行车时，控制过程与正向行车正好相反，根据列车达到J3、J2、J1的顺序按上述8步控制原理控制中性段电压先由与β相电压同步到转换到与α相电压同步转换，实现中性段连续供电。
为了减小中性段接触网的长度，采用改进的列车方向及位置检测实施方式，如图3所示，列车正向行驶时，采用J1(J1’)、J22(J22’)、J3(J3’)三对传感器作为检测单元，按上述原理控制地面电分相供电变流装置。当列车反向行驶时，采用J1(J1’)、J21(J21’)、J3(J3’)三对传感器作为检测单元，按上述反向行车原理控制地面电分相供电变流装置。
本发明实施例所述系统中TF1、TF2为α相供电臂和β相供电臂，分别由牵引变电所的α相牵引母线和β相牵引母线供电。α相供电臂和β相供电臂之间的JY1和JY2为电分相的分相关节，N为电分相的中性段无电区，TR代表列车，箭头方向代表列车行驶的正方向。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种电气化铁路地面自动过分相系统，其特征在于，包括：
高压开关单元，用于对与α相、β相牵引母线和α相、β相牵引供电臂相关的高压电源进行开断，包括三台高压断路器QF1、QF2、QF3和阻容吸收器RC；断路器QF1的馈入母线连接α相牵引母线，断路器QF2的馈入母线连接β相牵引母线，断路器QF1和断路器QF2的馈出母线连接在一起，形成一个公共连点并连接到地面电分相供电变流装置BLQ；断路器QF3的馈入母线连接到地面电分相供电变流装置BLQ，断路器QF3的馈出母线连接接触网电分相中性段N，所述阻容吸收器RC的高压端子连接在断路器QF3的馈出母线上，另一端直接接地；
地面电分相供电变流装置BLQ，用于交-直-交电能变换，包括一台整流侧单相多绕组整流变压器T1(1)、一台逆变侧单相多绕组逆变变压器T2(3)和背靠背四象限变流器(2)；
列车方向及位置检测单元，用于检测列车的行驶方向以及到达的位置，包括列车位置传感器及其信号处理机，所述的列车位置传感器将列车轮轴信号发送给信号处理机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述的整流侧单相多绕组整流变压器T1(1)原边设置有一个高压绕组AX，次边设置有n个低压绕组a1x1、a2x2至anxn，以及1个次边高压绕组wx；其中，n为大于1的自然数；
所述的逆变侧单相多绕组逆变变压器T2(3)原边设置有n个低压绕组c1x1、c2x2至cnxn，次边设置有一个次边高压绕组CX；
所述的次边高压绕组wx与次边高压绕组CX串联后合成电压给中性段N供电。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述的背靠背四象限变流器(2)包括整流变换单元(4)、直流母线单元(5)和逆变变换单元(6)；
整流变换单元(4)和逆变变换单元(6)分别包括n个功率模块，每个功率模块均采用相同的H桥变换电路；
整流变换单元(4)的n个H桥功率模块的交流端与整流侧单相多绕组整流变压器T1(1)的a1x1、a2x2至anxn绕组的输出端连接；
逆变变换单元(6)的n个H桥功率模块的交流端与逆变侧单相多绕组逆变变压器T2(3)的c1x1、c2x2至cnxn绕组的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述的功率模块采用两电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器(2)包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；
所述的背靠背四象限变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述的功率模块采用三电平H桥变换电路，所述的背靠背四象限变流器(2)包括n个电气上完全独立的背靠背四象限变流单元；
所述的背靠背四象限变流单元包括一个整流功率模块和一个逆变功率模块，每个功率模块的直流侧设置有一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线；
所述的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所述的零电平直流母线并联形成一个总的公共零电平直流母线，所述的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。
8.根据权利要求4或6所述的系统，其特征在于，
所述功率模块采用基于IGBT的两电平H桥变换电路，所述基于IGBT的两电平H桥变换电路主要由支撑电容(61)、IGBT及反并联二极管(62)、电流传感器(63)和输出熔断器(64)组成。
9.根据权利要求5或7所述的系统，其特征在于，
所述功率模块采用基于IGBT或IGCT的三电平H桥变换电路；
所述基于IGBT的三电平H桥变换电路主要由支撑电容(71)、箝位二极管(72)、IGBT及反并联二极管(73)、电流传感器(74)和输出熔断器(75)组成；
所述基于IGCT的三电平H桥变换电路主要由吸收电容(81)、DC-LINK环节限流电感(82)、DC-LINK环节二极管(83)、DC-LINK环节电阻(84)、箝位二极管(85)、IGCT及反并联二极管(86)、电流传感器(87)和输出熔断器(88)组成。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述的列车方向及位置检测单元包括三对传感器，具体包括传感器J1和传感器J1’、传感器J2和传感器J2’及传感器J3和传感器J3’；
传感器J1和传感器J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边；
传感器J2和传感器J2’分别安装在属于中性段中间区域的铁轨两边；
传感器J3和传感器J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述的列车方向及位置检测单元包括四对传感器，具体包括传感器J1和传感器J1’、传感器J21和传感器J21’、传感器J22和传感器J22’及传感器J3和传感器J3’；
传感器J1和传感器J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边；
传感器J21和传感器J21’分别安装在属于中性段靠近JY1关节区域的铁轨两边；
传感器J22和传感器J22’分别安装在属于中性段靠近JY2关节区域的铁轨两边；
传感器J3和传感器J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边；
列车正向行驶时，采用传感器J1和传感器J1’、传感器J22和传感器J22’及传感器J3和传感器J3’三对传感器作为检测单元；当列车反向行驶时，采用传感器J1和传感器J1’、传感器J21和传感器J21’及传感器J3和传感器J3’三对传感器作为检测单元。
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