CN108189712B - 一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，包括：高压开关单元，对与α相、β相牵引母线和牵引供电臂相关的高压电源进行开断；地面电分相连续供电变流装置，包括α相侧、β相侧单相多绕组整流变压器，逆变变压器和三端口四象限变流器，所述三端口四象限变流器对接入的α相和β相牵引母线电源进行交‑直‑交变换，通过所述逆变变压器的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向电分相中性段N供电；列车方向及位置检测单元，用于检测列车方向及位置。本发明能够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、过电流冲击等。

Description

一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路接触网牵引供电技术领域，更具体地，涉及一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统。

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的中性电气分相的隔离区，称为电分相。接触网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，更是因此带来至少高达80多千伏操作过电压，有可能引发列车高压设备损伤或故障，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

为了解决现有过分相系统存在的换相过程中中性段还是会存在无电死区，进而给列车带来过电压和过电流冲击的问题，本发明提供一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统。

本发明提供一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，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，包括第一断路器QF1、第二断路器QF2和第三断路器QF3；所述第一断路器QF1的馈入母线连接α相牵引母线，所述第一断路器QF1的馈出母线连接α相侧单相多绕组整流变压器T1的高压绕组A端子；所述第二断路器QF2的馈入母线连接β相牵引母线，所述第二断路器QF2的馈出母线连接β相侧单相多绕组整流变压器T2的高压绕组A端子；所述第三断路器QF3的馈入母线连接逆变变压器T3的高压绕组C端子，所述第三断路器QF3的馈出母线连接接触网电分相中性段N；

地面电分相连续供电变流装置，包括所述α相侧单相多绕组整流变压器T1、所述β相侧单相多绕组整流变压器T2、所述逆变变压器T3和三端口四象限变流器BLQ；所述三端口四象限变流器BLQ对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再通过所述逆变变压器T3的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电；

列车方向及位置检测单元，包括计轴位置传感器和信号处理机，所述计轴位置传感器将列车轮轴信号发送给所述信号处理机，所述信号处理机根据所述列车轮轴信号检测列车的行驶方向以及到达的位置。

其中，所述α相侧单相多绕组整流变压器T1和β相侧单相多绕组整流变压器T2均设置有一个原边高压绕组、n个次边低压绕组和一个次边高压绕组；所述逆变变压器T3设置有m个原边低压绕组和一个次边高压绕组；所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组、β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕和所述逆变变压器T3的次边高压绕组串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电，其中，n和m均为大于1的自然数。

其中，所述三端口四象限变流器BLQ包括：通过所述α相侧单相多绕组整流变压器T1磁场并联运行的n个功率模块所组成的α相侧整流变换单元2，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器T2磁场并联运行的n个功率模块所组成的β相侧整流变换单元4，通过所述逆变变压器T3磁场并联运行的m个功率模块所组成的逆变变换单元6和直流母线单元3；

所述α相侧整流变换单元2的n个功率模块的交流端与α相侧单相多绕组整流变压器T1的n个次边低压绕组的输出端连接，所述β相侧整流变换单元4的n个功率模块的交流端与β相侧单相多绕组整流变压器T2的n个次边低压绕组的输出端连接，所述逆变变换单元6的m个功率模块的交流端与逆变变压器T3的m个原边低压绕组连接。

其中，每个所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。

其中，每个所述功率模块均采用基于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，每个所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块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，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。

其中，每个所述功率模块均采用基于IGBT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。

其中，每个所述功率模块均采用基于IGCT的三电平H桥变换电路，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，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元8组成，所述三端口四象限变流子单元8包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元8的三种功率模块直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元9。

其中，所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元10组成，所述三端口四象限变流子单元10包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元10的三种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联以及负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元11。

其中，所述列车方向及位置检测单元采用第一计轴位置传感器J1和J1’，第二计轴位置传感器J2和J2’以及第三计轴位置传感器J3和J3’共三对传感器作为检测单元，其中第一计轴位置传感器J1和J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边，第二计轴位置传感器J2和J2’分别安装在属于中性段中间区域的铁轨两边，第三计轴位置传感器J3和J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。

其中，所述列车方向及位置检测单元包含第一计轴位置传感器J1和J1’，第四计轴位置传感器J21和J21’，第五计轴位置传感器J22和J22’以及第三计轴位置传感器J3和J3’共四对传感器，其中第一计轴位置传感器J1和J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边，第四计轴位置传感器J21和J21’分别安装在属于中性段靠近第一分相关节JY1区域的铁轨两边，第五计轴位置传感器J22和J22’分别安装在属于中性段靠近第二分相关节JY2区域的铁轨两边，第三计轴位置传感器J3和J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边；当列车正向行驶时，采用第一计轴位置传感器J1和J1’，第五计轴位置传感器J22和J22’以及第三计轴位置传感器J3和J3’作为检测单元；当列车反向行驶时，采用第一计轴位置传感器J1和J1’，第四计轴位置传感器J21和J21’以及第三计轴位置传感器J3和J3’作为检测单元。

本发明提出的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，以先进的电力电子变流装置及特种变压器作为核心部件，能够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、过电流冲击等。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的电气化铁路地面柔性自动过分相系统的结构示意图；

图2为本发明一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为根据本发明另一实施例提供的电气化铁路地面柔性自动过分相系统的结构示意图；

图4为根据本发明另一实施例提供的地面电分相连续供电变流装置的拓扑结构示意图；

图5为根据本发明另一实施例提供的功率模块的结构示意图；

图6为根据本发明另一实施例提供的地面电分相连续供电变流装置的拓扑结构示意图；

图7为根据本发明另一实施例提供的功率模块的结构示意图；

图8为根据本发明另一实施例提供的功率模块的结构示意图；

图9为根据本发明另一实施例提供的地面电分相连续供电变流装置的拓扑结构示意图；

图10为根据本发明另一实施例提供的地面电分相连续供电变流装置的拓扑结构示意图。

附图标记：QF1—第一断路器，QF2—第二断路器，QF3—第三断路器，T1—α相侧单相多绕组整流变压器，T2—β相侧单相多绕组整流变压器，T3—逆变变压器，N—接触网电分相中性段，BLQ—三端口四象限变流器，JY1—第一分相关节，JY2—第二分相关节，J1、J1’—第一计轴位置传感器，J2、J2’—第二计轴位置传感器，J3、J3’—第三计轴位置传感器，J21、J21’—第四计轴位置传感器，J22、J22’—第五计轴位置传感器，1—α相侧单相多绕组整流变压器T1，2—α相侧整流变换单元，3—直流母线单元，4—β相侧整流变换单元，5—β相侧单相多绕组整流变压器T2，6—逆变变换单元，7—逆变变压器T3，8—三端口四象限变流子单元，9—直流母线子单元，10—三端口四象限变流子单元，11—直流母线子单元，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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的实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种地面柔性自动过分相系统，属于铁路地面自动过分相领域，系统适用于牵引变电所，可用于铁路列车地面不断电自动过分相、电气化铁路柔性供电、柔性过分相、虚拟同相供电等领域。

如图1所示，为本发明一实施例提供的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统的结构示意图，包括：高压开关单元、地面电分相连续供电变流装置和列车方向及位置检测单元。

其中，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。其中，本发明实施例所述系统中TF1、TF2分别为α相牵引供电臂、β相牵引供电臂，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相牵引供电臂TF1和β相牵引供电臂TF2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。

所述高压开关单元包括三台高压断路器QF1、QF2和QF3，及其配套隔离开关，阻容吸收器RC，以及与之配套的隔离开关，用于信号检测的电流互感器，电压互感器和综保装置等，所述第一断路器QF1的馈入母线连接α相牵引母线，所述第一断路器QF1的馈出母线连接α相侧单相多绕组整流变压器T1的高压绕组A端子；所述第二断路器QF2的馈入母线连接β相牵引母线，所述第二断路器QF2的馈出母线连接β相侧单相多绕组整流变压器T2的高压绕组A端子；所述第三断路器QF3的馈入母线连接逆变变压器T3的高压绕组C端子，所述断路器QF3的馈出母线连接接触网电分相中性段N；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QF2、QF3(包括与其配套的隔离开关)分断，系统投入时，闭合断路器QF1和QF2还有断路器QF3也需闭合，将α牵引母线和β相牵引母线接入地面电分相连续供电装置，断路器QF3将地面电分相连续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，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。本发明实施方式中阻容吸收器RC接在第三断路器QF3的馈出母线上，这只是一种较佳实施方式，也可根据需要将阻容吸收器RC接在第三断路器QF3的馈入母线上。

地面电分相连续供电变流装置，包括所述α相侧单相多绕组整流变压器T1、所述β相侧单相多绕组整流变压器T2、所述逆变变压器T3和三端口四象限变流器BLQ；所述三端口四象限变流器BLQ对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再通过所述逆变变压器T3的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电。

其中，所述α相侧单相多绕组整流变压器T1和β相侧单相多绕组整流变压器T2均设置有一个原边高压绕组AX，n个次边低压绕组a1x1、a2x2、…、anxn和一个次边高压绕组wx；所述逆变变压器T3设置有m个原边低压绕组c1x1、c2x2、…、cmxm和一个次边高压绕组CX；所述α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组wx、β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕wx和所述逆变变压器T3的次边高压绕组CX串联后合成电压向接触网电分相中性段N供电，其中，n和m均为大于1的自然数。

α相侧单相多绕组整流变压器T1的原边高压绕组AX的A端子连接断路器QF1的馈出母线，X端子接大地。β相侧单相多绕组整流变压器T2的原边高压绕组AX的A端子连接断路器QF2的馈出母线，X端子接大地。α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组wx的x端子连接逆变变压器T3的次边高压绕组CX的C端子。β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕组wx的w端子连接逆变变压器T3的次边高压绕组CX的X端子。β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边高压绕组wx的x端子接大地。α相侧单相多绕组整流变压器T1的次边高压绕组wx的w端子连接断路器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，α相侧单相多绕组整流变压器T1、β相侧单相多绕组整流变压器T2的次边也可设计其它辅助绕组，比如用来对其进行预充磁等。

其中，所述三端口四象限变流器BLQ包括：通过所述α相侧单相多绕组整流变压器T1磁场并联运行的n个功率模块所组成的α相侧整流变换单元2，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器T2磁场并联运行的n个功率模块所组成的β相侧整流变换单元4，通过所述逆变变压器T3磁场并联运行的m个功率模块所组成的逆变变换单元6和直流母线单元3；

所述α相侧整流变换单元2的n个功率模块的交流端与α相侧单相多绕组整流变压器T1的n个次边低压绕组a1x1,a2x2,…,anxn输出端连接，所述β相侧整流变换单元4的n个功率模块的交流端与β相侧单相多绕组整流变压器T2的n个次边低压绕组a1x1,a2x2,…,anxn输出端连接，所述逆变变换单元6的m个功率模块的交流端与逆变变压器T3的m个原边低压绕组c1x1,c2x2,…,cmxm连接。

如图4所示为地面电分相连续供电变流装置的一种实现方式的拓扑结构示意图，包括：α相侧单相多绕组整流变压器T11、通过所述α相侧单相多绕组整流变压器T11磁场并联运行的n个功率模块PM(PM1,PM2,...,PMn)组成的交流-直流(AC/DC)α相侧整流变换单元2，直流母线单元3，所述β相侧单相多绕组整流变压器T25，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器T25磁场并联运行的n个功率模块PM组成的交流-直流(AC/DC)β相侧整流变换单元4，逆变变压器T37和通过所述逆变变压器T37磁场并联运行的m个功率模块PM(PM1,PM2,...,PMm)组成的直流-交流(DC/AC)逆变变换单元6。其中，每个所述功率模块PM均采用两电平H桥变换电路，将α相侧整流变换单元2、β相侧整流变换单元4、逆变变换单元6的所有功率模块PM的直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联，形成一个公共的正、负直流母线单元3。

T1、T2变压器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和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三端口四象限变流器BLQ的α相侧整流单元的交流输入端和β相侧整流单元的的交流输入端，这两组整流功率模块分别通过T1和T2变压器的磁场并联高频整流运行，得到直流母线电压，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，适时地启动m个通过逆变变压器T3的磁场并联运行的逆变功率模块工作输出电压，连接到单相多绕组逆变变压器T3的m个原边低压交流绕组，在T3变压器次边高压绕组上输出一相电压后再与T1、T2变压器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，在列车过分相期间为中性段连续供电。

在上述实施例的基础上，如图5所示，为本发明另一实施例提供的一种功率模块的结构示意图，每个所述功率模块均采用基于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。每个上述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。

如图6所示，为本发明另一实施例提供的地面电分相连续供电变流装置的一种改进实现方式的拓扑结构示意图，其中，功率模块采用三电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块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，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。那么，所有功率模块的直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联、负直流母线并联，形成一个公共的正、零、负直流母线单元3。

如图7所示，为所述三电平H桥变换电路的一种结构示意图，是基于IGBT的二极管箝位型三电平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和输出熔断器75组成。

如图8所示，为本发明另一实施例提供的三电平H桥变换电路的结构示意图，是基于IGCT二极管箝位型的三电平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和输出熔断器88组成。

值得说明的是，本发明的功率模块有两电平H桥变换电路和三电平H桥变换电路两种电路形式，具体实施时两电平功率模块的开关器件选取IGBT器件，三电平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，也可以是其它满足功能的开关器件，如IEGT、智能IPM模块等。另外，功率模块典型结构中的主要器件并不局限上述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。

作为对所述地面电分相连续供电变流装置的一种改进，还可以将公共直流母线设计改为n个独立的直流母线。

如图9所示，当功率模块为两电平H桥变换电路时，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，使逆变变换单元6的功率模块数量m与整流变换单元(即α相侧整流变换单元2和β相侧整流变换单元4)的功率模块数量n相等，则所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元8组成，其中，所述三端口四象限变流子单元8包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将每个所述三端口四象限变流子单元8的这三种功率模块直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元9，最终形成n个独立的直流母线子单元9。

如图10所示，当功率模块为三电平H桥变换电路时，每个功率模块的直流侧有一个正直流母线、一个零直流母线和一个负直流母线，使逆变变换单元的功率模块数量m与整流变换单元(即α相侧整流变换单元2和β相侧整流变换单元4)的功率模块数量n相等，则所述三端口四象限变流器BLQ由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元10组成，其中，所述三端口四象限变流子单元10包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块组成，将每个所述三端口四象限变流子单元10的这三种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联以及负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元11，最终形成n个独立的直流母线子单元11。

上述各种直流母线单元还包括支撑电容、直流放电电路、以及其他具有检测功能的电路等组成部分。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权利要求的保护范围内。

列车方向及位置检测单元，包括列车位置传感器和信号处理机，所述列车位置传感器将列车轮轴信号发送给所述信号处理机，所述信号处理机根据所述列车轮轴信号检测列车的行驶方向以及到达的位置。

具体地，所述列车方向及位置检测单元采用第一计轴位置传感器J1和J1’，第二计轴位置传感器J2和J2’以及第三计轴位置传感器J3和J3’共三对传感器作为检测单元，其中第一计轴位置传感器J1和J1’分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边，第二计轴位置传感器J2和J2’分别安装在属于中性段中间区域的铁轨两边，第三计轴位置传感器J3和J3’分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。如图1所示，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，上述列车方向及位置检测单元的一种改进实施方式是采用J1和J1’、J21和J21’、J22和J22’、J3和J3’共四对传感器，其中J1和J1’一对传感器安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边，J21和J21’一对传感器安装在属于中性段靠近分相关节JY1区域的铁轨两边，J22和J22’一对传感器安装在属于中性段靠近分相关节JY2区域的铁轨两边，J3和J3’一对传感器安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。改进的地面柔性自动过分相系统如图3所示，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。列车正向行驶时，采用J1和J1’、J22和J22’、J3和J3’三对传感器作为检测单元；当列车反向行驶时，采用J1和J1’、J21和J21’、J3和J3’三对传感器作为检测单元。

图2为本发明的列车过分相中性段供电电压移相矢量图；下面结合图1和图2对来说明上述各实施例所述的地面柔性自动过分相系统的工作原理，如下：

①T1和T2变压器的高压原边绕组与次边wx绕组按变比k进行设计，当QF1和QF2合闸后，T1和T2变压器的wx绕组输出电压的相位分别与α相牵引供电臂和β相牵引供电臂相同，即

且U₁＝kU_α，U₂＝kU_β，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和T2变压器的wx绕组串联后的合成电压，即

②当列车达到A点(J1位置)时，启动电力电子变流器输出电压，T3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相牵引供电臂供电。

③当列车受电弓到达B点时，中性段与α相牵引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相牵引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相牵引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相牵引供电臂电压同步，列车由地面电分相连续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相牵引供电臂电压为控制目标，控制T3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相牵引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相牵引供电臂电压同步，即列车由中性段供电。

⑥当列车受电弓到达E点时，开始控制电力电子变流器的电流下降，β相牵引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相牵引供电臂同时供电。

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相牵引供电臂电压同步。

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和J1’、J22和J22’、J3和J3’三对传感器作为检测单元，按上述原理控制地面电分相连续供电变流装置。当列车反向行驶时，采用J1和J1’、J21和J21’、J3和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连续供电变流装置。

本发明提出的一种电气化铁路地面柔性自动过分相系统，以先进的电力电子变流装置及特种变压器作为核心部件，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；且列车过分相期间无过电压、过电流冲击，无电弧产生；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；将电分相两端的牵引供电臂连接起来，可对左右两牵引供电臂进行功率融通控制，实现外部三相电网的负序电流抑制。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

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：

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，包括第一断路器(QF1)、第二断路器(QF2)和第三断路器(QF3)；所述第一断路器(QF1)的馈入母线连接α相牵引母线，所述第一断路器(QF1)的馈出母线连接α相侧单相多绕组整流变压器(T1)的高压绕组A端子；所述第二断路器(QF2)的馈入母线连接β相牵引母线，所述第二断路器(QF2)的馈出母线连接β相侧单相多绕组整流变压器(T2)的高压绕组A端子；所述第三断路器(QF3)的馈入母线连接逆变变压器(T3)的高压绕组C端子，所述第三断路器(QF3)的馈出母线连接接触网电分相中性段(N)；

地面电分相连续供电变流装置，包括所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)、所述β相侧单相多绕组整流变压器(T2)、所述逆变变压器(T3)和三端口四象限变流器(BLQ)；所述三端口四象限变流器(BLQ)对接入的α相和β相牵引母线电源进行交-直-交变换，再通过所述逆变变压器(T3)的高压绕组输出一路单相电源后与所述α相侧和β相侧单相多绕组整流变压器的次边高压串联后合成电压向接触网电分相中性段(N)供电；

列车方向及位置检测单元，包括计轴位置传感器和信号处理机，所述计轴位置传感器将列车轮轴信号发送给所述信号处理机，所述信号处理机根据所述列车轮轴信号检测列车的行驶方向以及到达的位置；

其中，所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)和β相侧单相多绕组整流变压器(T2)均设置有一个原边高压绕组、n个次边低压绕组和一个次边高压绕组；所述逆变变压器(T3)设置有m个原边低压绕组和一个次边高压绕组；所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)的次边高压绕组、β相侧单相多绕组整流变压器(T2)的次边高压绕组和所述逆变变压器(T3)的次边高压绕组串联后合成电压向接触网电分相中性段(N)供电，其中，n和m均为大于1的自然数；

其中，所述三端口四象限变流器(BLQ)包括：通过所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)磁场并联运行的n个功率模块所组成的α相侧整流变换单元(2)，通过所述β相侧单相多绕组整流变压器(T2)磁场并联运行的n个功率模块所组成的β相侧整流变换单元(4)，通过所述逆变变压器(T3)磁场并联运行的m个功率模块所组成的逆变变换单元(6)和直流母线单元(3)；

所述α相侧整流变换单元(2)的n个功率模块的交流端与所述α相侧单相多绕组整流变压器(T1)的n个次边低压绕组的输出端连接，所述β相侧整流变换单元(4)的n个功率模块的交流端与β相侧单相多绕组整流变压器(T2)的n个次边低压绕组的输出端连接，所述逆变变换单元(6)的m个功率模块的交流端与逆变变压器(T3)的m个原边低压绕组连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块的负直流母线并联形成一个总的公共负直流母线。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，每个所述功率模块均采用基于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。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，每个所述功率模块的直流侧均包含一个正直流母线、一个零电平直流母线和一个负直流母线，所有功率模块的正直流母线并联形成一个总的公共正直流母线，所有功率模块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，所有功率模块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4所述的系统，其特征在于，每个所述功率模块均采用基于IGBT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。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，每个所述功率模块均采用基于IGCT的三电平H桥变换电路，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。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率模块均采用两电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器(BLQ)由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元(8)组成，所述三端口四象限变流子单元(8)包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元(8)的三种功率模块直流侧的正直流母线并联、负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元(9)。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率模块均采用三电平H桥变换电路，且功率模块数量m与n相等，所述三端口四象限变流器(BLQ)由n个电气上完全独立的三端口四象限变流子单元(10)组成，所述三端口四象限变流子单元(10)包括一个α相侧整流功率模块、一个β相侧整流功率模块和一个逆变侧功率模块，将所述三端口四象限变流子单元(10)的三种功率模块直流侧的正直流母线并联、零直流母线并联以及负直流母线并联得到一个公共的直流母线子单元(11)。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述列车方向及位置检测单元采用第一计轴位置传感器(J1)和(J1’)，第二计轴位置传感器(J2)和(J2’)以及第三计轴位置传感器(J3)和(J3’)共三对传感器作为检测单元，其中第一计轴位置传感器(J1)和(J1’)分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边，第二计轴位置传感器(J2)和(J2’)分别安装在属于中性段中间区域的铁轨两边，第三计轴位置传感器(J3)和(J3’)分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述列车方向及位置检测单元包含第一计轴位置传感器(J1)和(J1’)，第四计轴位置传感器(J21)和(J21’)，第五计轴位置传感器(J22)和(J22’)以及第三计轴位置传感器(J3)和(J3’)共四对传感器，其中第一计轴位置传感器(J1)和(J1’)分别安装在属于α相牵引供电臂区域的铁轨两边，第四计轴位置传感器(J21)和(J21’)分别安装在属于中性段靠近第一分相关节(JY1)区域的铁轨两边，第五计轴位置传感器(J22)和(J22’)分别安装在属于中性段靠近第二分相关节(JY2)区域的铁轨两边，第三计轴位置传感器(J3)和(J3’)分别安装在属于β相牵引供电臂区域的铁轨两边；当列车正向行驶时，采用第一计轴位置传感器(J1)和(J1’)，第五计轴位置传感器(J22)和(J22’)以及第三计轴位置传感器(J3)和(J3’)作为检测单元；当列车反向行驶时，采用第一计轴位置传感器(J1)和(J1’)，第四计轴位置传感器(J21)和(J21’)以及第三计轴位置传感器(J3)和(J3’)作为检测单元。

Images