CN108237923A - 一种柔性供电装置及交流牵引供电系统 - Google Patents

一种柔性供电装置及交流牵引供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了柔性供电装置及交流牵引供电系统，装置包括第一变压器、背靠背变流器、第二变压器，背靠背变流器的输入端与第一变压器相连，背靠背变流器的输出端与第二变压器相连，其特征在于，还包括：变流器、第三变压器和变压器绕组，其中，变流器的直流侧并联于背靠背变流器中第一变流器和第二变流器的直流侧；变流器的交流侧与第三变压器的副边线圈相连；第三变压器的原边线圈的输出端接地，输入端与变压器绕组串联后接入中性段；可以实现列车不断电通过电分相，还利用跨接在两个供电臂之间的背靠背变流器实现铁路功率调节器RPC的功能，使系统处于不断电柔性过分相工况的时间较短，大部分时间工作于RPC工况，极大提升了系统的功能。

Description

一种柔性供电装置及交流牵引供电系统
技术领域
本发明涉及电力机车技术领域，特别涉及一种柔性供电装置及交流牵引供电系统。
背景技术
交流牵引供电系统为了减小注入电力系统的负序电流，采取分段受流、轮换相序的接入方式，因而存在电分相。列车在通过电分相时，无论采用国内外现有的人工切换、柱上自动开关切换、地面自动开关切换，还是机车自动断电切换等国内外现有的方案，都会使列车经历一个时间大于100ms的供电死区，且断电-复电过程易出现系统过电压与过电流，同时供电死区的存在还会造成列车速度损失。
为解决以上问题，目前一种做法是基于背靠背变流器实现无电区的接触网带电，随着列车进入与驶出该段无电区期间，其电压相位逐渐由前一段带电区幅值/相位渐变为后一段带电区的幅值/相位，实现电分相区间两端的柔性过渡。即现有技术中为实现列车柔性通过电分相，都是基于电力电子器件的背靠背变流器接入分相无电区并输出电压幅值与相位可控的电压，以实现电分相两端电压的幅值/相角的柔性过渡，从而实现列车不断电柔性通过电分相，如图1所示。但是该技术有以下缺点：列车功率可高达20MVA以上，该功率必须由背靠背变流器全部承担，由此变流器成本的大幅上升，同时装置可靠性也会降低。
因此，如何克服调频调幅系统变流器容量偏大以及功能单一的制约，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性供电装置及交流牵引供电系统，能够在降低变流器容量的同时，实现多功能综合为一体，从而极大提升系统的经济可行性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种柔性供电装置，应用于交流牵引供电系统，包括第一变压器、背靠背变流器、第二变压器，所述背靠背变流器的输入端与所述第一变压器相连，所述背靠背变流器的输出端与所述第二变压器相连，还包括：变流器、第三变压器和变压器绕组，其中，
所述变流器的直流侧并联于所述背靠背变流器中第一变流器和第二变流器的直流侧；所述变流器的交流侧与所述第三变压器的副边线圈相连；
所述第三变压器的原边线圈的输出端接地，输入端与变压器绕组串联后接入中性段。
可选的，当所述柔性供电装置用于变电所时，所述第三变压器的原边线圈的输入端串联两个变压器绕组后接入中性段。
可选的，当所述柔性供电装置用于分区所时，所述第三变压器的原边线圈的输入端串联一个变压器绕组后接入中性段。
可选的，所述背靠背变流器包括第一变流器、稳压电容和第二变流器；其中，
所述第一变流器的交流侧作为所述背靠背变流器的输入端，所述第一变流器的直流侧与所述稳压电容并联后与所述第二变流器的直流侧连接，所述第二变流器的交流侧作为所述背靠背变流器的输出端。
可选的，所述背靠背变流器还包括滤波器，其中：
所述稳压电容与所述滤波器并联后再与所述第二变流器的直流侧连接。
可选的，所述滤波器为LC滤波器。
可选的，所述背靠背变流器为基于两电平、三电平、H桥级联、MMC中任一型式的背靠背变流器。
本发明还提供一种交流牵引供电系统，包括第一供电臂和第二供电臂，包括：如上述任一项所述的柔性供电装置；其中，
所述柔性供电装置中第一变压器的原边线圈的输入端与所述第一供电臂的输出端连接，所述第一变压器的原边线圈的输出端接地；
所述柔性供电装置中第二变压器的原边线圈的输入端与所述第二供电臂的输入端连接，所述第一变压器的原边线圈的输出端接地。
可选的，本方案还包括：第一位置检测器、第二位置检测器；其中，
当列车到达所述第一位置检测器所在位置时，使所述柔性供电装置进入工作状态；
当列车到达所述第二位置检测器所在位置时，使所述柔性供电装置进入待机状态。
可选的，本方案还包括：第三位置检测器；其中，当列车到达所述第三位置检测器所在位置时，使所述柔性供电装置将所述第二供电臂的供电电压作为控制目标进行调幅移相操作。
本发明所提供的柔性供电装置，应用于交流牵引供电系统，包括第一变压器、背靠背变流器、第二变压器，背靠背变流器的输入端与第一变压器相连，背靠背变流器的输出端与第二变压器相连，还包括：变流器、第三变压器和变压器绕组，其中，变流器的直流侧并联与背靠背变流器中第一变流器和第二变流器的直流侧；变流器的交流侧与第三变压器的副边线圈相连；第三变压器的原边线圈的输出端接地，输入端与变压器绕组串联后接入中性段；
可见，该柔性供电装置使，列车不断电通过变电所或者分区所的电分相；利用背靠背变流器的容量，构成两个供电臂之间的RPC，实现变电所两个供电臂之间负载的平衡，不仅可提升牵引网再生制动能量利用率；减少变压器的容量及相应的容量费；还可有效实现变电所的无功、谐波、负序等电能质量的综合治理。即在降低变流器容量的同时，实现多功能综合为一体，从而极大提升系统的经济可行性。本发明还提供一种交流牵引供电系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术所提供的调频调幅柔性过分相原理示意图；
图2为本发明实施例所提供的柔性供电装置的结构框图；
图3为本发明实施例所提供的变电所中的柔性供电装置的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的分区所中的柔性供电装置的结构示意图；
图5为本发明实施例所提供的变电所中的柔性供电装置的中性段电压的合成原理示意图；
图6为本发明实施例所提供的分区所中的柔性供电装置的中性段电压的合成原理示意图；
图7为本发明实施例所提供的一种背靠背电流器的结构框图；
图8为本发明实施例所提供的交流牵引供电系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种柔性供电装置及交流牵引供电系统，能够在降低变流器容量的同时，实现多功能综合为一体，从而极大提升系统的经济可行性。
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。
柔性供电是指基于电力电子技术在电能的产生、输送与应用各个环节对电能的数量和形态进行快速、精确控制的技术。柔性供电技术实施的核心是电力电子技术，但并不仅限于电力电子技术，储能技术、分布式电源技术、信息处理与控制技术均与之密切相关。
RPC：Railway Power conditioner，铁路功率调节器，采用变流器跨接在交流牵引供电系统变电所的两个供电臂之间，从而实现两个供电臂之间的功率交换的装置。
本实施例利用背靠背变流器实现列车(可以是电力机车、高铁、动车组、城际列车等各种形式的轨道交通车辆)不断电通过变电所或者分区所的电分相；且利用背靠背变流器的容量，构成两个供电臂之间的RPC，实现变电所两个供电臂之间负载的平衡，不仅可提升牵引网再生制动能量利用率；减少变压器的容量及相应的容量费。
现有技术中通过增加两个变压器T1/T2来降低背靠背变流器的容量，虽然系统的容量有所下降，但系统的基本功率仅限于过分相，功能单一。因此本实施例针对调频调幅系统变流器容量偏大以及功能单一的制约的问题，提出了一种在降低变流器容量的同时能够实现多功能综合为一体，从而提升系统的经济可行性的方案，即在现有增加两个变压器T1/T2的降低背靠背变流器的基础上增加变流器、第三变压器和变压器绕组解决上述问题。具体请参考图2，图2为本发明实施例所提供的柔性供电装置的结构框图；应用于交流牵引供电系统，包括第一变压器(T1)10、背靠背变流器20、第二变压器(T2)30、变流器40、第三变压器50和变压器绕组60；其中，
背靠背变流器20的输入端与第一变压器10相连，背靠背变流器20的输出端与第二变压器30相连；
变流器40的直流侧并联于背靠背变流器20中第一变流器10和第二变流器30的直流侧；变流器40的交流侧与第三变压器50的副边线圈相连；
第三变压器50的原边线圈的输出端接地，输入端与变压器绕组60串联后接入中性段。
具体的，本实施例中并不限定变压器绕组60的数量，其可以根据柔性供电装置的具体使用环境进行设定。只要可以保证变流器容量足够小即可。本实施例并不对此进行限定。例如分区所中的柔性供电装置中串联的变压器绕组60的个数就可以小于变电所中的柔性供电装置中串联的变压器绕组60的个数。因为分区所两端的电压幅值与相位相差很小，串接较少的变压器绕组60就可以保证变流器容量足够小(例如串连一个变压器绕组60)，从而相比较变电所中柔性供电装置可以节省变压器绕组60的个数。
优选的，请参考图3，当柔性供电装置用于变电所时，第三变压器的原边线圈的输入端串联两个变压器绕组后接入中性段。
优选的，请参考图4，当柔性供电装置用于分区所时，第三变压器的原边线圈的输入端串联一个变压器绕组后接入中性段。
具体的，由图3和图4可见，分区所子系统仅采用变流器U3输出串接一个变压器绕组再接入中性段；而变电所子系统采用变流器U3输出串接两个变压器绕组再接入中性段，两个柔性供电装置的其他部分完全相同。这是因为分区所两端的电压幅值与相位相差很小，串接一个变压器绕组就可以保证变流器容量足够小，从而节省一个变压器绕组。
本实施例中并不对背靠背变流器可以是可控器件，也可选择不可控器件。本实施例并不对此进行限定。
下面以变电所中的柔性供电装置为例说明上述实施例中具体实现过程：
列车从既定方向驶入变电所，在变电所所前端由变电所馈线供电，当进入分区所无电区时刻，由变压器T1/T2将两者的平均值电压引入作为无电区预备电压UO的电压基值，以T3输出电压UR作为电压相角调节值，当列车接近无电区段时，通过UR的调节，可控制无电区的电压UO与前端供电臂电压Ua一致，列车可以平稳进入原无电区段，无电区段内行驶时，通过UR的调节，可控制原无电区段的电压UO逐步靠近Ub，在列车驶出原无电区前完成该调节，确保列车从原无电区驶入后端供电臂时电压无突变，实现列车的柔性带电通过变电所。其中，变电所中的柔性供电装置的中性段电压的合成原理示意图如图5所示；分区所中的柔性供电装置的中性段电压的合成原理示意图如图6所示。即将前端供电臂电压Ua和后端供电臂电压Ub进行合成得到背靠背变流器的输出电压UR。其中，Ua表示左供电臂电压即前端供电臂电压；Ub表示右供电臂电压即后端供电臂电压；UR表示变流器输出电压。
基于上述技术方案，本发明实施例提的柔性供电装置，可以实现列车不断电通过电分相之外，还可以利用系统的两个跨接在两个供电臂之间的背靠背变流器(T1/U1/U2/T2)实现铁路功率调节器RPC的功能，从而实现两个供电臂之间能量的交换，进一步实现变电所无功、负序、谐波等电能质量治理以及再生制动能量利用率提升等功能。系统处于不断电柔性过分相工况的时间较短，大部分时间可工作于RPC工况，极大提升了系统的功能。采用两个变压器绕组构建中性段基准电压，使得变流器所需输出的容量大幅下降，极大提升了系统的经济性。
基于上述实施例，本实施例中背靠背变流器20可以包括第一变流器、稳压电容和第二变流器；其中，
第一变流器的交流侧作为背靠背变流器的输入端，第一变流器的直流侧与稳压电容并联后与第二变流器的直流侧连接，第二变流器的交流侧作为背靠背变流器的输出端。
具体的，第一变流器U1将第一变压器T1的第一副边线圈输出的电压进行整流，将交流电转化成直流电，经过稳压电容后输出至第二变流器U2，该第二变流器U2将稳压后的直流电转化成交流电输出至第二变压器T2，并根据具体需要对电压的幅值和/或相位进行调整。
需要说明的是，背靠背变流器20的输入侧可以采用可控器件，也可以采用不可控器件，可根据具体情况而定，本发明在此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。
基于上述实施例，可选的，请看考图7，背靠背变流器20还包括滤波器，其中：
稳压电容与滤波器并联后再与第二变流器的直流侧连接。用于对稳压电容输出的的电压进行滤波消除干扰信号，使得到的电压信号更加精确。
具体的，滤波器可以为LC滤波器。
当然，滤波器不仅限于LC滤波器，还可以采用其他形式的滤波器，例如LCL滤波器，其具体形式本发明在此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。
基于上述实施例，背靠背变流器为基于两电平、三电平、H桥级联、MMC中任一型式的背靠背变流器。
当然，背靠背变流器的具体结构形式不仅限于两电平、三电平、H桥级联、MMC，还可以采用其他结构形式的背靠背变流器，本发明在此不做特殊的限定，能实现本发明的目的即可。
基于上述实施例，为了进一步提高柔性供电装置的可靠性，第一变压器可以采用隔离性质的变压器，有利于提高整个分区所的列车过分相区不断电系统的可靠性。
基于上述技术方案，本发明实施例提的柔性供电装置，结合RPC及柔性过分相的柔性供电系统方案，不仅实现了不断电柔性过分相功能，更实现了两个供电臂之间的RPC功能，极大提升了交流牵引供电系统的综合效能。此外还采用了变压器与变流器的符合输出原理，降低了系统的成本和装置体积，提高了系统可靠性。
下面对本发明实施例提供的交流牵引供电系统进行介绍，下文描述的交流牵引供电系统与上文描述的柔性供电装置可相互对应参照。
本发明实施例还提供一种交流牵引供电系统，包括第一供电臂和第二供电臂，包括：如上述任意实施例所述的柔性供电装置；其中，
柔性供电装置中第一变压器的原边线圈的输入端与第一供电臂(即前端供电臂或左供电臂)的输出端连接，第一变压器的原边线圈的输出端接地；
柔性供电装置中第二变压器的原边线圈的输入端与第二供电臂(即后端供电臂或右供电臂)的输入端连接，第一变压器的原边线圈的输出端接地。
基于上述实施例，该系统还可以包括：第一位置检测器、第二位置检测器；其中，
当列车到达第一位置检测器所在位置时，使柔性供电装置进入工作状态；
当列车到达第二位置检测器所在位置时，使柔性供电装置进入待机状态。
基于上述实施例，该系统还可以包括：第三位置检测器；其中，当列车到达第三位置检测器所在位置时，使柔性供电装置将第二供电臂的供电电压作为控制目标进行调幅移相操作。
请参考图8，可初步得到如下时序：
1)当检测到列车到达A点位置时，柔性供电装置输出电压Ui中性段带电，且Ui＝Ua；
2)当列车到达B点位置，柔性供电装置开始输出电流，列车电流逐步转移由柔性供电装置提供，电压相位保持不变；
3)列车到达C点位置之前，柔性供电装置输出电流等于列车电流，列车电流全部由柔性供电装置提供，电压相位保持不变；
4)当检测到列车到达D点位置时，柔性供电装置以Ub为控制目标渐进调幅移相；
5)列车到达E点位置之前，柔性供电装置已完成移相，中性线电压Ui＝Ub，同时柔性供电装置输出电流开始逐步减小；
6)列车到达F点位置之前，柔性供电装置输出电流减小至零，列车全部由B相供电臂提供电流；
7)当检测到列车到达G点位置时，柔性供电装置回到待机状态，中性段不带电。
具体的，上述A、D、G位置分别由上述第一位置检测器、第二位置检测器和第三位置检测器进行检测。上述控制过程可以由交流牵引供电系统中的控制器实现。该控制器可以处于列车中。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种柔性供电装置，应用于交流牵引供电系统，包括第一变压器、背靠背变流器、第二变压器，所述背靠背变流器的输入端与所述第一变压器相连，所述背靠背变流器的输出端与所述第二变压器相连，其特征在于，还包括：变流器、第三变压器和变压器绕组，其中，
所述变流器的直流侧并联于所述背靠背变流器中第一变流器和第二变流器的直流侧；所述变流器的交流侧与所述第三变压器的副边线圈相连；
所述第三变压器的原边线圈的输出端接地，输入端与变压器绕组串联后接入中性段。
2.根据权利要求1所述的柔性供电装置，其特征在于，当所述柔性供电装置用于变电所时，所述第三变压器的原边线圈的输入端串联两个变压器绕组后接入中性段。
3.根据权利要求1所述的柔性供电装置，其特征在于，当所述柔性供电装置用于分区所时，所述第三变压器的原边线圈的输入端串联一个变压器绕组后接入中性段。
4.根据权利要求2或3所述的柔性供电装置，其特征在于，所述背靠背变流器包括第一变流器、稳压电容和第二变流器；其中，
所述第一变流器的交流侧作为所述背靠背变流器的输入端，所述第一变流器的直流侧与所述稳压电容并联后与所述第二变流器的直流侧连接，所述第二变流器的交流侧作为所述背靠背变流器的输出端。
5.根据权利要求4所述的柔性供电装置，其特征在于，所述背靠背变流器还包括滤波器，其中：
所述稳压电容与所述滤波器并联后再与所述第二变流器的直流侧连接。
6.根据权利要求5所述的柔性供电装置，其特征在于，所述滤波器为LC滤波器。
7.根据权利要求6所述的柔性供电装置，其特征在于，所述背靠背变流器为基于两电平、三电平、H桥级联、MMC中任一型式的背靠背变流器。
8.一种交流牵引供电系统，包括第一供电臂和第二供电臂，其特征在于，包括：如权利要求1-7任一项所述的柔性供电装置；其中，
所述柔性供电装置中第一变压器的原边线圈的输入端与所述第一供电臂的输出端连接，所述第一变压器的原边线圈的输出端接地；
所述柔性供电装置中第二变压器的原边线圈的输入端与所述第二供电臂的输入端连接，所述第一变压器的原边线圈的输出端接地。
9.根据权利要求8所述的交流牵引供电系统，其特征在于，还包括：第一位置检测器、第二位置检测器；其中，
当列车到达所述第一位置检测器所在位置时，使所述柔性供电装置进入工作状态；
当列车到达所述第二位置检测器所在位置时，使所述柔性供电装置进入待机状态。
10.根据权利要求9所述的交流牵引供电系统，其特征在于，还包括：第三位置检测器；其中，当列车到达所述第三位置检测器所在位置时，使所述柔性供电装置将所述第二供电臂的供电电压作为控制目标进行调幅移相操作。
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