CN108725216B - 基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，包括：Scott接线牵引变压器以及平衡供电装置；其中，Scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；Scott接线牵引变压器的次边第一输出绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连，次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端和次边第三组输出绕组中的次边第三输出绕组的供电输出端与平衡供电装置相连；平衡供电装置，控制平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡；能够实现三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响。

Description

基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统及方法

技术领域

本发明涉及牵引供电技术领域，特别涉及一种基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统及方法。

背景技术

牵引供电负荷是一种单相、不对称、频繁波动和非线性负荷，由于电力机车工况的复杂性，其牵引负荷波动频繁、冲击性大，对牵引供电系统和公共电网产生电压波动、负序等一系列不利影响，严重影响牵引网及三相公共电网的供电质量，降低铁路运营的安全性和经济性。牵引变电所的接入采用分段相序轮换供电，可以在一定程度上相互抵消，抑制单相大功率电力机车对整个电网系统造成的不良影响，但单个变电所的公共连接点处依旧存在三相不平衡度超标、电压波动超标等问题，影响其它供电线路下游电能质量敏感负荷的正常运行。目前，还没有一个系统构成简洁、控制方法简单有效的系统可以实现线路牵引供电系统高压进线侧三相实时平衡供电，消除负序、电压波动对共公共连接点处其它线路负荷的不良影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，能够实现三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，包括：Scott接线牵引变压器以及平衡供电装置；其中，

所述Scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；

所述Scott接线牵引变压器的次边第一输出绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连，次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端和次边第三组输出绕组中的次边第三输出绕组的供电输出端与所述平衡供电装置相连；

所述平衡供电装置，用于控制所述平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡。

可选的，所述平衡供电装置包括：第一变流器、直流电容和第二变流器；所述第一变流器的输出端与所述直流电容并联后与所述第二变流器的输入端相连。

可选的，所述原边高压绕组中的原边第二高压绕组的第一端连接在原边第一高压绕组的中间位置；所述原边第一高压绕组与所述次边第一输出绕组和所述次边第二组输出绕组共用铁芯；所述原边第二高压绕组与所述次边第三组输入绕组共用铁芯；所述次边第一输出绕组的容量大于所述次边第二组输出绕组的容量以及大于所述次边第三组输出绕组的容量。

可选的，所述次边第二组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能，和/或，所述次边第三组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能。

可选的，所述次边第二组输出绕组和所述次边第三组输出绕组的供电输出端输出所述平衡供电装置中变流器适用电压。

可选的，所述次边第二输出绕组为次边第二高阻抗输出绕组，和/或，所述次边第三输出绕组为次边第三高阻抗输出绕组。

可选的，所述次边第二组输出绕组具有一组次边第二输出绕组，所述次边第三组输出绕组具有一组次边第三输出绕组。

可选的，本方案还包括：

与三相电源相连的电压互感器，用于检测三相电源的三相母线电压；

设置于所述次边第一输出绕组的第一端的第一电流互感器，用于检测牵引供电线路的电流值。

可选的，本方案还包括：

设置于所述原边高压绕组与所述三相电源相连的三条线路上的三个电流互感器，用于检测三相电源的供电线路电流；

设置于所述次边第二输出绕组的第一端的第二电流互感器，用于检测所述第一变流器的电流值；

设置与所述次边第三输出绕组的第二端的第三电流互感器，用于检测所述第二变流器的电流值。

可选的，本方案还包括：

设置于所述原边高压绕组上的三极断路器。

本发明所提供的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，包括：Scott接线牵引变压器以及平衡供电装置；其中，Scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；Scott接线牵引变压器的次边第一输出绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连，次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端和次边第三组输出绕组中的次边第三输出绕组的供电输出端与平衡供电装置相连；平衡供电装置，用于控制平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡；

可见，该系统利用平衡供电装置实现三相电源侧三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响，保证供电系统安全、可靠运行。

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为本发明实施例所提供的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统的构成示意图；

图2为本发明实施例所提供的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统的主电路示意图；

图3为本发明实施例所提供的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统的原理示意图；

图4为本发明实施例所提供的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统的控制及保护逻辑参数获取示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，能够实现三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响。

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。

本实施例中的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统可用于电气化铁路电力系统，电力机车试验线系统；其中，针对于电气化铁路电力系统由于本实施例中不仅加入了平衡供电装置还仅仅设置一个次边第一输出绕组实现对电力机车的供电，因此该系统可以满足牵引供电系统供电的需求，同时可以实现高压进线侧三相负序治理，还可以取消变电所出口处的分相区，实现同相供电。针对于电力机车试验线系统通过引入的平衡供电装置，系统能够满足电力机车静调/动调试验需求，实现高压110kV侧(以及东北地区66kV)三相实时平衡供电，消除负序和电压波动对共公共连接点处其它供电线路下游敏感负荷的影响，保证供电安全、可靠。同时，本装置工作原理简单有效，一次系统构成简洁，功能和结构分区清晰，检修和维护方便。具体请参考图1，图1为本发明实施例所提供的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统的构成示意图；该系统可以包括：Scott接线牵引变压器(图1中所示的变压器T1)以及平衡供电装置(图1中所示的平衡供电装置BPSD)；其中，

Scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；

Scott接线牵引变压器的次边第一输出绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连，次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端和次边第三组输出绕组中的次边第三输出绕组的供电输出端与平衡供电装置相连；平衡供电装置，控制平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡。

其中，本实施例并不限定次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的个数，也不限定次边第三组输出绕组中的次边第三输出绕组的个数。例如Scott接线牵引变压器的次边两个用于连接变流器的绕组可以为更多数量并联，其数量可以为1～n。图1中仅以一个次边第一输出绕组和一个次边第二输出绕组为例。对应的本实施例也不限定接入到功率平衡子系统中的平衡供电装置的数量，其中，每一个平衡供电装置都会与按照图1中所示的方式与次边第二组输出绕组中对应的次边第二输出绕组供电输出端和次边第三组输出绕组中对应的次边第三输出绕组的供电输出端相连。本实施例中都仅以一组为例进行说明。

本实施例中也不限定具体的平衡供电装置的具体形式。优选的，为了在保证三相平衡效果的同时精简系统部件，本实施例中平衡供电装置可以包括：第一变流器(即1中所示的变流器机组1)、直流电容和第二变流器(即1中所示的变流器机组2)；第一变流器的输出端与直流电容并联后与第二变流器的输入端相连。其中，变流器机组指接口输出的电压、频率、相位等参数可按照控制要求特性变化的变流器设备，能够实现AC/DC的双向转换，开关元件采用全控型器件(IGBT、IGCT、GTO等)。

本实施例中次边第一输出绕组仅为一个，其用来与机车相连的为机车供电的绕组，本实施例中并不限定该绕组的输出电压的具体数值，其可以根据实际电力机车的供电需求进行设置，例如图1中所示的27.5kV。该Scott接线牵引变压器只需输出一组额机车牵引供电电压，因此可以取消现有变电所出口处由于两个单相27.5kV牵引供电输出端相位不同，为防止双边电源短路而在变电所两个27.5kV输出端之间设置的分相区，实现同相供电，降低了运输时长，提高了铁路运能的目的。

其中，由于图1是一种具体的实现方式，图1中T1的原边高压绕组的三个输入端分别与三相电源ABC三相相连。图1中给出的是三个输入端从左到右依次连接A相，B相和C相。但是本实施例并不限定T1接入三相电源的方式，例如也可以是ACB，CBA等等，与之对应的次边第一输出绕组、次边第二组输出绕组和次边第三组输出绕组的同名端对应即可。且本实施例也不对三相电源输入侧的电压数值进行限定，可以根据实际需要进行确定，例如可以是110kV或220kV、330kV等高电压电源。

可选的，原边高压绕组中的原边第二高压绕组的第一端连接在原边第一高压绕组的中间位置；原边第一高压绕组与次边第一输出绕组和次边第二组输出绕组共用铁芯；原边第二高压绕组与次边第三组输入绕组共用铁芯；次边第一输出绕组的容量大于次边第二组输出绕组的容量以及大于次边第三组输出绕组的容量。

具体的，平衡供电装置的功能为根据机车牵引系统的电流，通过控制平衡供电装置中变流器的有功融通及无功输出，实现进线侧三相电流平衡，显著减小进线电流幅值，消除电力机车单相牵引供电导致的负序，避免对同线供电负荷造成影响。本实施例并不限定具体检测机车牵引系统的电流的方式，例如可以利用电流互感器，也可以利用电流传感器等。

参考图1，本实施例中的平衡供电装置具体工作流程可以是：

平衡供电装置根据27.5kV牵引供电回路牵引或制动工况下的电流，计算出牵引供电线路的有功功率P1和无功功率Q1。两个变流器之间转移有功功率P2(0.5*P1)，当电力机车处于牵引工况，第二变流器向第一变流器转移有功功率；当电力机车处于制动工况，则第一变流器向第二变流器转移有功功率；同时第一变流器输出无功功率Q2(等于-Q1，抵消牵引供电线路的无功功率Q1)。利用Scott接线变压器对称变换特性(次边两相负载功率因数和电流幅值相等时，原边三相对称)，通过控制两个变流器间的有功融通以及第一变流器的无功输出，即可实现进线侧三相输入电流相等，功率平衡。

其中，有功融通即有功功率的转移，转移方向既可以是固定单向的，也可以是按照控制策略要求实现双向流动。电力机车处于牵引工况，则第二变流器向第一变流器转移有功功率；电力机车处于制动工况，则第一变流器向第二变流器转移有功功率。

基于上述技术方案，本发明实施例提的电力机车试验线平衡供电系统，该系统可以满足牵引供电系统供电需求，同时能够实现高压进线侧三相平衡供电，有效控制牵引负荷对牵引供电系统和公共电网造成的电压波动、负序等一系列不利影响，显著提高牵引网及三相公共电网的供电质量，以及牵引供电及公共电网运营的安全性和经济性。且可以取消变电所出口处的分相区，实现同相供电，即电力机车及动车组等通过本变电所供电区段时，无需断电降弓或者通过地面自动过分想装置转换，单相平滑连续受流，有效保证了牵引功率的持续发挥；同时，电力机车及动车组等不再存在通过分相区时的速度损失，可以缩短运输时长，充分发挥线路运能。

基于上述实施例，若次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组或次边第三组输出绕组中次边第三输出绕组输出的电压可以直接被平衡供电装置利用，这样平衡供电装置与Scott接线牵引变压器相连的时候不需要设置额外的变压器。这样不仅能够降低系统的损耗(因为直接使用输出电压不需要经过二次变压)，由于少了额外变压器也会降低设备成本，且减少系统的占地面积。因此综上所述本实施例中次边第二组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能，和/或，次边第三组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能。

具体的，这里的次边第二组输出绕组中的各个次边第二输出绕组的输出电压或次边第三组输出绕组中的各个次边第三输出绕组的输出电压可以调节，这样可以便于接入各种设备。例如可以根据实际使用需求接入输入电压不同的平衡供电装置。这样也进一步会减少系统对某一类具有特定输入电压平衡供电装置的依赖。选用平衡供电装置时仅需要考虑使用效果及成本即可。增强了系统的灵活性。

可选的，当接入设备仅为平衡供电装置时次边第二组输出绕组和次边第三组输出绕组的供电输出端输出平衡供电装置中变流器适用电压。例如0.97kv。本实施例并不对具体的变流器适用电压的数值进行限定。

进一步，为了系统效果这里的次边第二组输出绕组的容量可以大于或者等于次边第三组输出绕组的容量。

基于上述任意实施例，若次边第二输出绕组或次边第三输出绕组是低阻抗设计时，其接入平衡供电装置时还需要额外增加电抗器，这样会增加系统的设备投资和增加系统占地面积。因此本实施例中次边第二输出绕组为次边第二高阻抗输出绕组，和/或，次边第三输出绕组为次边第三高阻抗输出绕组。具体的，次边第二高阻抗输出绕组和次边第三高阻抗输出绕组可以直接与平衡供电装置相连。

基于上述任意实施例，由于一般情况下系统内仅仅接入一个平衡供电装置即可。因此本实施例中次边第二组输出绕组具有一组次边第二输出绕组，次边第三组输出绕组具有一组次边第三输出绕组。这样可以在保证实现原有技术效果的同时，进一步精简系统体积，减少系统成本。

基于上述实施例，由于平衡供电装置需要利用牵引供电线路的电流值实现三相平衡的功能，因此请参考图2，本实施例还可以包括：

与三相电源相连的电压互感器(图2中的PT)，用于检测三相电源的三相母线电压；

设置于次边第一输出绕组的第一端的第一电流互感器(图2中的AT4)，用于检测牵引供电线路的电流值。

设置于原边高压绕组与三相电源相连的三条线路上的三个电流互感器(图2中的TA1，TA2，TA3)，用于检测三相电源的供电线路电流；

设置于次边第二输出绕组的第一端的第二电流互感器(图2中的TA5)，用于检测第一变流器的电流值；

设置与次边第三输出绕组的第二端的第三电流互感器(图2中的TA6)，用于检测第二变流器的电流值。

具体的，根据实时检测高压进线侧三相母线电压(来自PT，转换为27.5kV侧电压)，以及27.5kV牵引供电回路系统的电流(来自TA4的测量绕组)，计算27.5kV供电回路的有功及无功，控制两个变流器机组之间的功率融通以及变流器机组1的无功输出，同时实时采集变流器机组1的电流(来自TA5的测量绕组)和变流器机组2(来自TA6的测量绕组)的电流，以及高压进线侧三相母线电流(来自TA1、TA2、TA3的测量绕组)，反馈回控制系统对机组的输出进行实时修正，保证进线侧三相功率平衡。同时，控制装置接收保护装置以及两个变流器机组发送的故障信号，当检测到故障时，停止发送变流器机组1和变流器机组2的控制命令。

基于上述实施例，进一步该系统还可以包括：

设置于原边高压绕组上的三极断路器(图2中的QF1)。

具体的，根据实时检测变流器的状态反馈信号，当检测到任一变流器出现故障时，停止发送变流器的控制命令，并动作于断路器QF1跳闸。以保护系统安全。

下面举例说明上述过程。具体请参考图2。图2中对应的设备说明如表1。

表1设备说明

其工作原理图如图3所示(以110kV为例子)。以各自线电压为参考：变流器机组1的视在功率S₁为：

变流器机组2的视在功率S₂为：

请参考图4，该系统的控制逻辑，保护逻辑具体如下：

控制逻辑，控制装置实时检测高压进线侧三相母线电压(来自PT，转换为27.5kV侧电压)，以及27.5kV牵引供电回路系统的电流(来自TA4的测量绕组)，计算27.5kV供电回路的有功及无功，控制两个变流器机组之间的功率融通以及变流器机组1的无功输出，同时实时采集变流器机组1的电流(来自TA5的测量绕组)和变流器机组2(来自TA6的测量绕组)的电流，以及高压进线侧三相母线电流(来自TA1、TA2、TA3的测量绕组)，反馈回控制系统对机组的输出进行实时修正，保证进线侧三相功率平衡。同时，控制装置接收保护装置以及两个变流器机组发送的故障信号，当检测到故障时，停止发送变流器机组1和变流器机组2的控制命令。

保护逻辑，控制装置实时检测高压母线侧的电压(来自PT)和系统各支路电流(来自TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6的保护绕组)并与保护定值进行比较。若采集的电流值超过设定值，动作于断路器QF1跳闸，同时将故障信号发送至控制系统，停止变流器机组1和变流器机组2的输出。控制装置实时检测两个变流器机组的状态反馈信号，当检测到任一机组出现故障时，封锁IGBT驱动脉冲，停止发送变流器机组1和变流器机组2的控制命令，并动作于断路器QF1跳闸。同时，控制装置还采集了隔离开关QS1的位置信号，作为断路器QF1逻辑软连锁，防止系统检修时误合断路器QF1。

其中，这里的控制装置可以是系统中的处理器也可以是集成在平衡供电装置中的处理器，本实施例并不限定具体的控制装置的位置。

以上对本发明所提供的一种基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，包括：Scott接线牵引变压器以及平衡供电装置；其中，

所述Scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；

所述Scott接线牵引变压器的次边第一输出绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连，次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端和次边第三组输出绕组中的次边第三输出绕组的供电输出端与所述平衡供电装置相连；

所述平衡供电装置，用于控制所述平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡。

2.根据权利要求1所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，所述平衡供电装置包括：第一变流器、直流电容和第二变流器；所述第一变流器的输出端与所述直流电容并联后与所述第二变流器的输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，所述原边高压绕组中的原边第二高压绕组的第一端连接在原边第一高压绕组的中间位置；所述原边第一高压绕组与所述次边第一输出绕组和所述次边第二组输出绕组共用铁芯；所述原边第二高压绕组与所述次边第三组输入绕组共用铁芯；所述次边第一输出绕组的容量大于所述次边第二组输出绕组的容量以及大于所述次边第三组输出绕组的容量。

4.根据权利要求3所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，所述次边第二组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能，和/或，所述次边第三组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能。

5.根据权利要求4所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，所述次边第二组输出绕组和所述次边第三组输出绕组的供电输出端输出所述平衡供电装置中变流器适用电压。

6.根据权利要求5所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，所述次边第二输出绕组为次边第二高阻抗输出绕组，和/或，所述次边第三输出绕组为次边第三高阻抗输出绕组。

7.根据权利要求6所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，所述次边第二组输出绕组具有一组次边第二输出绕组，所述次边第三组输出绕组具有一组次边第三输出绕组。

8.根据权利要求7所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，还包括：

与三相电源相连的电压互感器，用于检测三相电源的三相母线电压；

设置于所述次边第一输出绕组的第一端的第一电流互感器，用于检测牵引供电线路的电流值。

9.根据权利要求2所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，还包括：

设置于所述原边高压绕组与所述三相电源相连的三条线路上的三个电流互感器，用于检测三相电源的供电线路电流；

设置于所述次边第二输出绕组的第一端的第二电流互感器，用于检测所述第一变流器的电流值；

设置与所述次边第三输出绕组的第二端的第三电流互感器，用于检测所述第二变流器的电流值。

10.根据权利要求9所述的基于Scott接线牵引变压器的平衡供电系统，其特征在于，还包括：

设置于所述原边高压绕组上的三极断路器。

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