CN108767875B - 一种虚拟同相供电系统及供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种虚拟同相供电系统及供电方法，包括设置在牵引变电所内的铁路电能质量调节器；铁路电能质量调节器一端连接A相供电臂，另一端连接B相供电臂；还包括多个电池储能模块，电池储能模块一端与级联H桥地面过电分相装置连接，另一端连接铁路电能质量调节器；级联H桥地面过电分相装置连接中性段；本发明通过铁路电能质量调节器与基于电池储能级联多电平地面过电分相装置的有效配合，实现对列车而言的贯通供电并解决铁路牵引供电系统的电能质量问题，并可以大大降低现有基于铁路电能质量调节器同相供电系统中电力电子装置的容量，节约成本。

Description

一种虚拟同相供电系统及供电方法
技术领域
本发明涉及铁路牵引供电系统，具体涉及一种虚拟同相供电系统及供电方法。
背景技术
单相工频牵引供电系统由牵引变电所和牵引供电网构成，牵引变电所将电力系统的三相110kV或220kV供电通过牵引变压器降压成27.5kV，再供给牵引网，如图1所示。根据变电所供电能力的大小、接触网架设环境以及电磁兼容要求等条件，交流牵引供电系统可以采用不同的供电方式；传统的牵引接触网供电方式有直接供电方式、吸流变压器(Booster-Transformer，BT)供电方式和并联自耦变压器(Auto-Transformer，AT)供电方式；其中，AT供电方式和直接供电方式(尤其是加回流线的直接供电方式)的很多特点更能满足电力牵引的要求。
由于电力机车为单相负载并且普遍采用电力电子装置，因此工频单相牵引供电系统普遍存在无功、负序、谐波等问题；为了解决这些问题，研究人员提出了各种方法，其中铁路电能质量调节器(Railway Power Conditioner，RPC)是其中比较有效的手段；RPC的拓扑结构如图2所示，RPC采用两个电压源变流器，通过共用直流侧电容形成背靠背结构，两个电压源变流器的交流侧通过变压器分别并联接入两供电臂；通过背靠背变流装置，可以在两供电臂之间转移有功功率，并分别独立补偿无功功率和有源滤波，使得两供电臂负荷实时平衡，从而消除负序电流，并实现无功补偿和有源滤波；2002年日本研制成功应用于Scott牵引变压器的20MVA/60kV的RPC系统，并在新干线投入运行；运行效果表明，RPC能有效抑制牵引供电系统电压波动、减少三相电压不平衡，并具有无功补偿和有源谐波功能；但是RPC不能消除变电所内部存在的电分相，仍然需要采取相应的措施确保列车安全通过电分相。
我国学者提出了利用平衡变压器并结合有源滤波器，实现了同相供电；理论上可以证明最节省对称补偿容量的技术方案是采用平衡变压器和有功补偿装置(Active PowerCompensator，APC)，如图3所示，它能取消牵引变电所出口处的电分相；该系统利用APC装置实现了牵引变压器电流平衡、无功补偿和滤除负载谐波的功能，能够实现同一牵引变电所内两个牵引供电臂电压的同相位，从而消除变电所内部的电分相；该系统已经在我国眉山供电段得到了应用，但该方案中相邻两个变电所之间的电分相依然存在；另外，我国牵引变电所两桥臂电压相差π/3或者π/2，采用APC进行补偿时，其额定容量为牵引供电臂的容量，存在造价高的问题。
发明内容
本发明提供一种能有效抑制牵引供电系统电压波动、减少三相电压不平衡、实现无功补偿和有源谐波功能，同时又能实现对列车而言的贯通式供电的虚拟同相供电系统及供电方法。
本发明采用的技术方案是：一种虚拟同相供电系统，包括设置在牵引变电所内的铁路电能质量调节器；铁路电能质量调节器一端连接A相供电臂，另一端连接B相供电臂；还包括多个电池储能模块，电池储能模块分别与级联H桥地面过电分相装置、铁路电能质量调节器；电池储能模块与级联H桥地面过电分相装置中级联H桥逆变器的级联H桥子模块的支撑电容并联，电池储能模块与铁路电能质量调节器的中间支撑电容并联。级联H桥地面过电分相装置连接中性段。
进一步的，所述级联H桥地面过电分相装置包括级联H桥逆变器，级联H桥逆变器包括多个级联H桥子模块HB。
进一步的，所述铁路电能质量调节器为模块化电力电子装置的铁路电能质量调节器。
进一步的，所述铁路电能质量调节器低压侧为并联和一侧并联另一侧级联H桥方式中的一种。
进一步的，所述铁路电能质量调节器中间直流电压与地面过电分相装置的级联H桥子模块HB的直流电压参考值相等。
进一步的，所述铁路电能质量调节器的模块数量与地面过电分相装置的子模块数量相等。
一种虚拟同相供电系统的供电方法，包括以下步骤：
列车以牵引工况运行，当其运行于牵引供电臂下时，铁路电能质量调节器工作并为电池储能模块充电；
当列车运行于分相区时，电池储能模块经级联H桥逆变器为中性段供电，电池放电；
列车以再生工况运行，当其运行于牵引供电臂下时，铁路电能质量调节器工作并为电池储能模块放电；
列车运行于分相区时，电池储能模块经级联H桥逆变器从中性段取电，电池充电，从而完成列车的供电。
本发明的有益效果是：
(1)本发明可以利用较小的变流器容量实现对列车而言的贯通供电并避免列车带载通过电分相时对接触网及电力机车产生冲击；
(2)本发明可实现牵引供电系统的负序治理、无功补偿、谐波抑制等功能，提高其工程应用价值；
(3)本发明可灵活的实现列车再生制动能量的回收。
附图说明
图1为工频单相牵引供电系统示意图。
图2为铁路电能质量调节器的系统结构拓扑图。
图3为基于平衡变压器和有功补偿装置的同相牵引供电系统结构示意图。
图4为基于地面过电分相和铁路电能质量调节器的同相供电系统电气原理示意图。
图5为基于本发明中电池储能模块和级联H桥地面过电分相装置的连接关系示意图。
图6为电池储能模块的结构示意图。
图7为级联H桥子模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种虚拟同相供电系统，包括设置在牵引变电所内的铁路电能质量调节器；铁路电能质量调节器一端连接A相供电臂，另一端连接B相供电臂；还包括多个电池储能模块，电池储能模块分别与级联H桥地面过电分相装置、铁路电能质量调节器；电池储能模块与级联H桥地面过电分相装置中级联H桥逆变器的级联H桥子模块的支撑电容并联，电池储能模块与铁路电能质量调节器的中间支撑电容并联。级联H桥地面过电分相装置连接中性段。
进一步的，级联H桥地面过电分相装置包括级联H桥逆变器，级联H桥逆变器包括多个级联H桥子模块HB。
进一步的，所述铁路电能质量调节器为模块化电力电子装置的铁路电能质量调节器。
进一步的，所述铁路电能质量调节器低压侧为并联和一侧并联另一侧级联H桥方式中的一种。
进一步的，所述铁路电能质量调节器中间直流电压与地面过电分相装置的级联H桥子模块HB的直流电压参考值相等。
进一步的，所述铁路电能质量调节器的模块数量与地面过电分相装置的子模块数量相等。
一种虚拟同相供电系统的供电方法，包括以下步骤：
列车以牵引工况运行，当其运行于牵引供电臂下时，铁路电能质量调节器工作并为电池储能模块充电；
当列车运行于分相区时，电池储能模块经级联H桥逆变器为中性段供电，电池放电；
列车以再生工况运行，当其运行于牵引供电臂下时，铁路电能质量调节器工作并为电池储能模块放电；
列车运行于分相区时，电池储能模块经级联H桥逆变器从中性段取电，电池充电，从而完成列车的供电。
本发明是针对现有技术的缺点，提供基于地面过电分相和铁路电能质量调节器的虚拟同相供电系统；针对三相-两相变换的单相铁路牵引供电系统，实现对列车而言的贯通式供电并避免列车带载通过电分相时对接触网及电力机车产生冲击；在达到基于平衡变压器和APC装置的同相供电效果前提下，大大降低变流器系统的容量；能有效抑制牵引供电系统电压波动、减少三相电压不平衡、实现无功补偿和有源谐波功能；在牵引变电所内设置采用模块化电力电子装置的铁路电能质量调节器，其一端与A相供电臂相连，另一端与B相供电臂相连；多个电池储能模块一端与铁路电能质量调节器模块化电力电子装置的中间直流侧并联，另一端与级联H桥子模块HB的支撑电容相连；级联H桥逆变器与中性段相连；通过铁路电能质量调节器与地面过电分相装置的有效配合，实现对列车而言的贯通供电并解决铁路牵引供电系统的电能质量问题。
铁路电能质量调节器的模块数量与级联H桥地面过电分相装置的模块数一致，两者的中间直流电压相等；本发明中的电池储能模块包括滤波电抗器、接触器、限流电阻、快速熔断器以及电池单元，其中电池单元与快速熔断器F串联，随后分成两路与相应的中间直流电压连接：一路经过直流接触器K5，限流充电电阻R1、直流接触器K3，或者直流接触器K1，经过滤波器L1后与电能质量调节器的子模块电压Urpc并联；另一路经过直流接触器K6，限流充电电阻R2、直流接触器K4，或者直流接触器K2，经过滤波器L2后与级联H桥变流器的子模块电压Uhb并联。
发明通过设计基于地面过电分相和铁路电能质量调节器的虚拟同相供电系统，在实现电力机车(动车组)而言的同相供电以及铁路牵引供电系统负序治理、无功补偿以及谐波抑制等基础上，显著降低了同相供电系统的变流器容量、降低了系统成本，有利于工程实现。

Claims (7)

1.一种虚拟同相供电系统，其特征在于，包括设置在牵引变电所内的铁路电能质量调节器；铁路电能质量调节器一端连接A相供电臂，另一端连接B相供电臂；还包括多个电池储能模块，电池储能模块分别与级联H桥地面过电分相装置、铁路电能质量调节器连接；级联H桥地面过电分相装置连接中性段；所述电池储能模块与级联H桥地面过电分相装置中级联H桥逆变器的级联H桥子模块的支撑电容并联，所述电池储能模块与铁路电能质量调节器的中间支撑电容并联。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟同相供电系统，其特征在于，所述级联H桥地面过电分相装置包括级联H桥逆变器，级联H桥逆变器包括多个级联H桥子模块HB。
3.根据权利要求1所述的一种虚拟同相供电系统，其特征在于，所述铁路电能质量调节器为模块化电力电子装置的铁路电能质量调节器。
4.根据权利要求3所述的一种虚拟同相供电系统，其特征在于，所述铁路电能质量调节器低压侧为并联和一侧并联另一侧级联H桥方式中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种虚拟同相供电系统，其特征在于，所述铁路电能质量调节器中间直流电压与地面过电分相装置的级联H桥子模块HB的直流电压参考值相等。
6.根据权利要求3所述的一种虚拟同相供电系统，其特征在于，所述铁路电能质量调节器的模块数量与地面过电分相装置的子模块数量相等。
7.如权利要求2所述的一种虚拟同相供电系统的供电方法，其特征在于，包括以下步骤：
列车以牵引工况运行，当其运行于牵引供电臂下时，铁路电能质量调节器工作并为电池储能模块充电；
当列车运行于分相区时，电池储能模块经级联H桥逆变器为中性段供电，电池放电；
列车以再生工况运行，当其运行于牵引供电臂下时，铁路电能质量调节器工作并为电池储能模块放电；
列车运行于分相区时，电池储能模块经级联H桥逆变器从中性段取电，电池充电，从而完成列车的供电。
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