CN109347099B - 一种电气化铁路同相供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路同相供电系统，涉及交流电气化铁路供电技术领域。该同相供电系统包括用于提供同相供电系统的电力系统的三相高压母线、用于将电力系统的线电压变送至牵引网母线的牵引变压器、用于补偿并治理电力机车负载带来的负序功率和三相电网不平衡的三相补偿变压器和三相补偿装置、用于计算牵引网母线的负序功率以及向所述三相补偿装置传输信息的协调控制单元，其中，所述三相高压母线与所述牵引变压器连接，所述三相补偿变压器与所述三相高压母线连接，所述三相补偿装置与所述三相补偿变压器连接，所述协调控制单元与所述三相补偿装置连接。因此，本发明不仅能实现铁路全线同相供电且取消电分相，还有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，同时，能够解决电气化铁路电力机车负荷造成的以三相系统负序为主的电能质量问题。

Description

一种电气化铁路同相供电系统

技术领域

本发明涉及交流电气化铁路供电领域，尤其涉及一种电气化铁路同相供电系统。

背景技术

我国电气化铁道普遍采用单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能平衡，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。分相分区处的相邻供电区间便形成分相绝缘器，称为电分相或分相。为防止电力机车带电通过电分相因燃弧而烧坏接触网悬挂部件，甚至导致相间短路等事故，随着列车速度的不断升高，在司机无法手动进行退级、关辅助机组、断主断路器、靠列车惯性驶过中性段、再合主断路器、合辅助机组、进级恢复牵引功率来完成过分相的情况下，采用了自动过分相技术，主要有地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等几种，但仍存在开关切换中列车通过电分相的暂态电气过程，易产生较大的操作过电压或过电流，造成牵引网与车载设备烧损等事故，影响供电可靠性和列车安全运行。因此，电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相成为了高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。

高速和重载铁路已广泛采用基于IGBT、IGCT等全控性器件的大功率交-直-交型电力机车或动车组，其核心是多组四象限PWM控制和多重化控制的牵引变流器，在实际运行中谐波含量小，功率因数接近1，但交-直-交型电力机车或动车组牵引功率大，如大编组运行的单车高速动车组其额定功率达25MW(相当普速铁路5列车)，这些大量开行的大功率单相负荷对三相电网造成的日益严重的以三相电压不平衡度(负序)为主的电能质量问题不能不受到重视。

理论和实践表明采用同相供电技术可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度(负序)限值为主的电能质量要求，有利于促进电力与铁路的和谐发展。

发明内容

本发明目的是提供了一种电气化铁路同相供电系统，不仅能实现铁路全线同相供电且取消电分相，还有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，同时，能够解决电气化铁路电力机车负荷造成的以三相系统负序为主的电能质量问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案具体如下：

一种电气化铁路同相供电系统，所述同相供电系统包括用于提供同相供电系统的电力系统的三相高压母线、用于将电力系统的线电压变送至牵引网母线的牵引变压器、用于补偿并治理电力机车负载带来的负序功率和三相电网不平衡的三相补偿变压器和三相补偿装置、用于计算牵引网母线的负序功率以及向所述三相补偿装置传输信息的协调控制单元，其中，所述三相高压母线与所述牵引变压器连接，所述三相补偿变压器与所述三相高压母线连接，所述三相补偿装置与所述三相补偿变压器连接，所述协调控制单元与所述三相补偿装置连接。

优选地，所述三相补偿装置包括第一补偿单元、第二补偿单元、……、以及第N补偿单元，其中n等于N；所述第一补偿单元、第二补偿单元、……、以及第N补偿单元相互并联。

进一步优选地，所述协调控制单元包括第一电压互感器、、第二电压互感器、电流互感器和控制器；所述控制器的输入端分别与所述第一电压互感器的测量端、所述第二电压互感器的测量端、所述电流互感器的测量端连接，所述控制器输出端分别与所述第一补偿单元、第二补偿单元、……、以及第N补偿单元的控制端连接。

更进一步优选地，所述第一电压互感器连接于所述三相高压母线的A相和B相，所述第二电压互感器连接于所述三相高压母线的B相和C相。

具体地，所述电流互感器原边与所述三相高压母线的A相连接，其次边与所述牵引变压器原边一端连接。

优选地，所述牵引变压器的原边与所述三相高压母线中的A相和B相连接；所述牵引变压器的次边一端通过钢轨接地，其另一端引至牵引网母线连接。

进一步优选地，所述第一补偿单元、第二补偿单元、……、以及第N补偿单元为三相交直变流器。

优选地，所述牵引变压器为单相接线变压器或YNd11接线变压器。

优选地，所述三相补偿变压器为YNd11接线变压器或V/V接线变压器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、在本发明所述系统中三相补偿装置只产生负序分量，即可治理电网负序以满足三相电压不平衡度，而不改牵引变电所牵引网的有功潮流；

二、本发明所述系统提出主要由牵引变压器、三补偿变压器和三相补偿装置构成的新式组合，提高了牵引变电所运行的灵活性；当三相补偿装置退出运行时，牵引变压器可以利用其过负荷能力，短时单独工作，不影响线路正常供电和运行，并可以取消牵引变电所出口处的电分相环节；

三、本发明可在既有的单相供电牵引变电所的基础上，增加补偿变压器和三相补偿装置，结构简单，性能优越，易于实现。

四、本发明所述系统中三相补偿装置可以按容量并联运行，从而易于补偿容量的扩展。

附图说明

图1是本发明实施例所述电气化铁路同相供电系统的结构示意图。

图2是本发明实施例所述协调控制单元与三相补偿装置之间关系结构示意图。

具体实施方式

为了更好理解本发明创造，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种电气化铁路同相供电系统，所述同相供电系统包括用于提供同相供电系统的电力系统的三相高压母线HB、用于将电力系统的线电压变送至牵引网母线OCS的牵引变压器TT、用于补偿并治理电力机车负载带来的负序功率和三相电网不平衡的三相补偿变压器MT和三相补偿装置NC、用于计算牵引网母线OCS的负序功率以及向所述三相补偿装置NC传输信息的协调控制单元MC，其中，所述三相高压母线HB与所述牵引变压器TT连接，所述三相补偿变压器MT与所述三相高压母线HB连接，所述三相补偿装置NC与所述三相补偿变压器MT连接，所述协调控制单元MC与所述三相补偿装置NC连接。在本发明实施例中所述牵引变压器TT为单相接线变压器，所述三相补偿变压器MT为YNd11接线平衡变压器。除此之外，所述三相补偿变压器MT还可以为V/V接线变压器等任意一种。

一般而言，以在同相供电系统中牵引变电所的牵引变压器TT接线方式中最简捷、最经济的单相牵引变压器或YNd11接线变压器为基础，在必要时配以适量的同相(对称)补偿装置，达到取消牵引变电所出口处电分相以消除供电瓶颈，治理负序以满足三相电压不平衡度(负序)限值的电能质量要求，有利于实现牵引变电所接线方式和供电装置容量的最佳匹配。

在本发明实施例中，所述三相补偿装置NC包括第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……、以及第N补偿单元AD_n；所述第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……、以及第N补偿单元AD_n相互并联。在本发明实施例中所述第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……、以及第N补偿单元AD_n为三相交直变流器。在本发明实施例中，N等于n，且为正整数。

结合图2所示，所述协调控制单元MC包括第一电压互感器PT₁、第二电压互感器PT₂、电流互感器CT和控制器CC；所述控制器CC的输入端分别与所述第一电压互感器PT₁的测量端、所述第二电压互感器PT₂的测量端、所述电流互感器CT的测量端连接，所述控制器CC输出端分别与所述第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……、以及第N补偿单元AD_n的控制端连接。继续如图1和图2所示，所述第一电压互感器PT₁连接于所述三相高压母线HB的A相和B相，所述第二电压互感器PT₂连接于所述三相高压母线HB的B相和C相。所述电流互感器CT原边与所述三相高压母线HB的A相连接，其次边与所述牵引变压器TT原边一端连接。所述牵引变压器TT的原边与所述三相高压母线HB中的A相和B相连接；所述牵引变压器TT的次边一端通过钢轨R接地，其另一端引至牵引网母线OCS连接。

因此，本发明所述同相供电系统采用单相接线的牵引变压器TT和采用YNd11三相接线或者V/V接线等的三相补偿变压器MT，其中三相补偿装置NC由N个三相交直变流器并联构成，所述三相补偿装置NC的交流侧与所述三相补偿变压器MT的次边连接；所述牵引变压器为牵引网母线OCS供电，协调控制单元MC计算牵引网母线OCS的负序功率，然后传输给三相补偿装置NC，三相补偿变压器MT和三相补偿装置NC用来补偿治理电力机车单相负载带来的负序功率以及电网电压不平衡。必要时，三相补偿装置NC还可提供牵引负荷所需的无功功率和谐波补偿电流。

在本发明实施例中三相补偿变压器MT和三相补偿装置NC用来补偿治理电力机车单相负载带来的负序功率以及电网电压不平衡的综合补偿方法具体步骤说明如下：

(1)协调控制单元MC先读取三相高压母线上的第一电压互感器PT₁的电压值和第二电压互感器PT₂的电压值和电流互感器CT的电流值，再计算出三相高压母线的电压和牵引负载电流/>最后通过瞬时功率理论计算牵引母线上的有功功率P_L和无功功率Q_L。(2)为了补偿牵引负荷在三相高压母线上引入的的负序电流分量和正序电流无功分量，基于瞬时功率理论并按完全补偿的条件，即三相补偿装置完全补偿负序电流分量和正序电流无功分量，电源只提供牵引负荷的有功功率，可得三相高压母线进线处的有功功率P_HB＝P_L，无功功率Q_HB＝0，结合三相高压母线的电压/>可计算出三相高压母线进线处的总电流/> (3)根据基尔霍夫电流定律，三相高压母线进线处的总电流减去牵引母线上的电流，即可得到三相补偿装置NC需要补偿的电流(三相补偿变压器MT原边电流)，其中/>(4)根据三相补偿变压器MT的类型和绕组连接方式可知三相补偿变压器MT原边电流幅值、相位与其次边电流幅值、相位的折算关系，然后将三相补偿变压器MT原边电流/>折算到三相补偿变压器MT次边得到/>在本发明实施例中假设三相补偿变压器MT的电压变比为K，其原边与副边的电流相位角度差为θ，三相补偿变压器MT的原边电流/>的相位角分别为/>幅值分别为M_A、M_B、M_C，则三相补偿变压器MT的原边电流折算到副边可得到：/>(5)根据瞬时功率理论将/>折算成三相补偿装置NC需要补偿的负序电流和正序无功电流。(6)将折算成三相补偿装置NC需要补偿的负序电流和正序无功电流以三相补偿装置NC中补偿单元的数量均分成每台补偿单元的电流指令，并传递给每台补偿单元。(7)当每台补偿单元接收的电流指令大于每台补偿单元的最大容量对应电流时，每台补偿单元按其最大容量运行。

综上所述，本发明所述同相供电系统能实现铁路全线同相供电而无需分相，保证机车的高速、重载运行；同时，该系统能消除铁路牵引负荷对公用电网电能的负序、无功和谐波影响。由于本发明所采用三相补偿变压器与多个三相交直变流器连接方式，有利于降低成本和方便实施。

Claims (7)

1.一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述同相供电系统包括用于提供同相供电系统的电力系统的三相高压母线(HB)、用于将电力系统的线电压变送至牵引网母线(OCS)的牵引变压器(TT)、用于补偿并治理电力机车负载带来的负序功率和三相电网不平衡的三相补偿变压器(MT)和三相补偿装置(NC)、用于计算牵引网母线(OCS)的负序功率以及向所述三相补偿装置(NC)传输信息的协调控制单元(MC)，其中，所述三相高压母线(HB)与所述牵引变压器(TT)连接，所述三相补偿变压器(MT)与所述三相高压母线(HB)连接，所述三相补偿装置(NC)与所述三相补偿变压器(MT)连接，所述协调控制单元(MC)与所述三相补偿装置(NC)连接；

所述三相补偿装置(NC)包括第一补偿单元(AD₁)、第二补偿单元(AD₂)、……、以及第N补偿单元(AD_n)；所述第一补偿单元(AD₁)、第二补偿单元(AD₂)、……、以及第N补偿单元(AD_n)相互并联；

所述第一补偿单元(AD₁)、第二补偿单元(AD₂)、……、以及第N补偿单元(AD_n)为三相交直变流器；

所述牵引变压器(TT)的原边与所述三相高压母线(HB)中的A相和B相连接。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述协调控制单元(MC)包括第一电压互感器(PT₁)、第二电压互感器(PT₂)、电流互感器(CT)和控制器(CC)；所述控制器(CC)的输入端分别与所述第一电压互感器(PT₁)的测量端、所述第二电压互感器(PT₂)的测量端、所述电流互感器(CT)的测量端连接，所述控制器(CC)输出端分别与所述第一补偿单元(AD₁)、第二补偿单元(AD₂)、……、以及第N补偿单元(AD_n)的控制端连接。

3.根据权利要求2所述的一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述第一电压互感器(PT₁)连接于所述三相高压母线(HB)的A相和B相，所述第二电压互感器(PT₂)连接于所述三相高压母线(HB)的B相和C相。

4.根据权利要求2或3所述的一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述电流互感器(CT)原边与所述三相高压母线(HB)的A相连接，其次边与所述牵引变压器(TT)原边一端连接。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述牵引变压器(TT)的次边一端通过钢轨(R)接地，其另一端引至牵引网母线(OCS)连接。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述牵引变压器(TT)为单相接线变压器或YNd11接线变压器。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种电气化铁路同相供电系统，其特征在于，所述三相补偿变压器(MT)为YNd11接线变压器或V/V接线变压器。