CN110611330B - 混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源及协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源及协同控制方法，该电源的两组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输入侧并联后连接一个断路器、接入电气化铁路牵引供电网络，其中一组的单相三相电能变换单元的输出侧均串联一个断路器后并联至另一个断路器、连接与同步发电机驱动连接的同步电动机；另一组的单相三相电能变换单元的输出侧和同步发电机的输出侧均串联一个断路器后并连接至另一个断路器、接入负荷供电网络；还有一个断路器并联在单相三相电能变换单元的输出侧所并联至的另一个断路器和同步发电机输出侧所串联的断路器两端；利用本协同控制方法实现容量扩展、高效率实现、检修、电能质量补偿、继电保护选择等功能。

Description

混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源及协同控制方法

技术领域

本发明属于电气化铁路电力电源变换技术领域，尤其涉及一种混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源及协同控制方法。

背景技术

铁路净化电源是一种将铁路牵引27.5kV单相电转换为铁路电力10kV三相电的电能变换装置。该电能变换装置解决了铁路电力建设过程中遇到的电源匮乏、传统电源价格高昂问题；同时在发达地区解决了传统电源所需要的一系列走廊建设，节省了大批土地，节约了资源。在偏远地带，解决了电源引进难度大，无电源可用的难题。但是，随着我国铁路建设规模逐步扩大，高速铁路、重载铁路建设逐步增多，铁路电力电源的容量需求也逐步扩大，而原有净化电源装置存在着电源容量增大时设计难度变大，不能支持大电流短路时为继电保护提供选择性的问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种不但解决了缺乏电源保障或电力建设电源成本高昂的问题，还解决了大容量电源需求场合下容量扩大的难题，同时解决了大电流短路时为继电保护提供选择性的难题的铁路净化电源，此外该铁路净化电源还具有可扩展性和电能质量补偿能力，提高了电源的利用效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源，包括两组单相三相电能变换单元组、若干个断路器、同步电动机M和同步发电机G，而且两组单相三相电能变换单元组由两台以上单相三相电能变换单元组成，两组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输入侧并联后连接一个断路器、作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输入侧接入电气化铁路牵引供电网络；其中一组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输出侧均串联一个断路器后并联至另一个断路器、与同步电动机M相连，所述同步电动机M与同步发电机G驱动连接；另一组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输出侧和同步发电机G的输出侧均串联一个断路器后并连接至另一个断路器、作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输出侧接入负荷供电网络；同时还有一个断路器并联在其中一组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输出侧所并联至的另一个断路器和同步发电机G输出侧所串联的断路器两端。

进一步地，其中一组单相三相电能变换单元组包括单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n，另一组单相三相电能变换单元组包括单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm，所述断路器包括断路器QFi、断路器QF0到QFn、断路器QFm、断路器QFb0到QFbm、断路器QFj、断路器QF_L；其中，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的输入侧并联，输出侧通过断路器QF0到QFn并联，并联后通过断路器QFm与同步电动机M驱动连接，同步电动机M与同步发电机G相连；同时，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输入侧并联，输出侧通过断路器QFb1到QFbm并联；而且，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n和单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输入侧并联后通过断路器QFi接入电气化铁路牵引供电网络，且断路器QFi的输入作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输入；所述同步发电机G和单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输出侧分别通过断路器QFb0和断路器QFb1到QFbm进行并联，且并联后通过断路器QF_L接入负荷供电网络，所述断路器QFm、同步电动机M、同步发电机G和断路器QFb0两端并联断路器QFj，所述断路器QF_L的输出侧作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输出侧。

进一步地，所述单相三相电能变换单元由单相多绕组变压器、AC-DC-AC型功率单元、LCR-T型滤波器组成，所述单相多绕组变压器的多个低压绕组接入AC-DC-AC功率单元的输入侧，所述AC-DC-AC功率单元的输出侧采用级联方式构成三相星型接法的级联逆变器，所述级联逆变器的输出侧接入LCR-T型滤波器，所述LCR-T型滤波器的输出侧作为单相三相电能变换单元的输出侧。

进一步地，所述同步电动机M和同步发电机G之间为同轴刚性连接。

进一步地，所述同步电动机M的驱动轴与同步发电机G的转轴同轴心且传动连接。

一种混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源的协同控制方法，包括序号并网功能控制方法、功率输送功能控制方法、检修控制方法、短路电流抵流控制方法、电能质量控制方法；其中，

序号并网功能控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n，编号分别为RESPS_0、RESPS_1……RESPS_n，令编号为RESPS_0的单相三相电能变换单元作为电压源电源，编号RESPS_1……RESPS_n作为电流源电源向编号为RESPS_0的单相三相电能变换单元输出的电压并网输送功率；当编号RESPS_0的单相三相电能变换单元损坏时，编号为RESPS_1的单相三相电能变换单元从电流源电源转换为电压源电源，编号RESPS_2……RESPS_n作为电流源电源向编号为RESPS_1的单相三相电能变换单元输出的电压并网输送功率；依次类推实现单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的序号控制并网；

功率输送功能控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n利用序号并网功能向同步电动机供电，同步电动机M通过同轴刚性连接带动同步发电机发电G，同步发电机G发出的电压作为支撑电压，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向同步发电机G发出的电压并网输送功率；

检修控制方法具体为：断开断路器QFm和断路器QFb0，同时闭合断路器QFj，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n利用序号并网功能直接通过断路器QF_L向负荷网络供电，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向序号并网功能下的电压并网输送能量，同步电动机M和同步发电机G断电隔离进行检修；

短路电流抵流控制方法具体为：正常运行时，混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置工作在功率输送功能；当负荷侧发生大电流短路故障时，同步发电机G具有较大惯性可以提供系统电压，此时单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向系统内注入无功电流，短路后的线路阻抗变得较小，此时线路阻抗和电源阻抗进行分流，短路电流由部分无功电流提供，降低混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的有功输出，实现短路电流抵流控制；

电能质量控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向装置内注入补偿电流，负荷侧存在的三相有功不平衡、谐波电流、无功电流，通过单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm注入序分量电流、反向谐波电流、反向无功电流，流入到同步发电机G或者检修控制方法下的电压源系统为纯净有功电流实现电能质量补偿控制。

有益效果

本发明通过采用上述技术方案，其容量即可以实现从小到大扩展，电能质量补偿实现了高效率运行，同步发电机实现了提供强力电压支撑，大电流短路时实现了继电保护的选择性，解决了缺乏电源保障或电力建设电源成本高昂的问题和大容量电源需求场合下容量扩大的难题，以及大电流短路时为继电保护提供选择性的难题，同时该铁路净化电源还具有可扩展性和电能质量补偿能力，极大地提高了电源的利用效率，功能十分强大，使用灵活，扩展方便简单，适用场合更广。

附图说明

图1是本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源实施例的结构示意图；

图2是本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源实施例中单相三相电能变换单元的结构示意图；

图3是本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源实施例中单相三相电能变换单元RESPS的AC-DC-AC单元结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源包括两组单相三相电能变换单元组、若干个断路器、同步电动机M和同步发电机G，而且两组单相三相电能变换单元组由两台以上单相三相电能变换单元组成，两组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输入侧并联后连接一个断路器、作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输入侧接入电气化铁路牵引供电网络；其中一组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输出侧均串联一个断路器后并联至另一个断路器、与同步电动机M相连，所述同步电动机M与同步发电机G相连；另一组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输出侧和同步发电机G的输出侧均串联一个断路器后并连接至另一个断路器、作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输出侧接入负荷供电网络；同时还有一个断路器并联在其中一组单相三相电能变换单元组的单相三相电能变换单元的输出侧所并联至的另一个断路器和同步发电机G输出侧所串联的断路器两端。

具体结构可以为：如图1所示，本发明实施例所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源，包括有两组单相三相电能变换单元组、若干个断路器、同步电动机M和同步发电机G；其中一组单相三相电能变换单元组包括单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n(n代表n个)，另一组单相三相电能变换单元组包括单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm(m代表m个)，所述断路器包括断路器QFi、断路器QF0到QFn、断路器QFm、断路器QFb0到QFbm、断路器QFj、断路器QF_L。其中，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的输入侧并联，输出侧通过断路器QF0到QFn并联，并联后通过断路器QFm与同步电动机M相连，同步电动机M与同步发电机G相连(即：同步电动机M和同步发电机G之间为同轴刚性连接，具体可以为，所述同步电动机M的驱动轴与同步发电机G的转轴同轴心且传动连接，比如：同步电动机M的驱动轴与同步发电机G的转轴通过联轴器驱动连接。)；同时，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输入侧并联，输出侧通过断路器QFb1到QFbm并联；而且，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n和单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输入侧并联后通过断路器QFi接入电气化铁路牵引供电网络，且断路器QFi的输入作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输入；所述同步发电机G和单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输出侧分别通过断路器QFb0和断路器QFb1到QFbm进行并联，且并联后通过断路器QF_L接入负荷供电网络，所述断路器QFm、同步电动机M、同步发电机G和断路器QFb0两端并联断路器QFj，所述断路器QF_L的输出侧作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输出侧。

如图2和3所示，所述单相三相电能变换单元由单相多绕组变压器、AC-DC-AC型功率单元、LCR-T型滤波器组成，所述单相多绕组变压器的多个低压绕组接入AC-DC-AC功率单元的输入侧，所述AC-DC-AC功率单元的输出侧采用级联方式构成三相星型接法的级联逆变器，所述级联逆变器的输出侧接入LCR-T型滤波器，所述LCR-T型滤波器的输出侧作为单相三相电能变换单元的输出侧。

当然，所述单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n个数可根据容量需求进行扩展增多，同时所述单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm个数可根据容量需求进行扩展增多。

本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源的协同控制方法，包括序号并网功能控制方法、功率输送功能控制方法、检修控制方法、短路电流抵流控制方法、电能质量控制方法。其中，

序号并网功能控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n，编号分别为RESPS_0、RESPS_1……RESPS_n，令编号为RESPS_0的单相三相电能变换单元作为电压源电源，编号RESPS_1……RESPS_n作为电流源电源向编号为RESPS_0的单相三相电能变换单元输出的电压并网输送功率；当编号RESPS_0的单相三相电能变换单元损坏时，编号为RESPS_1的单相三相电能变换单元从电流源电源转换为电压源电源，编号RESPS_2……RESPS_n作为电流源电源向编号为RESPS_1的单相三相电能变换单元输出的电压并网输送功率；依次类推实现单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的序号控制并网。

功率输送功能控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n利用序号并网功能向同步电动机供电，同步电动机M通过同轴刚性连接带动同步发电机发电G，同步发电机G发出的电压作为支撑电压，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向同步发电机G发出的电压并网输送功率。

检修控制方法具体为：断开断路器QFm和断路器QFb0，同时闭合断路器QFj，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n利用序号并网功能直接通过断路器QF_L向负荷网络供电，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向序号并网功能下的电压并网输送能量，同步电动机M和同步发电机G断电隔离进行检修。

短路电流抵流控制方法具体为：正常运行时，混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置工作在功率输送功能；当负荷侧发生大电流短路故障时，同步发电机G具有较大惯性可以提供系统电压，此时单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向系统内注入无功电流，短路后的线路阻抗变得较小，此时线路阻抗和电源阻抗进行分流，短路电流由部分无功电流提供，降低混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的有功输出，实现短路电流抵流控制。

电能质量控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向装置内注入补偿电流，负荷侧存在的三相有功不平衡、谐波电流、无功电流，通过单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm注入序分量电流、反向谐波电流、反向无功电流，流入到同步发电机G或者检修控制方法下的电压源系统为纯净有功电流实现电能质量补偿控制。

将本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源及其协同控制方法应用到电气化铁路时，其从铁路净化电源气化铁路的牵引侧取电，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n为同步电动机M供电，同步电动机M驱动同步发电机G发电向负荷网络供电，并利用单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm并网提供能量；同时利用本发明协同控制方法中的序号并网功能控制方法、功率输送功能控制方法、检修控制方法、短路电流抵流控制、电能质量控制方法，实现了单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的控制，功率输送控制，同步电动机M和同步发电机G的检修，大电流短路时的短路电流抵流控制为继电保护提供选择性，通过单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm实现电能质量提高电源的运行效率，实现了净化电源装置容量可扩展性、高效率实现性、便于检修性、电能质量补偿、继电保护选择性等多种功能。

这样，通过本发明所述混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源及其协同控制方法，其容量即可以实现从小到大扩展，电能质量补偿实现了高效率运行，同步发电机实现了提供强力电压支撑，大电流短路时实现了继电保护的选择性，具有构思巧妙，实现方式灵活，实现方法简单的优势。

以上所述是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰,如对绕组个数的增减，各类型单元个数的增减等，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源，其特征在于：包括第一组单相三相电能变换单元组、第二组单相三相电能变换单元组、若干个断路器、同步电动机M和同步发电机G，而且第一组单相三相电能变换单元组包括单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n，第二组单相三相电能变换单元组包括单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm，所述断路器包括断路器QFi、断路器QF0到QFn、断路器QFm、断路器QFb0到QFbm、断路器QFj、断路器QF_L；其中，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的输入侧并联，输出侧通过断路器QF0到QFn并联，并联后通过断路器QFm与同步电动机M相连，同步电动机M与同步发电机G驱动连接；同时，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输入侧并联，输出侧通过断路器QFb1到QFbm并联；而且，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n和单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输入侧并联后通过断路器QFi接入电气化铁路牵引供电网络，且断路器QFi的输入作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输入；所述同步发电机G和单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm的输出侧分别通过断路器QFb0和断路器QFb1到QFbm进行并联，且并联后通过断路器QF_L接入负荷供电网络，所述断路器QFm、同步电动机M、同步发电机G和断路器QFb0两端并联断路器QFj，所述断路器QF_L的输出侧作为混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的输出侧，接入负荷供电网络。

2.根据权利要求1所述的混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源，其特征在于：所述单相三相电能变换单元由单相多绕组变压器、AC-DC-AC型功率单元、LCR-T型滤波器组成，所述单相多绕组变压器的多个低压绕组接入AC-DC-AC功率单元的输入侧，所述AC-DC-AC功率单元的输出侧采用级联方式构成三相星型接法的级联逆变器，所述级联逆变器的输出侧接入LCR-T型滤波器，所述LCR-T型滤波器的输出侧作为单相三相电能变换单元的输出侧。

3.根据权利要求1所述的混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源，其特征在于：所述同步电动机M和同步发电机G之间为同轴刚性连接。

4.根据权利要求3所述的混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源，其特征在于：所述同步电动机M的驱动轴与同步发电机G的转轴同轴心且传动连接。

5.一种混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源的协同控制方法，其特征在于：包括序号并网功能控制方法、功率输送功能控制方法、检修控制方法、短路电流抵流控制方法、电能质量控制方法；其中，

序号并网功能控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n，编号分别为RESPS_0、RESPS_1……RESPS_n，令编号为RESPS_0的单相三相电能变换单元作为电压源电源，编号RESPS_1……RESPS_n作为电流源电源向编号为RESPS_0的单相三相电能变换单元输出的电压并网输送功率；当编号RESPS_0的单相三相电能变换单元损坏时，编号为RESPS_1的单相三相电能变换单元从电流源电源转换为电压源电源，编号RESPS_2……RESPS_n作为电流源电源向编号为RESPS_1的单相三相电能变换单元输出的电压并网输送功率；依次类推实现单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n的序号控制并网；

功率输送功能控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n利用序号并网功能向同步电动机供电，同步电动机M通过同轴刚性连接带动同步发电机发电G，同步发电机G发出的电压作为支撑电压，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向同步发电机G发出的电压并网输送功率；

检修控制方法具体为：断开断路器QFm和断路器QFb0，同时闭合断路器QFj，单相三相电能变换单元RESPS_0到RESPS_n利用序号并网功能直接通过断路器QF_L向负荷网络供电，单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向序号并网功能下的电压并网输送能量，同步电动机M和同步发电机G断电隔离进行检修；

短路电流抵流控制方法具体为：正常运行时，混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置工作在功率输送功能；当负荷侧发生大电流短路故障时，同步发电机G具有较大惯性可以提供系统电压，此时单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向系统内注入无功电流，短路后的线路阻抗变得较小，此时线路阻抗和电源阻抗进行分流，短路电流由部分无功电流提供，降低混合式可扩展容量的多功能铁路净化电源装置的有功输出，实现短路电流抵流控制；

电能质量控制方法具体为：单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm作为电流源电源向装置内注入补偿电流，负荷侧存在的三相有功不平衡、谐波电流、无功电流，通过单相三相电能变换单元RESPS_b1到RESPS_bm注入序分量电流、反向谐波电流、反向无功电流，流入到同步发电机G或者检修控制方法下的电压源系统为纯净有功电流实现电能质量补偿控制。

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