CN210062722U - 一种电气化铁路同相牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电气化铁路同相牵引供电系统。该同相牵引供电系统包括牵引变压器、补偿匹配变压器、同相补偿装置、储能装置和测控装置，所述牵引变压器原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接；所述补偿匹配变压器原边与所述牵引变压器的次边连接；所述同相补偿装置的交流端与所述补偿匹配变压器次边连接；所述储能装置与所述同相补偿装置的直流端连接；所述测控装置分别与所述同相补偿装置和所述储能装置连接。因此，本实用新型不仅能实现铁路全线同相供电且取消电分相，而且还有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，从而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牵引供电系统

技术领域

本实用新型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牵引供电系统。

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。

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。

显然，以牵引变电所的牵引变压器接线方式中最简捷、最经济的单相牵引变压器为基础，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，实现牵引变电所接线方式和供电装置容量的最佳匹配才是新建铁路实现同相供电的最佳选择。

电气化铁路属于大宗工业用户，牵引负荷存在着剧烈波动，因为负序而造成的电压不平衡为主的电能质量问题尤为突出。GB/T15543-2008电能质量三相不平衡中针对峰值和95％概率最大值制定相关标准，从经济上，负荷峰值与两部分电价有关，由主牵引变压器容量计费和最大需量计费组成。储能的削峰优势将为用户带来直接的经济效益同时可以治理负序，减小谐波。削峰通过降低最大需量或者直接减小主牵引变压器容量进而降低固定容量收费取得经济效益。

实用新型内容

本实用新型目的是提供了一种电气化铁路同相牵引供电系统，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，本实用新型所采用的技术方案具体如下：

一种电气化铁路同相牵引供电系统，所述同相牵引供电系统包括：

牵引变压器，用于将三相高压母线的线电压变送到牵引母线，所述牵引变压器原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接；

补偿匹配变压器，用于三相牵引变压器的能量转换，所述补偿匹配变压器原边与所述牵引变压器的次边连接；

同相补偿装置，用于同相牵引供电系统的电能质量补偿，所述同相补偿装置的交流端与所述补偿匹配变压器次边连接；

储能装置，用于存储电能和控制充放电，所述储能装置与所述同相补偿装置的直流端连接；

测控装置，用于检测牵引母线上的有功功率正负和大小、电压电流大小和协调储能装置实时充放电和同相补偿装置的电能质量补偿，所述测控装置分别与所述同相补偿装置和所述储能装置连接。

优选地，所述储能装置包括第一储能变流器、第二储能变流器、……以及第n储能变流器和第一储能介质、第二储能介质、……以及第n储能介质；所述第一储能变流器、第二储能变流器、……以及第n储能变流器的一端分别与所述同相补偿装置的直流端连接，所述第一储能变流器、第二储能变流器、……以及第n储能变流器的另一端分别与相应的所述第一储能介质、第二储能介质、……以及第n储能介质连接。

进一步优选地，所述测控装置包括协调控制单元、电压互感器和电流互感器，所述协调控制单元的输入端分别与电压互感器、电流互感器、第一储能介质、第二储能介质、……以及第n储能介质连接，所述协调控制单元的输出端分别与所述第一补偿单元、第二补偿单元、……以及第n补偿单元和第一储能变流器、第二储能变流器、……以及第n储能变流器连接。

优选地，所述同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，所述第一补偿单元、第二补偿单元、……以及第n补偿单元呈相互并联关系，且每个补偿单元的直流端分别与相应的所述第一储能变流器、第二储能变流器、……以及第n储能变流器连接。

优选地，还包括用于将三相高压母线的线电压变送到牵引母线的备用牵引变压器，所述备用牵引变压器原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接。

更进一步优选地，所述牵引变压器的次边通过第一断路器与所述补偿匹配变压器的原边连接；所述备用牵引变压器的次边通过第二断路器与所述补偿匹配变压器的原边连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、在本实用新型所述系统中同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、本实用新型所述系统提出主要由牵引变压器、补偿匹配变压器和同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；当同相补偿装置退出运行时，牵引变压器可以短时单独工作，不影响线路正常运行，并可以取消牵引变电所出口处的电分相环节；

三、本实用新型可在既有的单相供电牵引变电所的基础上，增加补偿匹配变压器和同相补偿装置，结构简单，性能优越，易于实现；

四、本实用新型所述系统中同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是本实用新型实施例一中所述电气化铁路同相牵引供电系统的结构示意图。

图2是本实用新型实施例一中所述协调控制单元与同相补偿装置和储能装置的关系结构示意图。

图3是本实用新型实施例二中所述电气化铁路同相牵引供电系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好理解本实用新型创造，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型的工作原理：牵引变压器TT和备用牵引变压器TB将三相电力系统的线电压变送到牵引母线OCS；补偿匹配变压器TMT三相接线，次边电压等级与同相补偿装置NC配合，同相补偿装置NC由多个补偿单元构成，其交流端口接在补偿匹配变压器TMT的次边，直流端口接储能装置ED，储能装置ED由多个储能变流器和多个储能介质构成；牵引变压器TT和补偿匹配变压器TMT及其同相补偿装置NC以及储能装置ED一起给牵引母线OCS供电。同相补偿装置NC的容量由引起超过国家标准规定的三相电压不平衡度限值的牵引负荷的功率确定；牵引变压器TT和备用牵引变压器TB的容量由牵引负荷功率在扣减同相补偿装置NC的容量后根据其自身过负荷能力确定，补偿匹配变压器TMT的容量由其自身容量利用率、过负荷能力以及同相补偿装置NC的容量确定。

实施例一

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种电气化铁路同相牵引供电系统，其中，所述同相牵引供电系统包括用于将三相高压母线的线电压变送到牵引母线OCS的牵引变压器TT、用于牵引变压器TT的能量转换的补偿匹配变压器TMT、用于同相牵引供电系统的电能质量补偿的同相补偿装置NC、用于存储电能和控制充放电的储能装置ED和用于检测牵引母线OCS上的有功功率正负和大小、电压电流大小和协调储能装置ED实时充放电和同相补偿装置NC的电能质量补偿的测控装置MC。所述牵引变压器TT原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接；所述补偿匹配变压器TMT原边与所述牵引变压器TT的次边连接；所述同相补偿装置NC的交流端与所述补偿匹配变压器TMT次边连接；所述储能装置ED与所述同相补偿装置NC的直流端连接；所述测控装置MC分别与所述同相补偿装置NC和所述储能装置ED连接。所述牵引变压器TT的次边通过第一断路器KT₁与所述补偿匹配变压器TMT的原边连接。本实用新型实施例所述的电能质量补偿为负序、无功和谐波的补偿。

所述储能装置ED包括第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n和第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n；所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n的一端分别与所述同相补偿装置NC的直流端连接，所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n的另一端分别与相应的所述第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n连接。

所述同相补偿装置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呈相互并联关系，且每个补偿单元的直流端分别与相应的所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n连接。本实用新型实施例所述同相牵引供电系统中同相补偿装置NC可以按容量并联运行，从而易于补偿容量的扩展。

如图2所示，所述测控装置MC包括协调控制单元CC、电压互感器PT和电流互感器CT，所述协调控制单元CC的输入端分别与电压互感器PT、电流互感器CT、第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n连接，所述协调控制单元CC的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和第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n连接。在本实用新型实施例中，所述补偿单元具体为三相变流器。

一般情况下，牵引变压器TT、补偿匹配变压器TMT、同相补偿装置NC和储能装置ED均正常工作。当补偿匹配变压器TMT或同相补偿装置NC以及储能装置RD退出运行时，牵引变压器可以短时单独工作，不影响线路正常运行，并可以取消牵引变电所出口处的电分相环节时。因此，本实用新型实施例所述同相牵引供电系统可在既有的单相供电牵引变电所的基础上，增加补偿匹配变压器和同相补偿装置，结构简单，性能优越，易于实现。

在本实用新型实施例所述同相牵引供电系统提出主要由牵引变压器、补偿匹配变压器和同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；而且同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。

实施例二

如图3所示，本实用新型实施例提供了一种电气化铁路同相牵引供电系统与本实用新型实施例一主要区别在于，该同相牵引供电系统还包括用于将三相高压母线的线电压变送到牵引母线的备用牵引变压器TB，所述备用牵引变压器TB原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接；所述备用牵引变压器TB的次边通过第二断路器KT₂与所述补偿匹配变压器TMT的原边连接。其他技术特征与本实用新型实施例一完全相同，在此不再赘述。

一般正常情况时，牵引变压器TT、补偿匹配变压器TMT、同相补偿装置NC和储能装置ED均工作，备用牵引变压器TB不工作。当牵引变压器TT退出时，备用牵引变压器TB投入工作；当补偿匹配变压器TMT或同相补偿装置NC以及储能装置RD退出运行时，牵引变压器TT可以单独工作，备用牵引变压器TB亦可替代牵引变压器TT工作。因此，本实用新型实施例提高了本实用新型所述电气化铁路同相牵引供电系统的安全可靠性。

本实用新型实施例所述同相补偿装置NC的电能质量补偿的控制操作方法具体为：

检测牵引母线OCS上的电压互感器PT的电压值和电流互感器CT的电流值，通过瞬时功率理论计算牵引母线OCS上的有功功率P_s和无功功率Q_s；

按照瞬时功率理论并按完全补偿的条件，即同相补偿装置NC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和储能装置的有功功率，可得三相高压母线进线处的有功功率P_HB＝P_L+P_se和无功功率Q_HB＝0，进而可得到牵引变压器TT次边的总电流；根据基尔霍夫电流定律，可得到同相补偿装置NC需要补偿的总电流；其中，P_se为储能变流器的充放电功率，充电时为正，放电时为负。

根据瞬时功率理论将需要补偿的总电流折算成同相补偿装置NC应补偿的负序电流和正序无功电流，将同相补偿装置NC应补偿的负序电流和正序无功电流以同相补偿装置NC中补偿单元的数量均分成n个电流指令，并传递给第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……以及第n补偿单元AD_n。

当第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……以及第n补偿单元AD_n接收的电流指令大于第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……以及第n补偿单元AD_n的最大容量对应电流时，按第一补偿单元AD₁、第二补偿单元AD₂、……以及第n补偿单元AD_n的各自最大容量运行。

所述储能装置的充放电控制的具体操作步骤为：测控装置MC采集牵引母线OCS上的有功功率P_s的正负和大小以及结合第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n的能量状态SOC，设P_{c_max}为储能装置最大充电功率，P_{d_max}为储能装置最大放电功率；根据牵引母线OCS上的有功功率P_s的正负大小和第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n的能量状态SOC来判断牵引母线OCS上的有功功率P_s与牵引工况临界参考值P_ref、储能装置最大充电功率P_{c_max}和储能装置最大放电功率P_{d_max}三者之间关系，所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n分别控制与之对应的第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n放电或充电；根据储能变流器的数量均分充电或放电功率并传递给所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n。

当P_s＞P_ref+P_{d_max}时，所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n控制同相牵引供电系统的第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n放电到牵引母线OCS，其中放电功率为P_{d_max}，直到能量状态SOC＝0；当P_ref＜P_s≤P_ref+P_{d_max}时，所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n控制同相牵引供电系统的第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n放电到牵引母线OCS，其中放电功率为P_s-P_ref，直到能量状态SOC＝0；当P_ref-P_{c_max}≤P_s＜P_ref且SOC<100％时，所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n控制同相牵引供电系统充电到第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n，充电功率为P_ref-P_s，直到能量状态SOC＝100％；当P_s＜P_ref-P_{c_max}且SOC<100％时，所述第一储能变流器PCS₁、第二储能变流器PCS₂、……以及第n储能变流器PCS_n控制同相牵引供电系统充电到第一储能介质E₁、第二储能介质E₂、……以及第n储能介质E_n，充电功率为P_{c_max}，直到能量状态SOC＝100％。

在本实用新型实施例通过对由牵引变压器、补偿匹配变压器和同相补偿装置构成的新式组合的控制，提高了牵引变电所运行的灵活性；而且同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；同时还有效地实现电气化铁路同相供电的技术经济最优化，以及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。

Claims (6)

1.一种电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，所述同相牵引供电系统包括牵引变压器(TT)、补偿匹配变压器(TMT)、同相补偿装置(NC)、储能装置(ED)和测控装置(MC)，所述牵引变压器(TT)原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接；所述补偿匹配变压器(TMT)原边与所述牵引变压器(TT)的次边连接；所述同相补偿装置(NC)的交流端与所述补偿匹配变压器(TMT)次边连接；所述储能装置(ED)与所述同相补偿装置(NC)的直流端连接；所述测控装置(MC)分别与所述同相补偿装置(NC)和所述储能装置(ED)连接。

2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，所述储能装置(ED)包括第一储能变流器(PCS₁)、第二储能变流器(PCS₂)、……以及第n储能变流器(PCS_n)和第一储能介质(E₁)、第二储能介质(E₂)、……以及第n储能介质(E_n)；所述第一储能变流器(PCS₁)、第二储能变流器(PCS₂)、……以及第n储能变流器(PCS_n)的一端分别与所述同相补偿装置(NC)的直流端连接，所述第一储能变流器(PCS₁)、第二储能变流器(PCS₂)、……以及第n储能变流器(PCS_n)的另一端分别与相应的所述第一储能介质(E₁)、第二储能介质(E₂)、……以及第n储能介质(E_n)连接。

3.根据权利要求2所述的一种电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，所述测控装置(MC)包括协调控制单元(CC)、电压互感器(PT)和电流互感器(CT)，所述协调控制单元(CC)的输入端分别与电压互感器(PT)、电流互感器(CT)、第一储能介质(E₁)、第二储能介质(E₂)、……以及第n储能介质(E_n)连接，所述协调控制单元(CC)的输出端分别与第一补偿单元(AD₁)、第二补偿单元(AD₂)、……以及第n补偿单元(AD_n)和第一储能变流器(PCS₁)、第二储能变流器(PCS₂)、……以及第n储能变流器(PCS_n)连接。

4.根据权利要求2所述的一种电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，所述同相补偿装置(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)呈相互并联关系，且每个补偿单元的直流端分别与相应的所述第一储能变流器(PCS₁)、第二储能变流器(PCS₂)、……以及第n储能变流器(PCS_n)连接。

5.根据权利要求1所述的一种电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，还包括用于将三相高压母线的线电压变送到牵引母线的备用牵引变压器(TB)，所述备用牵引变压器(TB)原边与三相高压母线连接，其次边的任意两端子与牵引负荷连接。

6.根据权利要求5所述的一种电气化铁路同相牵引供电系统，其特征在于，所述牵引变压器(TT)的次边通过第一断路器(KT₁)与所述补偿匹配变压器(TMT)的原边连接；所述备用牵引变压器(TB)的次边通过第二断路器(KT₂)与所述补偿匹配变压器(TMT)的原边连接。

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