牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法
专利名称：牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法
技术领域：
本发明属于铁路运输设备和电力电子技术领域，尤其涉及一种可同时实现电力机 车无断电带载自动通过交流牵弓I网电分相环节和牵弓I变电站电能质量综合补偿的装置。
背景技术：
与其他大多数国家一样，中国电气化铁路供电系统采用单相工频交流供电模式， 其中牵引供电系统实行分段受流、轮换相序的接入方式，用以减轻大容量的单相不平衡牵 引负荷对电力系统造成的严重负序影响。为防止不同相间短路，各相间需采取空气或绝缘 物分割，形成所谓“电分相”环节，电分相中的无电区称为“分相段”或“中性段”。当电力机 车带载直接通过接触网电分相时，受电弓划过相邻两相的绝缘区段时会产生拉弧现象，严 重的将烧毁接触网，造成重大事故，必须采用一定的过分相技术完成这一过程。传统上采用 的人工操作过电分相方式，存在着机车断电时间长、列车失速严重(尤其是在高坡重载区 段)等缺点，而且行车安全依赖于机车司机的注意力和技术水平，针对高速电力机车其误 操作率将显著提高，于行驶安全极为不利，被自动过分相技术取代已是必然。现有自动过分 相技术方案主要包括地面开关自动切换方案和车上自动控制断电方案两大类，较之于人工 操作方式，采用自动过分相技术可使电力机车通过电分相期间的失电时间明显减少，同时 还避免了人为误操作等造成的过分相故障。尽管如此，自动过电分相技术在实现机车通过电分相中性段时，电力机车都必须 经历一个从有电到无电，再到有电的过程。以地面开关自动切换方案为例，其工作原理如图 1所示在没有电力机车通过电分相时，地面开关切换过分相装置处于初始状态，地面上的 真空断路器S1闭合，真空断路器&断开，电中性段3与牵引供电臂1的电压相同；当机车 由牵引供电臂1通过绝缘锚段关节MDa驶入中性段3区间，位置传感器8检测到并发出指 令使真空开关S1分断开，此刻中性段3为无电状态，待S1完全关闭后再令&闭合，电中性 段3与牵引供电臂2的电压相同，列车安全通过绝缘锚段关节MDb ；当位置传感器9检测到 机车完全驶入牵引供电臂2区间后，发出指令使真空开关&断开，S1闭合，使之恢复到初始 状态。而车上自动断电方案，则是依靠机车在收到分相预告信号后，封锁机车触发脉冲并断 开车载主断路器，使机车惰性通过电中性段的无电区；在通过无电区后，检测到过分相的信 号，并自动检测到牵引网压从无到有的跳变后，再闭合住断路器，自起劈相机，顺序启动辅 机，然后加载电机电流。这一系列“断电-复电”的操作，将引起电力机车供电系统出现不同程度和不同 类型的过电压和涌流等暂态过程，严重的将造成机车保护动作、变电所跳间、辅机过流等故 障，甚至影响到电气化铁路的安全运行。如日本新干线曾经检测到过电压最高为90. SkV的 合闸过电压，振荡频率范围在6 34kHz，过高电压可引起车顶绝缘间隙击穿，形成铁路供 电系统的对地短路，造成变电所经常跳闸，严重影响机车的正常运行。此外，实测表明电力 机车通过电分相环节的合间涌流最大可达机车额定电流的9. 5倍。尽管通过将机车指令电 流限定为零，待其通过电分相后再控制电流上升率的方式能够一定程度地抑制合间浪涌，但重新启动机车的延时会达6s以上，这对高速电力机车的运行速度有很大的影响，据估算 在中国京沪高铁仅由电力机车通过电分相而造成的全程运行时间损失将可达半小时以上。 由此可见，牵引供电系统中电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车 的安全可靠运行，至今尚无对症良药，寻找新的解决方案势在必行。此外，由于牵引供电系统对于电力系统而言还具有三相分布不对称性、冲击性、非 线性等特点，随着牵引负荷的大幅增长，在中国现行电网条件下包括负序、无功和谐波等潮 流在内的电能质量问题正日显突出，已成为影响中国电力系统和电铁负荷安全稳定运行 的重要因素。借鉴国外电铁工程应用经验，采用动态补偿技术对牵引变电站进行负序、无 功和谐波等潮流综合补偿已成为解决牵引供电系统电能质量问题的重要治理手段。动态 补偿技术克服了传统电铁电能质量治理措施普遍存在的治理目标单一、对大范围波动的 牵引负荷适应性差的缺点，其中以静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATC0M)装置为代表的动态补偿技术更是在技术手段和补偿性能等方面表现出较明显的 优势和应用前景。在针对牵引供电系统电能质量综合补偿的若干STATC0M技术方案中，一 种基于两相式STATC0M装置的牵引变电站补偿技术已弓I起研究者越来越多的重视(详见参 考文献Uzuka Τ, Ikedo S, Ueda K. A static voltage fluctuation compensator for AC electricrailway. Proceedings of IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, 2004, 3 :1869-1873)。如参考文献所述，两相式STATC0M装置采用两相“背靠 背”式连接的变流器组结构，如图2所示，装置左右两侧各包括2台相同结构的单相电压 源变流器Val、Va2和Vbl、Vb20单相电压源变流器采用基于IGCT器件的3电平单相H桥结 构，每台单相电压源变流器包括2个桥臂和2个由电容串联而成的电容器组(电容器组如 图2中Cp C2，C3，C4, C5, C6, C7, C8所示)。4台电压源变流器的直流侧母线正极全部引出并 相连接于点P，直流侧母线负极全部引出并相连接于点N，中性点全部引出相连于点C。直 流电容器组Q、C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8额定电压为3kVX2，IGCT规格为6kV/6kA。两相式 STATC0M装置交流侧各采用1台串联2重化变压器八和Tb，用以实现电压、电流匹配并降 低输出电压谐波，单个IGCT开关频率为450Hz，等效开关频率约3600kHz，装置设计规格为 20MVA/60kV (5MVAX2 串 X 2 相)。采用这种两相式STATC0M装置在牵引变电站的应用连接方式如图3所示，两相式 STATC0M装置一侧输出端子为X、y，另一侧端子为Z、W。端子χ经断路器BKa接入牵引供电 臂1，端子ζ经断路器Kib接入牵引供电臂2，两个端子y和w则均接入接地导轨。牵引供 电臂1、电分相中性段3和牵引供电臂2相对应的下方地面上设置位置传感器7、8、9。两相式STATC0M装置针对牵引变电站电能质量控制过程描述如下首先STATC0M 装置控制其共用的直流侧电容C电压，使之维持在一定的水平；然后检测并比较牵引供电 臂1和牵引供电臂2上牵引负荷的有功功率大小，并通过共用直流侧电容器C使有功功率 Pc在“背靠背”连接的两组变流器Va、vb之间实现转移。当STATC0M装置容量足够时可使两 侧牵引供电臂1和2的负荷有功功率相互平衡。此外，“背靠背”连接的两侧变流器Va和Vb 可分别独立地对两侧供电臂补偿无功功率Qca和Q。2，以及补偿谐波电流i。hl和^。根据以上所述两相式STATC0M拓扑结构和工作过程可知，装置仅与电分相两侧的 牵引供电臂1、2分别相连，未接入电分相中性段3，因此仅能针对负序、无功和谐波潮流以 及由此引起的电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题的治理。电力机车在通过电分相时仍需要另外增加专门的地面开关自动切换过分相设备或采用车上自动断电控制方案。 而且这些方式均不可避免地使机车存在一个“断电-复电”的过程，由此产生的一系列过渡 过程并形成暂态危害，严重制约了电铁的高速、可靠运行。综上所述，客观上需要在中国现有牵引供电模式基础上研制一种既能解决高速电 力机车自动通过分相存在的一系列暂态危害，同时又能实现牵引变电站电能质量综合补偿 的新型牵引供电设备，从而全面适应高速、重载列车对牵引供电系统的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种牵引网电分相无断电柔 性连接-补偿装置(牵引网电分相 UFCC，Uninterruptible Flexible Connector & Compensator,以下简称UFCC装置)及其方法，本发明既能够自动实现电力机车无断电满功 率通过电分相，又能实现牵弓I变电站电能质量综合补偿。本发明要解决的技术问题之一，是自动实现电力机车无断电满功率通过电分相环 节，使机车在通过电分相期间能够始终无断电地以额定牵引功率全速运行或以额定功率运 行于再生制动状态。机车通过电分相期间无需分合主断路器、无拉弧、无截留过电压、谐振 过电压、合闸过电压，电压互感器无饱和，同时机车主、辅助供电系统均不断电，主变压器和 辅助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，确保电力机车安全、可靠、高速通过电分相。 本发明要解决的技术问题之二，是在没有电力机车通过电分相环节期间，提供针对牵引变 电站负序、无功和谐波等潮流的综合补偿，用以抑制牵引变电站三相电压不平衡和三相电 压波动、实现动态无功补偿和谐波补偿、稳定牵引网电压和提高电气化铁路运能等。为实施上述目的，本发明提出的UFCC装置，该装置包括两相“背靠背”式变流器 组，三个位置传感器；其特征在于，所述两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的 两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组Va和\，以及分别与两台单相变流器组Va和 Vb交流侧相连的两台单相降压变压器组Ta和Tb构成，或与一台单相变流器组Va或Vb交流 侧相连的一台单相降压变压器组Ta或Tb，还包括三个电气量传感器，由开关BKa、BKm、BKb组 成的断路器开关，可控投切开关和主控制器；所述两相“背靠背”式变流器组的一侧输出端 子为X、1，另一侧输出端子为z、w ；从所述输出端子χ分别引出两条支路，其中一条支路与 可控投切开关的下端口相连，可控投切开关的上端口与开关BKa的下端口串联，BKa的上端 口为输出端子1 ；从端子χ引出的另一条支路与开关BKmW下端口串联，BKm的上端口为输 出端子m ；所述输出端子ζ与开关BKb的下端口串联，BKb的上端口为输出端子r ；第一电气量传感器安装在开关BKa下端口，第二电气量传感器安装在开关BKm下端 口，第三电气量传感器安装在开关BKb下端口 ；第一和第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置 传感器安装在电分相中性段中间位置的下方地面；所述主控制器具有6个信号输入端口和4个信号输出端口，主控制器的6个信号 输入端口与所述3个电气量传感器和3个位置传感器分别采用信号线相连接；主控制器的 4个信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组Va和Vb的控 制信号端口相连接；所述的主控制器用于实时检测来自三个电气量传感器的电气信号以及来自三个位置传感器的位置信号；产生对所述两相“背靠背”式变流器组的控制信号，以及产生对可 控投切开关的投切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当没有电力机车通过牵 引变电站电分相时，使该装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式，当有电力机 车即将通过牵引变电站电分相时，使该装置进入无断电柔性过分相模式，实现电力机车无 断电带载通过分相。本发明还提出一种采用上述装置的牵引网电分相无断电柔性连接-补偿方法，其 特征在于，该方法包括以下步骤1)所述装置准备投入运行之前，主控制器使该装置处于待机状态，然后发送控制 信号，使断路器开关的三个开关全部闭合，装置并网；2)主控制器实时监测各测量信号，当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位 置信号时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器控制该装置运行于 对牵引变电站电能质量的综合补偿模式；3)当主控制器接收来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时，表 明当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制装置退出电能质量综 合补偿模式，使装置运行于无断电柔性过分相模式；4)主控制器再次检测到第二位置传感器或第一位置传感器发送的位置信号时，表 明电力机车已完全通过中性段，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂；主控制器将全 部控制脉冲信号闭锁，使装置处于待机状态，随即发出控制信号令可控投切开关闭合，主控 制器则控制该装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合综合补偿模 式。本发明的特点及有益效果如下本发明利用变频移相技术在几百个工频周波内连续改变电分相中性段的电压相 位，柔性实现中性段电压无断电的相位变化，是本发明的关键创新点之一。仅通过一只可控 投切开关和相应的控制，可实现UFCC装置在两种工作模式之间的切换，是本发明关键创新
点之二。由于每台电力机车无断电通过分相模式持续时间通常不超过10s，除此之外的绝 大部分时间UFCC装置均运行在对牵引变电站的电能质量综合补偿模式，因此对于通过长 时间考核获得的牵引变电站电能质量概率指标而言，UFCC的补偿效果并不受短时的过分相 模式影响。较之传统单纯以电能质量为补偿目标的动态补偿装置，本发明仅通过增加少量 硬件设备，在实现电能质量综合补偿的同时还使电力机车实现了无断电过分相，大大提高 了 UFCC装置的性价比。UFCC装置中可控投切开关始终在无载条件下进行闭合或分断操作， 相比较地面开关自动过分相技术，无需采用真空开关进行带载投切，可显著降低选用开关 的成本，延长开关使用寿命。UFCC装置能够保证高速电力机车在通过电分相的全过程中，始终无断电地以额定 牵引功率全速运行或以额定功率运行于再生制动状态，避免了在传统人工过分相或各种已 有自动过分相技术中存在的对机车供电系统“断电-复电”的操作，因而克服了在由此对 机车供电系统形成的一系列暂态危害。电力机车在通过电分相期间无需分合主断路器、无 拉弧、无截留过电压、谐振过电压、合闸过电压，电压互感器无饱和。同时，机车的主、辅助 供电系统均不断电，主变压器和辅助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，尤其适于高速、重载列车以及在复杂地形条件的牵引供电要求，确保电力机车安全、可靠、高速通过电 分相。本发明装置运行于电能质量综合补偿模式时，具有牵引供电臂间有功功率转移、 无功功率和谐波电流补偿的功能，能有效解决牵引变电站功率因数低下、系统三相电压波 动和三相电压不平衡、牵引网电压波动和闪变以及谐波污染等问题，能显著提高电气化铁 路的运能和运力。本发明适用于采用直接供电模式和同轴电缆(Coaxial Cable, CC)供电模式的牵 引供电系统，也适用于采用AT供电模式的牵引供电系统。对于单线牵引变电站，采用单台 UFCC装置即可实现全部功能。对于复线牵引变电站，可采用两台UFCC装置实现。当没有机 车通过电分相时，两台UFCC均运行于电能质量综合补偿模式；当作为过分相装置使用时， 只要上下行线路的机车不同时通过电分相，两台UFCC装置可互为热备用，显著提高了 UFCC 装置运行可靠性。本发明对已有的牵引供电系统及供电模式适应性良好，基本无需对已有的牵引电 变电站和电分相的线路、变压器和接线方式进行改动，有利于UFCC装置的实际工程应用。
图1为已有的地面开关自动过分相技术方案示意图。图2为已有的两相式STATC0M装置的两相“背靠背”式变流器电路结构图。图3为 已有的两相式STATC0M装置在牵弓丨变电站内的接线示意图。图4为本发明提出的电分相无断电柔性连接及补偿装置UFCC系统结构示意图。图5为本发明提出的电分相无断电柔性连接及补偿装置UFCC省去一侧变压器组 Ta的系统结构示意图。图6为本发明所述两相“背靠背”式变流器43直流侧电容器的2种连接方式结构 示意图，其中，图6(a)为连接方式1结构示意图，图6(b)为连接方式2结构示意图。图7为本发明所述变流器组采用的链式结构实施例结构图。图8构成本发明所述变流器组Va和Vb的2η个电压源变流器^的2种实施例结 构图；其中，图8(a)为采用2电平单相H桥结构示意图，图8(b)为采用二极管中点箝位的 3电平变流器结构示意图。图9为本发明由所述m个单相多绕组变压器 ；构成的单相串联多重化单相降压 变压器组实施例结构图。图10为本发明由所述m个单相多绕组变压器T,构成的单相并联多重化单相降压 变压器组实施例结构图。图11为构成本发明单相降压变压器组Ta、Tb的单相多绕组变压器 ；的结构实施 例结构示意图。图12为本发明应用于直接供电模式(或CC供电模式)牵引变电站的系统结构示 意图。图13为本发明应用于AT供电模式牵引变电站的系统结构示意图。图14为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的相量分析图。图15为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的时域示意图。
图16为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的程序流程图。
具体实施例方式本发明结合附图及实施例详细说明如下本发明所述牵引网电分相无断电柔性连接及补偿装置(UFCC)结构如图4所示。本 发明装置包括由开关mca、BKm、BKb组成的断路器开关41，可控投切开关42，共用直流侧电容 器的两相“背靠背”式变流器组(Va和Vb) 43，电气量传感器44、45、46，位置传感器7、8、9和 主控制器47 ；其中，两相“背靠背”式变流器43两侧各具有一对输出端子，一侧输出端子为 x、y，另一侧输出端子为z、w;从所述输出端子χ分别引出两条支路，其中一条支路与可控投 切开关42的下端口相连，可控投切开关42的上端口与断路器开关41中的BKa的下端口串 联，BKa的上端口为输出端子1 ；从端子χ引出的另一条支路与断路器开关41中的Bkm的下 端口串联，BKm的上端口为输出端子m ；所述输出端子ζ与断路器开关41的BKb的下端口串 联，BKb的上端口为输出端子r;所述电气量传感器44安装在断路器开关41的BKa下端口，用以测量该端口侧的 电气信号e4 (包括该端口电压信号V4和流经该端口的电流信号i4和外部电流i41，图中未 示出)；电气量传感器45安装在断路器开关1的BKm下端口，用以测量该端口的电气信号 e5 (包括该端口电压信号V5和流经该端口的电流信号i5和外部电流i51，图中未示出)；电 气量传感器46安装在断路器开关1的BKb下端口，用以测量该端口的电气信号e6 (包括该 端口电压信号V6和流经该端口的电流信号i6，图中未示出)；所述位置传感器7、9分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，位置传感器 8安装在电分相中性段中间位置的下方地面。当所述位置传感器7、8、9检测到电力机车达 到所在位置时，分别向主控制器47发送位置信号W7,、 和w9。所述主控制器47具有6个信号输入端口 an” In2, In3> In4, In5, In6)和4个信号 输出端口(OpOpOyO》，如图4所示。电气量传感器44，45和46的信号输出端口分别为 d4，(15和(16;位置传感器7，8和9的信号输出端口分别为(17，(18和(19。主控制器47的6个 信号输入端口(In1UrvIrvIn4UrvIn6)与3个电气量传感器44、45、46和位置传感器7、 8、9分别采用信号线相连接。其中，主控制器47的信号端口 In1与电气量传感器44的信号 端口 d4与相连，In2与电气量传感器45的信号端口 d5相连，In3与电气量传感器46的信号 端口 d6相连；In4与位置传感器7的信号端口 d7相连，In5与位置传感器8的信号端口 d8相 连，In6与位置传感器9的信号端口 d9相连。可控投切开关42的控制信号端口为d2，由开 关BKa、BKm、BKb组成的断路器开关41的控制信号端口分别*da，dm和db。电压源变流器组 Va的控制信号端口为Dva (Dva表示构成变流器组Va的所有IGBT的控制信号端口总和)，电压 源变流器组Vb的控制信号端口为Dvb (Dvb表示构成变流器组Vb的所有IGBT的控制信号端 口总和)。主控制器47与断路器开关41，可控投切开关42，变流器组Va和Vb的控制信号端 口均采用信号线相连接。其中，主控制器47的信号输出端口 O1与断路器开关41的信号端 口 da，dm和db相连接，O2与可控投切开关42的控制信号端口 d2相连，O3与变流器组Va的 控制信号端口 Dva相连，O4与变流器组Vb的控制信号端口 Dvb相连。所述的主控制器47实时检测来自电气量传感器44、45、46的电气信号e4、e5、e6，以 及来自位置传感器7、8、9的位置信号W7，、W8和 。主控制器47产生对所述两相“背靠背”式变流器43的控制信号Cva和Cvb，产生对可控投切开关42的投切控制信号C2和断路器开 关41的闭合/关断控制信号C1 ；当电力机车通过电分相时，使可控投切开关2断开，所述装 置工作在无断电过分相模式，采用变频移相技术对中性段3电压进行幅值和相位控制，实 现电力机车无断电带载通过分相；当无机车通过时，使可控投切开关2闭合，所述装置工作 在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿，以解决牵引变电 站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器43，可由共用直流侧电容器组C 的两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组Va和Vb以及分别与两台单相变流器组Va和 Vb交流侧相连的2台单相降压变压器组Ta和Tb构成，如图4所示。所述共用直流侧电容器 的两相“背靠背”式变流器，亦可省去其中一侧单相降压变压器组Ta或Tb，如图5所示。所述两相“背靠背”式变流器组43的两侧单相变流器组Va和Vb与共用的直流侧 电容器的连接方式有2种实施例结构连接方式1如图6(a)所示。电压源变流器组\和 Vb均是由η个单相电压源变流器Vri，Vrt，…VH，…Vm构成。令单列高速电力机车额定功率容量为St，单个电压源变流器Vh额定视载功率容 量为Sw，则η取值应满足关系式(1)
权利要求
1.一种牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置，该装置包括两相“背靠背”式变流器 组，三个位置传感器；其特征在于，所述两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的 两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组Va和Vb.以及分别与两台单相变流器组Va和 Vb交流侧相连的两台单相降压变压器组Ta和Tb构成，或与一台单相变流器组Va或Vb交流 侧相连的一台单相降压变压器组Ta或Tb，还包括三个电气量传感器，由开关BKa、BKm、BKb组 成的断路器开关，可控投切开关和主控制器；所述两相“背靠背”式变流器组的一侧输出端 子为X、1，另一侧输出端子为z、w ；从所述输出端子χ分别引出两条支路，其中一条支路与 可控投切开关的下端口相连，可控投切开关的上端口与开关BKa的下端口串联，BKa的上端 口为输出端子1 ；从端子χ引出的另一条支路与开关BKmW下端口串联，Bkm的上端口为输 出端子m ；所述输出端子ζ与开关BKb的下端口串联，BKb的上端口为输出端子r ；第一电气量传感器安装在开关BKa下端口，第二电气量传感器安装在开关BKm下端口， 第三电气量传感器安装在开关BKb下端口 ；第一和第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置传感 器安装在电分相中性段中间位置的下方地面；所述主控制器具有6个信号输入端口和4个信号输出端口，主控制器的6个信号输入 端口与所述3个电气量传感器和3个位置传感器分别采用信号线相连接；主控制器的4个 信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组Va和Vb的控制信 号端口相连接；所述的主控制器用于实时检测来自三个电气量传感器的电气信号以及来自三个位置 传感器的位置信号；产生对所述两相“背靠背”式变流器组的控制信号，以及产生对可控投 切开关的投切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当有电力机车即将通过牵引 变电站电分相时，使该装置进入无断电柔性过分相模式，实现电力机车无断电带载通过分 相，当无机车通过时，使该装置工作在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功 率补偿和谐波补偿，以解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数 低下以及谐波污染问题。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器组中的Va和Vb均是由η个 单相电压源变流器构成，η取值范围为20 < η < 100 ；所述直流侧电容器组由其2η个电容 器组成，连接方式为所述每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，各电容 器正极直流母线与其他电容器正极直流母线相连，负极直流母线与其他电容器负极直流母 线相连。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器组中的Va和Vb均是由η个 单相电压源变流器构成，η取值范围为20 < η < 100 ；所述直流侧电容器组由其2η个电容 器组成，连接方式为每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，变流器组Va 中第i个电压源变流器的直流侧电容器仅和变流器组Vb中第i个电压源变流器Vh的直流 侧电容器按照正、负极性相互并联，各组“背靠背”连接变流器直流侧电容器相互之间独立， 电气保持隔离。
4.如权利要求2或3所述装置，其特征在于，所述每个单相电压源变流器采用2电平单 相H桥结构，该结构包含有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上下2个绝缘门极双极型晶体管 及其反并联二极管组成，两个桥臂的上、下端分别连接在一起，构成变流器的直流母线并与直流电容相并联，上端母线为正极，下端母线为负极。
5.如权利要求2或3所述装置，其特征在于，所述每个单相电压源变流器采用二极管中 点箝位的3电平变流器结构，包括有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上、下各2个绝缘门极 双极性晶体管，箝位二极管和直流侧两组相互串联的电容器组成；每个桥臂由2个电容器 串联构造出一个电压中性点，由该电压中性段引出2只相互串联的箝位二极管对该桥臂进 行电压箝位，其中上侧箝位二极管的阳极与下侧箝位二极管阴极相连后接入电压中性点， 同时上侧箝位二极管的阴极接入上侧2只绝缘门极双极型晶体管连接中点，下侧箝位二极 管的阳极接入下侧2只绝缘门极双极型晶体管的连接中点；2个桥臂的上、下两端分别连 接在一起，与2组电容器组共同构成变流器的直流母线，其上端母线为正极，下端母线为负 极，电容器构造的中性点引出作为中性极。
6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述单相降压变压器组TjPTb均由m个单相多 绕组变压器组 ；通过多重化连接构成，m数值满足η = mX j，其取值范围在8 50之间)， 该多重化连接方式为单相串联多重化变压器组或单相并联多重化变压器组；所述单相串联 多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器的m个原边绕组按同名端依次串联构成；所 述单相并联多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器的m个原边绕组按同名端全部 并联构成；所述单相多绕组变压器 ；由1个原边绕组和j个副边绕组构成，其中j > 1且 j不大于6的整数；所述j个副边绕组与原边绕组P之间的互阻抗相同。
7.一种采用如权利要求1所述装置的牵引网电分相无断电柔性连接-补偿方法，其特 征在于，该方法包括以下步骤1)所述装置准备投入运行之前，主控制器使该装置处于待机状态，然后发送控制信号， 使断路器开关的三个开关全部闭合，装置并网；2)主控制器实时监测各测量信号，当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位置信 号时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器控制该装置运行于对牵 引变电站电能质量的综合补偿模式；3)当主控制器接收来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时，表明当 前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制装置退出电能质量综合补 偿模式，使装置运行于无断电柔性过分相模式；4)主控制器再次检测到第二位置传感器或第一位置传感器发送的位置信号时，表明电 力机车己完全通过中性段，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂；主控制器将全部控 制脉冲信号闭锁，使装置处于待机状态，随即发出控制信号令可控投切开关闭合，主控制器 则控制该装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合补偿模式。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤2)主控制器控制所述装置运行于对 牵引变电站电能质量的综合补偿模式，该模式流程的具体步骤如下.2. 1)主控制器发送控制信号使可控投切开关闭合；.2. 2)主控制器实时检测第一电气量传感器、第三电气量传感器接收的电气量信号，用 以实时计算牵引供电臂1和牵引供电臂2的负荷有功功率和无功功率，并分解出负荷电流 中的谐波电流成分；.2. 3)主控制器通过控制信号，采用与两相式STATC0M相同的补偿原理使所述装置利用 通过直流侧电容“背靠背”连接的两相式变流器，在牵引供电臂1和2之间转移有功功率，使得两侧供电臂有功功率平衡，并分别补偿两供电臂的无功功率和谐波电流；从而实现对 牵引变电站电能质量的综合补偿。
9.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤3)主控制器47控制所述装置运行于 无断电柔性过分相模式，其流程具体步骤如下 3. 1)主控制器首先使所述装置处于待机状态；(3. 2)判断机车来车方向若检测到第一位置传感器发送的信号，表明机车从牵引供电 臂1方向开来，将从左侧首先通过绝缘锚段关节MDa ；若检测到第二位置传感器发送的信 号，表明机车从牵引供电臂2方向开来，将从右侧首先通过绝缘锚段关节MDb ；(3. 3)主控制器发出控制信号控制可控投切开关断开，并根据已经判定的机车过分相方 向，对起始电压锁定当机车从牵引供电臂1方向开过来时，主控制器采集第一电气量传感 器的采样信号中的电压采样信号作为目标电压，生成对变流器组Va的控制信号，并协调变 流器组\的控制信号使直流侧电容电压维持稳定，从而令变流器组Va在中性段产生与与 Va的幅值和相位完全相同的中性段电压V。，主控制器47还要计算出Va电压有效值Vaniis并 进行存储；(3. 4)主控制器预先计算变频移相中所采用的频率令牵引供电系统频率为&，预设 UFCC装置实现中性段电压移相的时间为ΤΔ，ΤΔ为工频周期的1 倍，1 通常取正整数，且满 足k2 = Τδ · fi ；令中性段电压V。从ts时刻经过ΤΔ时间后在、时刻完成从Va到V0的相 移过程，相移角为θ角；则T1可由下式计算
全文摘要
本发明涉及牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法，属于铁路运输设备和电力电子技术领域；该装置包括两相“背靠背”式变流器组，三个位置传感器；两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的两台单相变流器组Va和Vb.以及分别与两台单相变流器组Va和Vb交流侧相连的两台单相降压变压器组Ta和Tb构成，或与一台单相变流器组Va或Vb交流侧相连的一台单相降压变压器组Ta或Tb，还包括三个电气量传感器，断路器开关，可控投切开关和主控制器。该装置可在两种模式下工作，实现电力机车无断电带载通过分相。具有的有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿功能，能够解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。
文档编号H02J3/01GK102126438SQ20101059643
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者姜齐荣, 田旭, 魏应冬 申请人:清华大学
技术领域：
本发明属于铁路运输设备和电力电子技术领域，尤其涉及一种可同时实现电力机 车无断电带载自动通过交流牵弓I网电分相环节和牵弓I变电站电能质量综合补偿的装置。
背景技术：
与其他大多数国家一样，中国电气化铁路供电系统采用单相工频交流供电模式， 其中牵引供电系统实行分段受流、轮换相序的接入方式，用以减轻大容量的单相不平衡牵 引负荷对电力系统造成的严重负序影响。为防止不同相间短路，各相间需采取空气或绝缘 物分割，形成所谓“电分相”环节，电分相中的无电区称为“分相段”或“中性段”。当电力机 车带载直接通过接触网电分相时，受电弓划过相邻两相的绝缘区段时会产生拉弧现象，严 重的将烧毁接触网，造成重大事故，必须采用一定的过分相技术完成这一过程。传统上采用 的人工操作过电分相方式，存在着机车断电时间长、列车失速严重(尤其是在高坡重载区 段)等缺点，而且行车安全依赖于机车司机的注意力和技术水平，针对高速电力机车其误 操作率将显著提高，于行驶安全极为不利，被自动过分相技术取代已是必然。现有自动过分 相技术方案主要包括地面开关自动切换方案和车上自动控制断电方案两大类，较之于人工 操作方式，采用自动过分相技术可使电力机车通过电分相期间的失电时间明显减少，同时 还避免了人为误操作等造成的过分相故障。尽管如此，自动过电分相技术在实现机车通过电分相中性段时，电力机车都必须 经历一个从有电到无电，再到有电的过程。以地面开关自动切换方案为例，其工作原理如图 1所示在没有电力机车通过电分相时，地面开关切换过分相装置处于初始状态，地面上的 真空断路器S1闭合，真空断路器&断开，电中性段3与牵引供电臂1的电压相同；当机车 由牵引供电臂1通过绝缘锚段关节MDa驶入中性段3区间，位置传感器8检测到并发出指 令使真空开关S1分断开，此刻中性段3为无电状态，待S1完全关闭后再令&闭合，电中性 段3与牵引供电臂2的电压相同，列车安全通过绝缘锚段关节MDb ；当位置传感器9检测到 机车完全驶入牵引供电臂2区间后，发出指令使真空开关&断开，S1闭合，使之恢复到初始 状态。而车上自动断电方案，则是依靠机车在收到分相预告信号后，封锁机车触发脉冲并断 开车载主断路器，使机车惰性通过电中性段的无电区；在通过无电区后，检测到过分相的信 号，并自动检测到牵引网压从无到有的跳变后，再闭合住断路器，自起劈相机，顺序启动辅 机，然后加载电机电流。这一系列“断电-复电”的操作，将引起电力机车供电系统出现不同程度和不同 类型的过电压和涌流等暂态过程，严重的将造成机车保护动作、变电所跳间、辅机过流等故 障，甚至影响到电气化铁路的安全运行。如日本新干线曾经检测到过电压最高为90. SkV的 合闸过电压，振荡频率范围在6 34kHz，过高电压可引起车顶绝缘间隙击穿，形成铁路供 电系统的对地短路，造成变电所经常跳闸，严重影响机车的正常运行。此外，实测表明电力 机车通过电分相环节的合间涌流最大可达机车额定电流的9. 5倍。尽管通过将机车指令电 流限定为零，待其通过电分相后再控制电流上升率的方式能够一定程度地抑制合间浪涌，但重新启动机车的延时会达6s以上，这对高速电力机车的运行速度有很大的影响，据估算 在中国京沪高铁仅由电力机车通过电分相而造成的全程运行时间损失将可达半小时以上。 由此可见，牵引供电系统中电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车 的安全可靠运行，至今尚无对症良药，寻找新的解决方案势在必行。此外，由于牵引供电系统对于电力系统而言还具有三相分布不对称性、冲击性、非 线性等特点，随着牵引负荷的大幅增长，在中国现行电网条件下包括负序、无功和谐波等潮 流在内的电能质量问题正日显突出，已成为影响中国电力系统和电铁负荷安全稳定运行 的重要因素。借鉴国外电铁工程应用经验，采用动态补偿技术对牵引变电站进行负序、无 功和谐波等潮流综合补偿已成为解决牵引供电系统电能质量问题的重要治理手段。动态 补偿技术克服了传统电铁电能质量治理措施普遍存在的治理目标单一、对大范围波动的 牵引负荷适应性差的缺点，其中以静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATC0M)装置为代表的动态补偿技术更是在技术手段和补偿性能等方面表现出较明显的 优势和应用前景。在针对牵引供电系统电能质量综合补偿的若干STATC0M技术方案中，一 种基于两相式STATC0M装置的牵引变电站补偿技术已弓I起研究者越来越多的重视(详见参 考文献Uzuka Τ, Ikedo S, Ueda K. A static voltage fluctuation compensator for AC electricrailway. Proceedings of IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, 2004, 3 :1869-1873)。如参考文献所述，两相式STATC0M装置采用两相“背靠 背”式连接的变流器组结构，如图2所示，装置左右两侧各包括2台相同结构的单相电压 源变流器Val、Va2和Vbl、Vb20单相电压源变流器采用基于IGCT器件的3电平单相H桥结 构，每台单相电压源变流器包括2个桥臂和2个由电容串联而成的电容器组(电容器组如 图2中Cp C2，C3，C4, C5, C6, C7, C8所示)。4台电压源变流器的直流侧母线正极全部引出并 相连接于点P，直流侧母线负极全部引出并相连接于点N，中性点全部引出相连于点C。直 流电容器组Q、C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8额定电压为3kVX2，IGCT规格为6kV/6kA。两相式 STATC0M装置交流侧各采用1台串联2重化变压器八和Tb，用以实现电压、电流匹配并降 低输出电压谐波，单个IGCT开关频率为450Hz，等效开关频率约3600kHz，装置设计规格为 20MVA/60kV (5MVAX2 串 X 2 相)。采用这种两相式STATC0M装置在牵引变电站的应用连接方式如图3所示，两相式 STATC0M装置一侧输出端子为X、y，另一侧端子为Z、W。端子χ经断路器BKa接入牵引供电 臂1，端子ζ经断路器Kib接入牵引供电臂2，两个端子y和w则均接入接地导轨。牵引供 电臂1、电分相中性段3和牵引供电臂2相对应的下方地面上设置位置传感器7、8、9。两相式STATC0M装置针对牵引变电站电能质量控制过程描述如下首先STATC0M 装置控制其共用的直流侧电容C电压，使之维持在一定的水平；然后检测并比较牵引供电 臂1和牵引供电臂2上牵引负荷的有功功率大小，并通过共用直流侧电容器C使有功功率 Pc在“背靠背”连接的两组变流器Va、vb之间实现转移。当STATC0M装置容量足够时可使两 侧牵引供电臂1和2的负荷有功功率相互平衡。此外，“背靠背”连接的两侧变流器Va和Vb 可分别独立地对两侧供电臂补偿无功功率Qca和Q。2，以及补偿谐波电流i。hl和^。根据以上所述两相式STATC0M拓扑结构和工作过程可知，装置仅与电分相两侧的 牵引供电臂1、2分别相连，未接入电分相中性段3，因此仅能针对负序、无功和谐波潮流以 及由此引起的电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题的治理。电力机车在通过电分相时仍需要另外增加专门的地面开关自动切换过分相设备或采用车上自动断电控制方案。 而且这些方式均不可避免地使机车存在一个“断电-复电”的过程，由此产生的一系列过渡 过程并形成暂态危害，严重制约了电铁的高速、可靠运行。综上所述，客观上需要在中国现有牵引供电模式基础上研制一种既能解决高速电 力机车自动通过分相存在的一系列暂态危害，同时又能实现牵引变电站电能质量综合补偿 的新型牵引供电设备，从而全面适应高速、重载列车对牵引供电系统的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种牵引网电分相无断电柔 性连接-补偿装置(牵引网电分相 UFCC，Uninterruptible Flexible Connector & Compensator,以下简称UFCC装置)及其方法，本发明既能够自动实现电力机车无断电满功 率通过电分相，又能实现牵弓I变电站电能质量综合补偿。本发明要解决的技术问题之一，是自动实现电力机车无断电满功率通过电分相环 节，使机车在通过电分相期间能够始终无断电地以额定牵引功率全速运行或以额定功率运 行于再生制动状态。机车通过电分相期间无需分合主断路器、无拉弧、无截留过电压、谐振 过电压、合闸过电压，电压互感器无饱和，同时机车主、辅助供电系统均不断电，主变压器和 辅助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，确保电力机车安全、可靠、高速通过电分相。 本发明要解决的技术问题之二，是在没有电力机车通过电分相环节期间，提供针对牵引变 电站负序、无功和谐波等潮流的综合补偿，用以抑制牵引变电站三相电压不平衡和三相电 压波动、实现动态无功补偿和谐波补偿、稳定牵引网电压和提高电气化铁路运能等。为实施上述目的，本发明提出的UFCC装置，该装置包括两相“背靠背”式变流器 组，三个位置传感器；其特征在于，所述两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的 两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组Va和\，以及分别与两台单相变流器组Va和 Vb交流侧相连的两台单相降压变压器组Ta和Tb构成，或与一台单相变流器组Va或Vb交流 侧相连的一台单相降压变压器组Ta或Tb，还包括三个电气量传感器，由开关BKa、BKm、BKb组 成的断路器开关，可控投切开关和主控制器；所述两相“背靠背”式变流器组的一侧输出端 子为X、1，另一侧输出端子为z、w ；从所述输出端子χ分别引出两条支路，其中一条支路与 可控投切开关的下端口相连，可控投切开关的上端口与开关BKa的下端口串联，BKa的上端 口为输出端子1 ；从端子χ引出的另一条支路与开关BKmW下端口串联，BKm的上端口为输 出端子m ；所述输出端子ζ与开关BKb的下端口串联，BKb的上端口为输出端子r ；第一电气量传感器安装在开关BKa下端口，第二电气量传感器安装在开关BKm下端 口，第三电气量传感器安装在开关BKb下端口 ；第一和第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置 传感器安装在电分相中性段中间位置的下方地面；所述主控制器具有6个信号输入端口和4个信号输出端口，主控制器的6个信号 输入端口与所述3个电气量传感器和3个位置传感器分别采用信号线相连接；主控制器的 4个信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组Va和Vb的控 制信号端口相连接；所述的主控制器用于实时检测来自三个电气量传感器的电气信号以及来自三个位置传感器的位置信号；产生对所述两相“背靠背”式变流器组的控制信号，以及产生对可 控投切开关的投切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当没有电力机车通过牵 引变电站电分相时，使该装置运行于对牵引变电站电能质量的综合补偿模式，当有电力机 车即将通过牵引变电站电分相时，使该装置进入无断电柔性过分相模式，实现电力机车无 断电带载通过分相。本发明还提出一种采用上述装置的牵引网电分相无断电柔性连接-补偿方法，其 特征在于，该方法包括以下步骤1)所述装置准备投入运行之前，主控制器使该装置处于待机状态，然后发送控制 信号，使断路器开关的三个开关全部闭合，装置并网；2)主控制器实时监测各测量信号，当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位 置信号时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器控制该装置运行于 对牵引变电站电能质量的综合补偿模式；3)当主控制器接收来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时，表 明当前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制装置退出电能质量综 合补偿模式，使装置运行于无断电柔性过分相模式；4)主控制器再次检测到第二位置传感器或第一位置传感器发送的位置信号时，表 明电力机车已完全通过中性段，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂；主控制器将全 部控制脉冲信号闭锁，使装置处于待机状态，随即发出控制信号令可控投切开关闭合，主控 制器则控制该装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合综合补偿模 式。本发明的特点及有益效果如下本发明利用变频移相技术在几百个工频周波内连续改变电分相中性段的电压相 位，柔性实现中性段电压无断电的相位变化，是本发明的关键创新点之一。仅通过一只可控 投切开关和相应的控制，可实现UFCC装置在两种工作模式之间的切换，是本发明关键创新
点之二。由于每台电力机车无断电通过分相模式持续时间通常不超过10s，除此之外的绝 大部分时间UFCC装置均运行在对牵引变电站的电能质量综合补偿模式，因此对于通过长 时间考核获得的牵引变电站电能质量概率指标而言，UFCC的补偿效果并不受短时的过分相 模式影响。较之传统单纯以电能质量为补偿目标的动态补偿装置，本发明仅通过增加少量 硬件设备，在实现电能质量综合补偿的同时还使电力机车实现了无断电过分相，大大提高 了 UFCC装置的性价比。UFCC装置中可控投切开关始终在无载条件下进行闭合或分断操作， 相比较地面开关自动过分相技术，无需采用真空开关进行带载投切，可显著降低选用开关 的成本，延长开关使用寿命。UFCC装置能够保证高速电力机车在通过电分相的全过程中，始终无断电地以额定 牵引功率全速运行或以额定功率运行于再生制动状态，避免了在传统人工过分相或各种已 有自动过分相技术中存在的对机车供电系统“断电-复电”的操作，因而克服了在由此对 机车供电系统形成的一系列暂态危害。电力机车在通过电分相期间无需分合主断路器、无 拉弧、无截留过电压、谐振过电压、合闸过电压，电压互感器无饱和。同时，机车的主、辅助 供电系统均不断电，主变压器和辅助绕组均无涌流，无牵引力损失和速度降落，尤其适于高速、重载列车以及在复杂地形条件的牵引供电要求，确保电力机车安全、可靠、高速通过电 分相。本发明装置运行于电能质量综合补偿模式时，具有牵引供电臂间有功功率转移、 无功功率和谐波电流补偿的功能，能有效解决牵引变电站功率因数低下、系统三相电压波 动和三相电压不平衡、牵引网电压波动和闪变以及谐波污染等问题，能显著提高电气化铁 路的运能和运力。本发明适用于采用直接供电模式和同轴电缆(Coaxial Cable, CC)供电模式的牵 引供电系统，也适用于采用AT供电模式的牵引供电系统。对于单线牵引变电站，采用单台 UFCC装置即可实现全部功能。对于复线牵引变电站，可采用两台UFCC装置实现。当没有机 车通过电分相时，两台UFCC均运行于电能质量综合补偿模式；当作为过分相装置使用时， 只要上下行线路的机车不同时通过电分相，两台UFCC装置可互为热备用，显著提高了 UFCC 装置运行可靠性。本发明对已有的牵引供电系统及供电模式适应性良好，基本无需对已有的牵引电 变电站和电分相的线路、变压器和接线方式进行改动，有利于UFCC装置的实际工程应用。
图1为已有的地面开关自动过分相技术方案示意图。图2为已有的两相式STATC0M装置的两相“背靠背”式变流器电路结构图。图3为 已有的两相式STATC0M装置在牵弓丨变电站内的接线示意图。图4为本发明提出的电分相无断电柔性连接及补偿装置UFCC系统结构示意图。图5为本发明提出的电分相无断电柔性连接及补偿装置UFCC省去一侧变压器组 Ta的系统结构示意图。图6为本发明所述两相“背靠背”式变流器43直流侧电容器的2种连接方式结构 示意图，其中，图6(a)为连接方式1结构示意图，图6(b)为连接方式2结构示意图。图7为本发明所述变流器组采用的链式结构实施例结构图。图8构成本发明所述变流器组Va和Vb的2η个电压源变流器^的2种实施例结 构图；其中，图8(a)为采用2电平单相H桥结构示意图，图8(b)为采用二极管中点箝位的 3电平变流器结构示意图。图9为本发明由所述m个单相多绕组变压器 ；构成的单相串联多重化单相降压 变压器组实施例结构图。图10为本发明由所述m个单相多绕组变压器T,构成的单相并联多重化单相降压 变压器组实施例结构图。图11为构成本发明单相降压变压器组Ta、Tb的单相多绕组变压器 ；的结构实施 例结构示意图。图12为本发明应用于直接供电模式(或CC供电模式)牵引变电站的系统结构示 意图。图13为本发明应用于AT供电模式牵引变电站的系统结构示意图。图14为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的相量分析图。图15为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的时域示意图。
图16为本发明所述主控制器实现中性段电压变频移相技术的程序流程图。
具体实施例方式本发明结合附图及实施例详细说明如下本发明所述牵引网电分相无断电柔性连接及补偿装置(UFCC)结构如图4所示。本 发明装置包括由开关mca、BKm、BKb组成的断路器开关41，可控投切开关42，共用直流侧电容 器的两相“背靠背”式变流器组(Va和Vb) 43，电气量传感器44、45、46，位置传感器7、8、9和 主控制器47 ；其中，两相“背靠背”式变流器43两侧各具有一对输出端子，一侧输出端子为 x、y，另一侧输出端子为z、w;从所述输出端子χ分别引出两条支路，其中一条支路与可控投 切开关42的下端口相连，可控投切开关42的上端口与断路器开关41中的BKa的下端口串 联，BKa的上端口为输出端子1 ；从端子χ引出的另一条支路与断路器开关41中的Bkm的下 端口串联，BKm的上端口为输出端子m ；所述输出端子ζ与断路器开关41的BKb的下端口串 联，BKb的上端口为输出端子r;所述电气量传感器44安装在断路器开关41的BKa下端口，用以测量该端口侧的 电气信号e4 (包括该端口电压信号V4和流经该端口的电流信号i4和外部电流i41，图中未 示出)；电气量传感器45安装在断路器开关1的BKm下端口，用以测量该端口的电气信号 e5 (包括该端口电压信号V5和流经该端口的电流信号i5和外部电流i51，图中未示出)；电 气量传感器46安装在断路器开关1的BKb下端口，用以测量该端口的电气信号e6 (包括该 端口电压信号V6和流经该端口的电流信号i6，图中未示出)；所述位置传感器7、9分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，位置传感器 8安装在电分相中性段中间位置的下方地面。当所述位置传感器7、8、9检测到电力机车达 到所在位置时，分别向主控制器47发送位置信号W7,、 和w9。所述主控制器47具有6个信号输入端口 an” In2, In3> In4, In5, In6)和4个信号 输出端口(OpOpOyO》，如图4所示。电气量传感器44，45和46的信号输出端口分别为 d4，(15和(16;位置传感器7，8和9的信号输出端口分别为(17，(18和(19。主控制器47的6个 信号输入端口(In1UrvIrvIn4UrvIn6)与3个电气量传感器44、45、46和位置传感器7、 8、9分别采用信号线相连接。其中，主控制器47的信号端口 In1与电气量传感器44的信号 端口 d4与相连，In2与电气量传感器45的信号端口 d5相连，In3与电气量传感器46的信号 端口 d6相连；In4与位置传感器7的信号端口 d7相连，In5与位置传感器8的信号端口 d8相 连，In6与位置传感器9的信号端口 d9相连。可控投切开关42的控制信号端口为d2，由开 关BKa、BKm、BKb组成的断路器开关41的控制信号端口分别*da，dm和db。电压源变流器组 Va的控制信号端口为Dva (Dva表示构成变流器组Va的所有IGBT的控制信号端口总和)，电压 源变流器组Vb的控制信号端口为Dvb (Dvb表示构成变流器组Vb的所有IGBT的控制信号端 口总和)。主控制器47与断路器开关41，可控投切开关42，变流器组Va和Vb的控制信号端 口均采用信号线相连接。其中，主控制器47的信号输出端口 O1与断路器开关41的信号端 口 da，dm和db相连接，O2与可控投切开关42的控制信号端口 d2相连，O3与变流器组Va的 控制信号端口 Dva相连，O4与变流器组Vb的控制信号端口 Dvb相连。所述的主控制器47实时检测来自电气量传感器44、45、46的电气信号e4、e5、e6，以 及来自位置传感器7、8、9的位置信号W7，、W8和 。主控制器47产生对所述两相“背靠背”式变流器43的控制信号Cva和Cvb，产生对可控投切开关42的投切控制信号C2和断路器开 关41的闭合/关断控制信号C1 ；当电力机车通过电分相时，使可控投切开关2断开，所述装 置工作在无断电过分相模式，采用变频移相技术对中性段3电压进行幅值和相位控制，实 现电力机车无断电带载通过分相；当无机车通过时，使可控投切开关2闭合，所述装置工作 在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿，以解决牵引变电 站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。所述共用直流侧电容器的两相“背靠背”式变流器43，可由共用直流侧电容器组C 的两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组Va和Vb以及分别与两台单相变流器组Va和 Vb交流侧相连的2台单相降压变压器组Ta和Tb构成，如图4所示。所述共用直流侧电容器 的两相“背靠背”式变流器，亦可省去其中一侧单相降压变压器组Ta或Tb，如图5所示。所述两相“背靠背”式变流器组43的两侧单相变流器组Va和Vb与共用的直流侧 电容器的连接方式有2种实施例结构连接方式1如图6(a)所示。电压源变流器组\和 Vb均是由η个单相电压源变流器Vri，Vrt，…VH，…Vm构成。令单列高速电力机车额定功率容量为St，单个电压源变流器Vh额定视载功率容 量为Sw，则η取值应满足关系式(1)
权利要求
1.一种牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置，该装置包括两相“背靠背”式变流器 组，三个位置传感器；其特征在于，所述两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的 两台采用“背靠背”方式连接的单相变流器组Va和Vb.以及分别与两台单相变流器组Va和 Vb交流侧相连的两台单相降压变压器组Ta和Tb构成，或与一台单相变流器组Va或Vb交流 侧相连的一台单相降压变压器组Ta或Tb，还包括三个电气量传感器，由开关BKa、BKm、BKb组 成的断路器开关，可控投切开关和主控制器；所述两相“背靠背”式变流器组的一侧输出端 子为X、1，另一侧输出端子为z、w ；从所述输出端子χ分别引出两条支路，其中一条支路与 可控投切开关的下端口相连，可控投切开关的上端口与开关BKa的下端口串联，BKa的上端 口为输出端子1 ；从端子χ引出的另一条支路与开关BKmW下端口串联，Bkm的上端口为输 出端子m ；所述输出端子ζ与开关BKb的下端口串联，BKb的上端口为输出端子r ；第一电气量传感器安装在开关BKa下端口，第二电气量传感器安装在开关BKm下端口， 第三电气量传感器安装在开关BKb下端口 ；第一和第二位置传感器分别安装在电分相两侧的牵引供电臂下方地面，第三位置传感 器安装在电分相中性段中间位置的下方地面；所述主控制器具有6个信号输入端口和4个信号输出端口，主控制器的6个信号输入 端口与所述3个电气量传感器和3个位置传感器分别采用信号线相连接；主控制器的4个 信号输出端口均采用信号线分别与断路器开关，可控投切开关，变流器组Va和Vb的控制信 号端口相连接；所述的主控制器用于实时检测来自三个电气量传感器的电气信号以及来自三个位置 传感器的位置信号；产生对所述两相“背靠背”式变流器组的控制信号，以及产生对可控投 切开关的投切控制信号和断路器开关的闭合/关断控制信号；当有电力机车即将通过牵引 变电站电分相时，使该装置进入无断电柔性过分相模式，实现电力机车无断电带载通过分 相，当无机车通过时，使该装置工作在电能质量综合补偿模式，实现有功功率转移、无功功 率补偿和谐波补偿，以解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数 低下以及谐波污染问题。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器组中的Va和Vb均是由η个 单相电压源变流器构成，η取值范围为20 < η < 100 ；所述直流侧电容器组由其2η个电容 器组成，连接方式为所述每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，各电容 器正极直流母线与其他电容器正极直流母线相连，负极直流母线与其他电容器负极直流母 线相连。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器组中的Va和Vb均是由η个 单相电压源变流器构成，η取值范围为20 < η < 100 ；所述直流侧电容器组由其2η个电容 器组成，连接方式为每个单相电压源变流器的两直流端之间连接一个电容器，变流器组Va 中第i个电压源变流器的直流侧电容器仅和变流器组Vb中第i个电压源变流器Vh的直流 侧电容器按照正、负极性相互并联，各组“背靠背”连接变流器直流侧电容器相互之间独立， 电气保持隔离。
4.如权利要求2或3所述装置，其特征在于，所述每个单相电压源变流器采用2电平单 相H桥结构，该结构包含有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上下2个绝缘门极双极型晶体管 及其反并联二极管组成，两个桥臂的上、下端分别连接在一起，构成变流器的直流母线并与直流电容相并联，上端母线为正极，下端母线为负极。
5.如权利要求2或3所述装置，其特征在于，所述每个单相电压源变流器采用二极管中 点箝位的3电平变流器结构，包括有两个桥臂，其中每个桥臂分别由上、下各2个绝缘门极 双极性晶体管，箝位二极管和直流侧两组相互串联的电容器组成；每个桥臂由2个电容器 串联构造出一个电压中性点，由该电压中性段引出2只相互串联的箝位二极管对该桥臂进 行电压箝位，其中上侧箝位二极管的阳极与下侧箝位二极管阴极相连后接入电压中性点， 同时上侧箝位二极管的阴极接入上侧2只绝缘门极双极型晶体管连接中点，下侧箝位二极 管的阳极接入下侧2只绝缘门极双极型晶体管的连接中点；2个桥臂的上、下两端分别连 接在一起，与2组电容器组共同构成变流器的直流母线，其上端母线为正极，下端母线为负 极，电容器构造的中性点引出作为中性极。
6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述单相降压变压器组TjPTb均由m个单相多 绕组变压器组 ；通过多重化连接构成，m数值满足η = mX j，其取值范围在8 50之间)， 该多重化连接方式为单相串联多重化变压器组或单相并联多重化变压器组；所述单相串联 多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器的m个原边绕组按同名端依次串联构成；所 述单相并联多重化变压器组，由共计m个单相多绕组变压器的m个原边绕组按同名端全部 并联构成；所述单相多绕组变压器 ；由1个原边绕组和j个副边绕组构成，其中j > 1且 j不大于6的整数；所述j个副边绕组与原边绕组P之间的互阻抗相同。
7.一种采用如权利要求1所述装置的牵引网电分相无断电柔性连接-补偿方法，其特 征在于，该方法包括以下步骤1)所述装置准备投入运行之前，主控制器使该装置处于待机状态，然后发送控制信号， 使断路器开关的三个开关全部闭合，装置并网；2)主控制器实时监测各测量信号，当主控制器未接收到三个位置传感器发送的位置信 号时，表明当前没有电力机车通过牵引变电站电分相，则主控制器控制该装置运行于对牵 引变电站电能质量的综合补偿模式；3)当主控制器接收来自第一位置传感器或第二位置传感器发送的位置信号时，表明当 前有电力机车即将通过牵引变电站电分相，则主控制器47控制装置退出电能质量综合补 偿模式，使装置运行于无断电柔性过分相模式；4)主控制器再次检测到第二位置传感器或第一位置传感器发送的位置信号时，表明电 力机车己完全通过中性段，经过绝缘锚段关节驶入另一侧牵引供电臂；主控制器将全部控 制脉冲信号闭锁，使装置处于待机状态，随即发出控制信号令可控投切开关闭合，主控制器 则控制该装置结束电分相无断电柔性过分相模式，重新返回电能质量综合补偿模式。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤2)主控制器控制所述装置运行于对 牵引变电站电能质量的综合补偿模式，该模式流程的具体步骤如下.2. 1)主控制器发送控制信号使可控投切开关闭合；.2. 2)主控制器实时检测第一电气量传感器、第三电气量传感器接收的电气量信号，用 以实时计算牵引供电臂1和牵引供电臂2的负荷有功功率和无功功率，并分解出负荷电流 中的谐波电流成分；.2. 3)主控制器通过控制信号，采用与两相式STATC0M相同的补偿原理使所述装置利用 通过直流侧电容“背靠背”连接的两相式变流器，在牵引供电臂1和2之间转移有功功率，使得两侧供电臂有功功率平衡，并分别补偿两供电臂的无功功率和谐波电流；从而实现对 牵引变电站电能质量的综合补偿。
9.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤3)主控制器47控制所述装置运行于 无断电柔性过分相模式，其流程具体步骤如下 3. 1)主控制器首先使所述装置处于待机状态；(3. 2)判断机车来车方向若检测到第一位置传感器发送的信号，表明机车从牵引供电 臂1方向开来，将从左侧首先通过绝缘锚段关节MDa ；若检测到第二位置传感器发送的信 号，表明机车从牵引供电臂2方向开来，将从右侧首先通过绝缘锚段关节MDb ；(3. 3)主控制器发出控制信号控制可控投切开关断开，并根据已经判定的机车过分相方 向，对起始电压锁定当机车从牵引供电臂1方向开过来时，主控制器采集第一电气量传感 器的采样信号中的电压采样信号作为目标电压，生成对变流器组Va的控制信号，并协调变 流器组\的控制信号使直流侧电容电压维持稳定，从而令变流器组Va在中性段产生与与 Va的幅值和相位完全相同的中性段电压V。，主控制器47还要计算出Va电压有效值Vaniis并 进行存储；(3. 4)主控制器预先计算变频移相中所采用的频率令牵引供电系统频率为&，预设 UFCC装置实现中性段电压移相的时间为ΤΔ，ΤΔ为工频周期的1 倍，1 通常取正整数，且满 足k2 = Τδ · fi ；令中性段电压V。从ts时刻经过ΤΔ时间后在、时刻完成从Va到V0的相 移过程，相移角为θ角；则T1可由下式计算
全文摘要
本发明涉及牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法，属于铁路运输设备和电力电子技术领域；该装置包括两相“背靠背”式变流器组，三个位置传感器；两相“背靠背”式变流器组由共用直流侧电容器组的两台单相变流器组Va和Vb.以及分别与两台单相变流器组Va和Vb交流侧相连的两台单相降压变压器组Ta和Tb构成，或与一台单相变流器组Va或Vb交流侧相连的一台单相降压变压器组Ta或Tb，还包括三个电气量传感器，断路器开关，可控投切开关和主控制器。该装置可在两种模式下工作，实现电力机车无断电带载通过分相。具有的有功功率转移、无功功率补偿和谐波补偿功能，能够解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动波动，功率因数低下以及谐波污染等问题。
文档编号H02J3/01GK102126438SQ20101059643
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者姜齐荣, 田旭, 魏应冬 申请人:清华大学
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