具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置及其方法

摘要

本发明公开一种具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置及其方法，该装置多重化降压模块，用于接入牵引网供电末端两供电臂电源并进行降压，包括两个结构相同的单相多绕组变压器通过连接开关分别对应接入两供电臂电源；功率融通变流模块，用于对接入的两供电臂电源分别进行能量变换，包括多个变流子模块，两输入侧分别经两个单相多绕组变压器的对应副边绕组接入一组电压进行能量变换，通过控制各个变流子模块的导通提升输出电压以及进行两供电臂的功率融通；该方法通过控制各功率融通变流模块稳定以及提升末端网压。本发明具有结构简单、成本低、能够提升牵引供电末端网压，同时具有功率融通功能、抑制车网谐振等功能优点。

说明书

技术领域

本发明涉及牵引网末端网压电能治理技术领域，尤其涉及一种具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置及其方法。

背景技术

近年来，随着我国电气化铁道行车密度和单车功率的与日俱增，牵引网长供电臂电压跌落严重，已影响到了电力机车的正常运行，也限制了运量的进一步提升。针对于牵引供电末端的网压过低问题，目前主要有以下几种解决方式：

1）采用增设变电站方式，如大秦线延庆牵引网；但该类方式投资大，所需成本高；

2）采用串联电容补偿装置提高牵引网末端网压的方式，例如宝（鸡）－兰（州）二线通（安驿）唐（家堡）牵引网；该类方式由于串补容量小，因而其实际提升效果不佳；

3）采用调节变压器抽头提高变压器出线电压的方式，由于机车本身运行特性以及补偿装置局限性，该类方式对供电臂末端网压的改善作用也非常有限；

4）在牵引供电末端加装FC装置或TSC装置的方式，例如中国专利申请CN102222916A公开一种电气化铁路供电臂末端网压提高装置及其方法，通过在牵引变电所供电臂的末端装设FC装置，实现对负荷无功电流的就地动态补偿，从而提高线路网压；中国专利申请CN101882788A公开一种重载铁路长供电臂末端网压提高方式及装置，通过在长供电臂的末端的自耦变压器端装有降压式多组TSC，改善末端网压.

从上述可知，在牵引供电末端加装FC装置或TSC装置的方式仅能实现单一的网压提升功能，而且单纯依靠FC或TSC提供的容性无功功率来提高电压具有很大的局限性，倒送容性无功到牵引供电系统将会导致变电所计量考核侧的功率因数长期偏低，罚款严重，同时由于牵引供电系统网压波动频繁；且其中若采取FC装置，不能根据网压动态调节容性无功，牵引系统网压也会波动频繁，不利于安全行车；若采用TSC装置，将会导致装置频繁投切，不利于设备的安全稳定运行。

综上所述，现有技术中的牵引供电末端网压提升方式，一方面提升效果有限且成本较高，不能够实现高性能的网压提升功能；另一方面，由于仅能作为单一的网压提升装置，无法结合电能质量治理解决牵引网供电末端的电能质量问题，功能单一、性价比不高，且存在电网的安全性能问题。因此，提供一种适用于中国电气化铁路供电系统，使其投资少、所需周期短且提升性能好，同时能够解决电能质量治理问题的牵引供电末端网压提升装置，是迫在眉睫的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、且应用广泛的具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置及其方法，能够有效提升牵引供电末端网压并稳定电压波动，同时具有功率融通、抑制车网谐振等的功能。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置，包括：

多重化降压模块，用于接入牵引网供电末端两供电臂电源并进行降压，包括两个结构相同的单相多绕组变压器，两个所述单相多绕组变压器通过连接开关分别对应接入两供电臂电源，对应输出降压后的多组α臂电压、β臂电压；

功率融通变流模块，用于对接入的两供电臂电源分别进行能量变换，包括多个变流子模块，每个所述变流子模块的两输入侧分别经两个所述单相多绕组变压器的对应副边绕组接入一组α臂电压、β臂电压进行能量变换，通过控制各个变流子模块的导通提升输出电压以及进行两供电臂的功率融通。

作为本装置的进一步改进：所述变流子模块包括分别设置在两输入侧的两个软充电电路以及连接在两个所述软充电电路之间的功率单元，所述功率单元包括两个相同结构的H桥换流电路，每个所述H桥换流电路分别通过所述软充电电路对应连接一个单相多绕组变压器的副边绕组，每个所述H桥换流电路均包括四个全控型开关元器件，通过控制各全控型开关元器件的导通控制所述功率单元的输出电压。

作为本装置的进一步改进：所述功率融通变流模块采用预装式变流器。

作为本装置的进一步改进：还包括两个用于滤除高次谐波以及提供部分容性无功功率的高通滤波器，两个所述高通滤波器通过连接开关分别接入牵引网供电末端的两供电臂。

作为本装置的进一步改进：所述高通滤波器安装于牵引网末端的分区所或开闭所。

本发明还提供一种根据上述牵引供电末端网压提升装置的方法，该方法具体包括：分别检测两供电臂的末端网压并进行判断，若处于预设的最大网压值与最小网压值范围内，则控制各个所述变流子模块不动作；否则使能网压提升及稳定模式，其中若存在一个以上供电臂的末端网压大于预设的最大网压值，则通过控制各个所述变流子模块的导通输出感性无功功率，稳定对应供电臂的末端网压；若存在一个以上的供电臂的末端网压小于预设的最小网压值，则通过控制各个所述变流子模块的导通输出容性无功功率，提升对应供电臂的末端网压。

作为本发明方法的进一步改进，还包括有功功率融通步骤，具体步骤包括：

分别检测两供电臂的出线处电流信号以及网压信号，并计算得到对应的有功功率；

判断两供电臂之间的有功功率之差大小，若小于预设的最小有功功率值，则控制各个所述变流子模块不动作；否则使能有功功率融通模式，其中若大于预设的最大有功功率值，则通过控制各个所述变流子模块的导通，将两供电臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按照满容量传输有功功率；若处于预设的最大功率值与最小功率值内，则通过控制各个所述变流子模块的导通，将两供电臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按照所述有功功率之差的指定比例大小传输有功功率。

作为本发明方法的进一步改进，还包括有功功率融通步骤，具体步骤包括：判断两供电臂之间的末端网压值之差大小，若小于预设的最小网压值，则控制各个所述变流子模块不动作；否则使能有功功率融通模式，其中若大于预设的最大网压值，通过控制各个所述变流子模块的导通，将两供电臂中末端网压较低的一侧向末端网压较高的一侧按照满容量传输有功功率；若处于预设的最大网压值与最小网压值范围内，通过控制各个所述变流子模块的导通，将两供电臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按照所述出线网压值之差的指定比例传输有功功率。

作为本发明方法的进一步改进，还包括无功功率补偿步骤，具体步骤包括：若两供电臂的末端网压均大于预设的最小网压值，通过控制各个所述功率融通变流模块的导通补偿两供电臂的无功功率以提升功率因数。

作为本发明方法的进一步改进：还包括抑制车网谐振步骤，具体步骤包括：检测两供电臂的末端网压信号以及末端电流信号，并根据检测到的信号分解出各次谐波含量，控制各个所述变流子模块的全控型开关元器件进行高频开关，输出用于抵消检测得到的所述各次谐波含量的谐波电流以抑制车网谐振。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明通过两个单相多绕组变压器分别接入两供电臂电源并进行多重化降压，降压后的电压分别从两输入端接入功率融通变流模块中进行能量变换，通过控制各变流子模块的导通即可实现输出电压的提升以及稳定电压波动、抑制车网低次谐波，同时各功率融通变流模块通过单相多绕组变压器跨接于末端两供电臂之间，因而可以实现两供电臂之间的有功功率融通，提高牵引供电系统的整体容量利用率；

2）本发明利用多重化变压器的高阻抗替代传统的连接电抗器，能够连接电网电压与功率融通变流器模块的输出电压，从而满足功率流动的条件，同时也可以抑制纹波电流；

3）本发明进一步包括两个高通滤波器，通过接入两个高通滤波器可实现对牵引网交流机车生产的高次谐波的滤除以及改变线路阻抗，实现抑制车网谐振功能，且由于滤波装置为容性，可适当的提升部分末端网压，进一步提高末端网压的提升功能；

4）本发明功率融通变流模块采用预装式变流器构成成套装置，每个变流子模块即为一重功率柜，所有的功率柜及控制柜放置在集装箱内部，便于在集装箱内部采用温、湿度自动调节系统，因而安装方便，有效缩短了所需现场施工周期，且通过温湿度自动控制，增强了环境的适应性，使得可广泛应用于高温、高寒等恶劣环境中；同时每重功率柜单独成柜，各每重功率柜之间并联运行且互不影响，便于实现容量扩展；

5）本发明功率融通变流模块采用集装箱式结构，可装于分区所中，通过主从控制模式即可实现就地或远程监控，从而实现无需人值守；

6）本发明无需更换变电所内主变即可提升牵引网的供电能力，有效实现牵引供电末端网压的提升以及电压稳定，同时进行进一步兼顾有功融通、无功补偿以及抑制车网谐振等多种功能，实现电能质量综合治理。

附图说明

图1是本实施例具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置的主电路结构示意图。

图2是本实施例中功率融通变流模块的控制原理示意图。

图3是本实施例中提升及稳定末端网压模式的实现原理示意图。

图4是本实施例中第一种有功功率融通模式的实现原理示意图。

图5是本实施例中第二种有功功率融通模式的实现原理示意图。

图6是本实施例中无功补偿模式的实现原理示意图。

图7是本实施例中抑制车网谐振模式的实现原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置，包括：

多重化降压模块，用于接入牵引网供电末端两供电臂电源并进行降压，包括两个结构相同的单相多绕组变压器，两个单相多绕组变压器通过连接开关分别对应接入两供电臂电源，对应输出降压后的多组α臂电压、β臂电压；

功率融通变流模块，用于对接入的两供电臂电源分别进行能量变换，包括多个变流子模块，每个变流子模块的两输入侧分别经两个单相多绕组变压器的对应副边绕组接入一组α臂电压、β臂电压进行能量变换，通过控制各个变流子模块的导通提升输出电压以及进行两供电臂的功率融通。

本实施例通过两个单相多绕组变压器分别接入两供电臂电源并进行多重化降压，降压后的多组α臂电压、β臂电压分别从两输入端接入各变流子模块中进行能量变换，通过控制各变流子模块的导通即可实现输出电压的提升以及稳定，同时功率融通变流模块通过单相多绕组变压器跨接于末端两供电臂之间，因而可以实现两供电臂之间的有功功率融通，提高牵引供电系统的整体容量利用率。本实施例具有功率融通功能的牵引供电末端网压提升装置直接挂接27.5kV馈线，可适用于V/v，V/X，SCOTT等各种电气化铁路用变压器。

参见图1，本实施例由单相多绕组变压器T1、单相多绕组变压器T2分别通过连接开关QF1、QF2连接至牵引网末端的α、β两供电臂，通过连接开关QF1、QF2可实现故障时的保护跳闸，接入的两供电臂电源提供至功率融通变流模块，其中单相多绕组变压器可采用高阻抗单相多绕组变压器，具体包括n个副边绕组，功率融通变流模块对应设置n个变流子模块U1~Un，n的具体取值可根据所需容量以及功率融通变流模块的容量选取。本实施例利用多重化变压器的高阻抗替代传统的连接电抗器，能够连接电网电压与功率融通变流器模块中逆变器的输出电压，从而满足功率流动的条件，同时也可以抑制纹波电流。

本实施例中，变流子模块包括分别设置在两输入侧的两个软充电电路以及连接在两个软充电电路之间的功率单元，功率单元包括两个相同结构的H桥换流电路，每个H桥换流电路分别通过软充电电路对应连接一个单相多绕组变压器的副边绕组，每个H桥换流电路均包括四个全控型开关元器件，通过控制各全控型开关元器件的导通控制功率单元的输出电压，从而实现两供电臂的无功补偿、有功功率融通以及谐波治理。

如图1所示，功率单元具体采用背靠背四象限功率单元，包括依次连接的左侧的H桥换流电路、直流电容（C1~Cn）以及右侧的H桥换流电路，其中左侧的H桥换流器通过第一软充电电路对应连接单相多绕组变压器T1的一个副边绕组，第一软充电电路包括旁路开关KM3n以及由串联连接的充电接触器KM1n、充电电阻R11构成的第一充电支路；右侧的H桥换流器通过第二软充电电路对应连接单相多绕组变压器T2的一个副边绕组，第二软充电电路包括旁路开关KM4n以及由串联连接的充电接触器KM2n、充电电阻R21构成的第二充电支路。

本实施例中，功率融通变流模块采用预装式变流器构成成套装置，每个变流子模块即为一重功率柜，所有的功率柜及控制柜放置在集装箱内部，便于在集装箱内部采用温、湿度自动调节系统，因而安装方便，有效缩短了所需现场施工周期，且通过温湿度自动控制，增强了环境的适应性，使得可广泛应用于高温、高寒等恶劣环境中；同时每重功率柜单独成柜，各每重功率柜之间并联运行且互不影响，便于实现容量扩展。

本实施例中，还包括两个用于滤除高次谐波以及提供部分容性无功功率的高通滤波器，两个高通滤波器通过连接开关分别接入牵引网供电末端的两供电臂。如图1所示，左侧的高通滤波器通过连接开关QF3接入α供电臂，包括滤波电容器C1以及并联连接的滤波电抗器L1、无感电阻器R1；右侧的高通滤波器通过连接开关QF4接入β供电臂，包括滤波电容器C2以及并联连接的滤波电抗器L2、无感电阻器R2。通过对滤波电容器C1、C2，滤波电抗器L1、L2以及无感电阻器R1、R2的设置，即可实现对13次以上高次谐波的滤除以及改变线路阻抗。

本实施例分别在两个供电臂末端设置用于采集末端网压信号的电压互感器PT1、PT2，分别在两供电臂的出线端设置用于采集出线网压信号的电压互感器PT3、PT4以及用于采集出线电流信号的电流互感器TA01、TA02。

上述装置运行前，先闭合连接开关QF1、QF2接入α供电臂、β供电臂电源并进行软充电过程，两个软充电电路闭合充电接触器KM1n、KM2n，经充电电阻R1n、R2n对各功率单元中的直流电容进行充电，待充电充满时，闭合旁路开关KM3n、KM4n，完成软充电过程，装置具备运行条件。

上述装置运行时，就近采集牵引网两供电臂的末端电压信号（由电压互感器PT1、PT2采集得到），通过控制各变流子模块的功率单元中的全控型开关器件导通调节输出电压，达到提升并稳定网压以及补偿谐波的效果；同时可通过采集变电所两供电臂的出线处电压、电流信号，控制实现两供电臂的无功功率补偿及有功功率融通，提高牵引网总体的容量利用率。当闭合连接开关QF3、QF4接入两个高通滤波器时，还可实现对牵引网交流机车生产的高次谐波的滤除，且由于滤波装置为容性，因而可适当的提升部分末端网压，进一步提高末端网压的提升功能。

本实施例中，上述牵引供电末端网压提升装置还包括功率融通变流模块的控制系统，由控制系统控制各变流子模块中功率单元的全控型开关元器件（如IGBT、IGCT、IGET等）导通与关断。如图2所示，本实施例中通过总控制器采集首端电流信号及末端网压信号，经过分析、计算控制各功率柜的控制器工作，各功率柜控制器根据总控制器指令，进一步控制各功率单元的全控型开关元器件导通或关断；同时总控制器采集各全控型开关元器件的开关状态信号以及内部的电压、电流信号进行闭环反馈控制。总控制器还可通过RS485、以太网或CAN等与上位机及后台监控通讯，实现成套装置的就地或远程监控。

本实施例还包括上述牵引供电末端网压提升装置的方法，实现提升及稳定末端网压模式，该方法具体包括：分别检测两供电臂的末端网压并进行判断，若均处于预设的正常网压范围内，则控制各个变流子模块不动作；否则使能网压提升及稳定模式，其中若存在一个以上供电臂的末端网压大于预设的最大网压值，则通过控制各个变流子模块的导通输出感性无功功率，稳定对应供电臂的末端网压；若存在一个以上的供电臂的末端网压小于预设的最小网压值，则通过控制各个变流子模块的导通输出容性无功功率，提升对应供电臂的末端网压。

如图3所示，本实施例具体通过控制系统检测供电臂末端网压信号（由电压互感器PT1、PT2得到）U1、U2，将两供电臂的末端网压电压U1、U2经过PLL锁相环控制后分别与预设值Uset进行比较，当U1、U2均处于正常网压范围，即Umin≤U1≤Umax，且Umin≤U2≤Umax，其中Umin为预设的最小网压值，Umax为预设的最大网压值，控制各变流子模块不动作；否则使能网压提升及稳定模式，当U1或U2大于Umax时，控制系统通过PWM控制对应供电臂的各变流子模块输出感性无功，可以在接入高通滤波器时抵消高通滤波器产生的容性无功功率，稳定网压；当两供电臂的末端电压U1或U2小于Umin时，控制系统通过PWM控制对应供电臂的各变流子模块输出容性无功功率，提升对应供电臂的末端网压。

本实施例中，还包括有功功率融通、无功功率补偿、抑制车网谐振模式步骤，可以实现有功功率融通模式、无功功率补偿模式以及抑制车网谐振模式等多种功能模式。具体可根据预先设定的优先级条件，以提升并稳定牵引供电末端网压为目标，通过控制系统控制实现各功能模式。

各个控制模式的具体控制策略如下：

A、有功功率融通模式

本实施例有功功率融通模式可分别以两供电臂的有功功率、末端网压作为判据进行使能。

a）以两供电臂的有功功率为判据

本实施例中第一种有功功率融通步骤具体包括：分别检测两供电臂的出线处电流信号以及网压信号，并计算得到对应的有功功率；判断两供电臂之间的有功功率之差大小，若小于预设的最小有功功率值，则控制各个变流子模块不动作；否则使能有功功率融通模式，其中若大于预设的最大有功功率值，则通过控制各个变流子模块的导通，将两供电臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按照满容量传输有功功率；若处于预设的最大功率值与最小功率值范围内时，则通过控制各个变流子模块的导通，将两供电臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按照有功功率之差的指定比例大小传输有功功率。

本实施例具体通过控制系统检测两供电臂出线处电流信号I1、I2（由电流互感器TA01、TA02获取）以及网压信号U3、U4（由电压互感器PT3、PT4获取），计算出两供电臂对应的有功功率P1、P2，根据有功功率P1、P2之间使能有功功率融通模式。有功功率融通模式即转移有功为工频，如图4所示，两供电臂出线处电流信号I1、I2经过LPF低通滤波器滤除高次信号以用于快速计算，以及网压信号U3、U4经过PLL锁相环控制后进行功率计算，分别得到对应的两供电臂有功功率并进行比较，当│P1-P2│≤Pmin，有功功率融通不动作；否则使能有功功率融通模式，当│P1-P2│≥Pmax时，其中Pmax为预设的最大功率值，由α臂、β臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按满容量传输有功功率；当Pmin＜│P1-P2│＜Pmax，由α臂、β臂中低有功功率一侧向高有功功率一侧按有功功率差值的指定比例大小（本实施例取50%）传输有功功率。

b) 以两臂末端网压信号U1、U2为判据

本实施例中第二种有功功率融通步骤包括：判断两供电臂之间的末端网压值之差大小，若小于预设的最小网压值，则控制各个变流子模块不动作；否则使能有功功率融通模式，其中若大于预设的最大网压值，通过控制各个变流子模块的导通，将两供电臂中末端网压较低的一侧向末端网压较高的一侧按照满容量传输有功功率；若处于预设的最大网压值与最小网压值范围内，通过控制各个变流子模块的导通，将两供电臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按照所述出线网压值之差的指定比例传输有功功率。

本实施例具体直接检测两供电臂的末端网压值（取自PT1、PT2）U1、U2，根据末端网压值U1、U2之差值使能有功功率融通模式。如图5所示，两供电臂的末端网压U1、U2经过PLL锁相环控制后与预设值Uset进行比较，当│U1-U2│≤Umin，其中Umin为预设的最小网压值，有功功率融通不动作；否则使能有功功率融通模式，当│U1-U2│≥Umax，其中Umax为预设的最大网压值，由α臂、β臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按满容量传输有功功率；当Pmin＜│U1-U2│＜Umax，由α臂、β臂中有功功率较低的一侧向有功功率较高的一侧按网压差值的指定比例大小（本实施例取50%）传输有功功率。

B、无功功率补偿模式

本实施例中，无功补偿功率步骤具体包括：若两供电臂的末端网压均大于预设的最小网压值，通过控制各个所述功率融通变流模块的导通补偿两供电臂的无功功率以提升功率因数。

本实施例具体通过控制系统检测两供电臂的末端网压值U1、U2（由电压互感器PT1、PT2获取），供电臂出线处电流信号I1、I2（由电流互感器TA01、TA02获取），以及网压信号（由电压互感器PT3、PT4获取）U3、U4，根据末端网压值U1、U2使能无功补偿功率模式。如图6所示，α臂、β臂的末端网压U1、U2分别经过PLL锁相环控制后计算功率因数，当末端网压U1、U2均大于预设的最小网压值Umin时，使能无功补偿模式，自动补偿各臂无功功率，将功率因数提升至预设范围（本实施例取0.9及以上）。

C、抑制车网谐振模式

本实施例中，抑制车网谐振步骤包括：检测两供电臂的末端网压信号以及末端电流信号，并根据检测到的信号分解出各次谐波含量，输出检测得到的各谐波信号；控制各个变流子模块进行2kHZ以上高频开关，输出用于抵消检测得到的各谐波信号中低次谐波电流以抑制车网谐振。

本实施例具体通过控制系统检测两供电臂的末端网压信号（由电压互感器PT1、PT2获取）U1、U2，以及两供电臂的出线处电流信号I1、I2（由电流互感器TA01、TA02获取），分解出各次谐波含量。抑制车网谐振模式即滤除检测到的工频信号，如图7所示，α臂、β臂的出线处电流信号I1、I2分别经过HPF高通滤波器滤除低次信号以用于快速计算，滤波后进行谐波电流解析，使能抑制车网谐振模式，通过控制功率单元的全控型开关元器件进行高频开关，输出13次以内且与检测到的谐波大小相等、方向相反的谐波电流，与检测到的13次以内低次各谐波抵消；同时由高通滤波器可以就近滤除13次以上高次谐波，进一步达到抑制车网谐振效果。

本实施例可以通过建立以提升并稳定牵引供电末端网压为目标，同时以有功融通、无功补偿、谐波治理等为约束的控制模型，各模式采用上述控制策略，使得能够有效实现牵引供电末端网压的提升以及电压稳定，同时进行进一步兼顾有功融通、无功补偿以及抑制车网谐振等多种功能，实现电气化铁路供电电能质量的综合治理。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。