單相供電裝置、電氣化鐵路牽引供電系統及其控制方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了單相供電裝置及其新型電氣化鐵路牽引供電系統、控制方法，供電系統包括供電同步控制器、若干單相供電裝置、若干區間聯絡開關，單相供電裝置包括多副邊繞組變壓器、若干功率轉換單元體和主控制器，供電同步控制器負責牽引網全網電壓的有效值、頻率和相位均一致，單相供電裝置根據同步指令實現三相電源轉化為同步的單相電源，區間聯絡開關連接各個供電區間為統一整體。本發明專利技術有效解決了傳統牽引供電系統對公共電網造成的電能質量問題，為電氣化機車提供可控、可靠、連續的供電電源，同時提供融冰功能，保障了牽引供電系統的安全可靠。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種單相供電裝置、電氣化鐵路牽引供電系統及其控制方法，屬于電力電子變流技術和電氣化鐵路牽引供電

技術介紹
在當今國內外高鐵大發展的時代下，電氣化鐵路為國民經濟的高速發展提供了強有力的支撐作用，然而隨著電氣化鐵路的規模日益擴大，其對公共電網的“污染”也日益明顯，主要體現在無功、諧波和負序三個方面。其中，由于各種類型的動態無功補償(SVG、SVC)、有源濾波裝置(APF)和機車高功率因數整流器(HPF‐Rectifier)的推廣應用，無功和諧波問題已經得到一定程度的控制，但是對負序分量的治理尚且沒有取得明顯效果。電氣化鐵路負序分量的問題，其根源就在于電氣化鐵路的牽引變電站采用三相取電、單相供電的結構，雖然通過平衡變壓器(Scott)、三相輪流轉單相等技術手段可以在一定程度上降低負序分量，但由于機車負載在整個供電區間分布的時空不均勻性非常明顯，因此解決負序分量的問題應該從供電方法上著手進行。專利技術專利201310487237.2提供了一種同相供電裝置及牽引系統，主要針對采用平衡變壓器(Soctt)的牽引供電系統，對采用直接供電形式的牽引供電系統沒有效果，而且會導致牽引站的原有供電區間發生變化。專利技術專利201511032376.1提供一種模塊化多電平結構的交直交牽引供電系統，采用MMC結構的變流器實現電能變換，不易實現冗余，控制技術復雜，成熟度稍低。專利技術201510104620.4提供了一種用于電力牽引供電系統的三相轉單相變換器，采用二極管整流、晶閘管逆變、變壓器升壓的結構，二極管整流器無法吸收機車回饋的電能，另外沒法實現冗余和備用，可靠性偏低。專利技術200910041299.4提供了軌道電力機車的牽引同相供電裝置，需要對牽引變電站原有的接線形式進行大幅度變更，需要配置有功調節器和無功調節器，系統復雜，實用性有待提高。現有的牽引供電網分為一個個供電區間，每一個供電區間內牽引網的電壓均不相同，因此列車在過區間時會產生短時供電中斷以及過區間沖擊的問題，對列車和牽引網均造成了安全隱患。另外，電氣化鐵路牽引供電系統易受季節性的凝凍和覆冰等極端天氣影響，需要單獨配套融冰裝置，以移動式的直流融冰裝置為例，投入使用時需要臨時接線，工作量很大，融冰裝置的利用率也很低，但如有多條線路需要融冰往往又難以兼顧。
技術實現思路
本專利技術提供單相供電裝置、電氣化鐵路牽引供電系統及其控制方法，通過將高電壓分解為多個低電壓、三相均勻承擔負荷、單相疊加輸出的技術手段，解決了現有電氣化鐵路牽引供電系統長期存在的電能污染問題。本專利技術單相供電裝置采用如下技術方案來實現：單相供電裝置，包括多繞組變壓器、若干功率轉換單元及主控制器；所述多繞組變壓器包括一個高壓原邊繞組和多個低壓副邊繞組，副邊繞組的組數為P，每組副邊繞組對原邊繞組的變比均為K，每組副邊繞組與一個功率轉換單元的輸入端對應連接；若干功率轉換單元的輸出端依次相連，并從第一個功率轉換單元的L臂引出所述單相供電裝置的第一輸出端，從第P個功率轉換單元的R臂引出所述單相供電裝置的第二輸出端；所述主控制器與每一功率轉換單元相連，控制每一功率轉換單元的運行。本專利技術電氣化鐵路牽引供電系統采用如下技術方案來實現：電氣化鐵路牽引供電系統，包括供電同步控制器、若干前述單相供電裝置和若干區間聯絡開關；所述供電同步控制器分別與每一單相供電裝置和每一區間聯絡開關連接；所述單相供電裝置用于將三相電壓轉換為單相電壓后向列車供電，第一輸出端和饋電線連接，第二輸出端和回流線連接；所述區間聯絡開關與相鄰兩個供電區間的饋電線連接。本專利技術電氣化鐵路牽引供電系統的控制方法，包括以下步驟：S1.設置所控制牽引網的供電電壓有效值、頻率和相位，供電同步控制器根據所設供電電壓有效值、頻率和相位計算牽引網的同步指令，所述同步指令包括一個單相交流電壓的有效值、頻率和相位信息；S2.供電同步控制器將同步指令和運行指令發送至各單相供電裝置的主控制器，主控制器接收同步指令和運行指令后控制所屬單相供電裝置的輸出電壓達到同步指令的要求；S3.主控制器測量所屬單相供電裝置的輸出電壓，計算輸出電壓的有效值、頻率和相位，并與同步指令逐項進行對比，如有偏差則對輸出電壓進行微調；當輸出電壓的有效值、頻率和相位與同步指令一致時，則向供電同步控制器反饋同步完成信號；S4.供電同步控制器接收到全部單相供電裝置反饋的同步完成信號后，控制區間聯絡開關依次閉合。優選地，步驟S2包括：S2.1主控制器控制多繞組變壓器和功率轉換單元充電，主控制器控制功率轉換單元的整流電路工作在恒定直流電壓模式，直流電壓達到直流工作電壓Udc2；S2.2主控制器結合功率轉換單元的數量P和功率轉換單元的直流工作電壓Udc2，計算每一個功率轉換單元逆變電路的額定電壓Uce，將額定電壓Uce轉化為PWM信號，然后將PWM信號下發至每一個單元控制板，使功率轉換單元的逆變電路輸出單相交流電壓Uco；每一個功率轉換單元的輸出電壓疊加起來構成所述單相供電裝置的輸出電壓Uo；當功率轉換單元輸出電壓逐漸增大至額定電壓時，單相供電裝置輸出電壓Uo達到了同步指令的要求。所述控制方法還包括步驟：S5.1旁路功率轉換單元：多繞組變壓器的某一組副邊繞組或者某一個功率轉換單元出現故障時，主控制器向故障位置的單元控制板下發旁路指令，命令旁路電路導通，整流電路停止工作；同時主控制器根據剩余的功率轉換單元數量重新計算PWM信號，控制剩余的功率轉換單元提高輸出電壓，以維持該臺單相供電裝置的輸出電壓穩定在同步指令要求的水平。所述控制方法還包括步驟：S5.2旁路單相供電裝置：當某臺單相供電裝置正常停機或者故障停機時，其主控制器停止下發PWM信號，命令單元控制板停止整流電路工作、斷開旁路電路，控制該單相供電裝置主回路與三相電壓、饋電網和回流線斷開，原來該臺單相供電裝置對應的供電區間通過區間聯絡開關從相鄰區間獲取電能，維持區間持續供電。所述控制方法還包括直流融冰或交流融冰步驟；所述直流融冰步驟為：S11.主控制器下發旁路指令，將全部功率轉換單元的旁路電路接通，此時單相供電裝置輸出的電壓為零；S12.主控制器下發指令，控制第一功率轉換單元的旁路電路斷開，同時下發一個滿調制的PWM信號，控制該功率轉換單元輸出其直流工作電壓Udc2，其余功率轉換單元不動作，此時單相供電裝置輸出的直流電壓為Udc2，牽引網和回流軌開始產生直流電流；S13.按照S12步驟所述過程，依次控制剩余功率轉換單元輸出其直流工作電壓，有j個功率轉換單元工作，則單相供電裝置輸出直流電壓為j*Udc2，隨著j的增大，產生的直流電流將逐漸接近設定值Irb；S14.主控制器檢測輸出電流的大小，如果啟動j個功率轉換單元時直流電流未達到設定值，而啟動j+1個又超過設定值的話，則僅啟動j個；所述交流融冰步驟為：S21.主控制器根據設定的融冰頻率，從零開始逐漸增大計算PWM信號的調制深度，將PWM信號下發給全部單元控制板；S22.單元控制板接收PWM信號后，控制功率轉換單元的輸出電壓從零開始逐漸增大，因此單相供電裝置輸出一個頻率為Fbr，有效值逐漸增大的交流電壓；S23.隨著單相供電裝置輸出電壓有效值逐漸增大，流過牽引網和回流軌的電流也開始隨之增大，當主控制器檢測到輸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
單相供電裝置，其特征在于，包括多繞組變壓器、若干功率轉換單元及主控制器；所述多繞組變壓器包括一個高壓原邊繞組和多個低壓副邊繞組，副邊繞組的組數為P，每組副邊繞組對原邊繞組的變比均為K，每組副邊繞組與一個功率轉換單元的輸入端對應連接；若干功率轉換單元的輸出端依次相連，并從第一個功率轉換單元的L臂引出所述單相供電裝置的第一輸出端，從第P個功率轉換單元的R臂引出所述單相供電裝置的第二輸出端；所述主控制器與每一功率轉換單元相連，控制每一功率轉換單元的運行。

【技術特征摘要】
1.單相供電裝置，其特征在于，包括多繞組變壓器、若干功率轉換單元及主控制器；所述多繞組變壓器包括一個高壓原邊繞組和多個低壓副邊繞組，副邊繞組的組數為P，每組副邊繞組對原邊繞組的變比均為K，每組副邊繞組與一個功率轉換單元的輸入端對應連接；若干功率轉換單元的輸出端依次相連，并從第一個功率轉換單元的L臂引出所述單相供電裝置的第一輸出端，從第P個功率轉換單元的R臂引出所述單相供電裝置的第二輸出端；所述主控制器與每一功率轉換單元相連，控制每一功率轉換單元的運行。2.根據權利要求1所述的單相供電裝置，其特征在于，所述功率轉換單元包括整流電路、直流電容、逆變電路、旁路電路和單元控制板，整流電路的交流端為功率轉換單元的輸入端，整流電路的直流端、逆變電路的直流端和直流電容按照正負極性對應相連，逆變電路的交流端為功率轉換單元的輸出端，旁路電路并聯在功率轉換單元的輸出端；單元控制板分別與主控制器、整流電路、逆變電路及旁路電路連接，接收主控制器的指令控制功率轉換單元內的各個部件工作。3.根據權利要求1所述的單相供電裝置，其特征在于，所述單相供電裝置還包括：用于采集單相供電裝置輸入電流的輸入電流傳感器，其原邊與多繞組變壓器原邊繞組連接；用于采集單相供電裝置輸出電壓的輸出電壓傳感器，其原邊并聯在第一個功率轉換單元的L臂和第P個功率轉換單元的R臂之間；以及用于采集單相供電裝置輸出電流的輸出電流傳感器，其原邊與第一個功率轉換單元的L臂連；所述輸入電流傳感器、輸出電壓傳感器及輸出電流傳感器分別與所述主控制器連接。4.根據權利要求1所述的單相供電裝置，其特征在于，所述單相供電裝置還包括串聯在第一輸出端的第一輸出開關，以及串聯在第二輸出端的第二輸出開關。5.一種電氣化鐵路牽引供電系統，其特征在于，包括供電同步控制器、若干權利要求1-4中任一項所述的單相供電裝置和若干區間聯絡開關；所述供電同步控制器分別與每一單相供電裝置和每一區間聯絡開關連接；所述單相供電裝置用于將三相電壓轉換為單相電壓后向列車供電，第一輸出端和饋電線連接，第二輸出端和回流線連接；所述區間聯絡開關與相鄰兩個供電區間的饋電線連接；所述供電同步控制器向各單相供電裝置的主控制器輸出同步指令和運行指令，主控制器根據同步指令和運行指令控制所屬單相供電裝置的輸出電壓達到同步指令的要求。6.基于權利要求5所述電氣化鐵路牽引供電系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S1.設置所控制牽引網的供電電壓有效值、頻率和相位，供電同步控制器根據所設供電電壓有效值、頻率和相位計算牽引網的同步指令，所述同步指令包括一個單相交流電壓的有效值、頻率和相位信息；S2.供電同步控制器將同步指令和運行指令發送至各單相供電裝置的主控制器，主控制器接收同步指令和運行指令后控制所屬單相供電裝置的輸出電壓達到同步指令的要求；S3.主控制器測量所屬單相供電裝置的輸出電壓，計算輸出電壓的有效值、頻率和相位，并與同步指令逐項進行對比，如有偏差則對輸出電壓進行微調；當輸出電壓的有效值、頻率和相位與同步指令一致時，則向供電同步控制器反饋同步完成信號；S4.供電同步控制器接收到全部單相供電裝置反饋...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜新宇，石磊，許賢昶，吳勝兵，
申請(專利權)人：廣州智光電氣股份有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44