一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及交直交电力机车(动车组)、交直电力机车地面过电分相装置制造领域。
【背景技术】
[0002]电力机车(动车组)过电分相的方法有多种，早期列车速度较慢，通常采用手动过电分相，在分相区设有分相标志指挥司机过电分相操作。到中性段前，司机先将牵引级位降到0，断开辅助系统，再将牵引变压器原边主断路器断开，使机车不带电通过中性段。机车进入下一相供电臂的供电区后，司机合上主断路、并启动辅助系统、逐步恢复牵引级位。手动过电分相司机劳动强度大，在过分相时必须由司机断电，如果没断电过电分相，会在进入中性段时牵引网与受电弓产生过电压拉弧，烧坏牵引网和受电弓，甚至两相短路等严重事故，随着列车运行速度的不断提高这一问题将更为突出。
[0003]目前，电力机车(动车组)通常采用自动过电分相方法，主要有二种方法:地面自动过分相和车上自动过分相。采用地面过电分相时，电力机车(动车组)不需要任何动作，主电路断电时间很短，适合坡度较大的和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。
[0004]附图1为传统地面自动过分相装置的工作原理图，其工作过程如下:当电力机车(动车组)运行到CGl时(列车运行方向如图所示;CGl?CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，开关Kl闭合，中性段接触网由A相供电，待机车进入中性段，到达第二位置传感器CG2时，Kl断开，K2迅速合上，完成中性段供电的换相变换。由于此时中性段已由B相供电，电力机车(动车组)可以在不用任何附加操作，负荷基本不变的情况下通过分相段，待机车驶离CG4处时，K2断开，各个设备恢复原始状态。反向行驶时，由控制系统控制两个开关以相反顺序轮流断开与闭合。地面过电分相时，电力机车(动车组)在中性段进行电压转换，是带载断开分相开关，会生产截流过电压，对开关要求较高；同时是满载闭合另一个分相开关，机车上有牵引变压器，因为两相相位不一样，变压器的稳态磁通有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。
[0005]针对传统地面过电分相装置的缺点，有研究人员提出了改进措施，改进后的地面过电分相装置如附图2所示，其工作原理如下:当电力机车(动车组)运行到CGl时(列车运行方向如图所示;CGl?CG4为机车位置传感器，用于产生开关切换信号，列车运行到某一位置时，相应的开关动作)，控制器发出控制信号使晶闸管SCR1、SCR2导通。A相电压通过降压变压器TXI，晶闸管SCRl、SCR2，升压变压器TX3到达中性段。晶闸管SCR1、SCR2的触发采用电压过零触发。当机车行驶到CG3时，控制器发出控制信号使晶闸管SCRl、SCR2关断，同时控制器发出控制信号使SCR3、SCR4导通。这样中性段就由A相供电转变为B相供电』相电压通过降压变压器TX2，晶闸管SCR3、SCR4，升压变压器TX3到达中性段。当机车行驶到CG4处时，控制器发出控制信号使晶闸管SCRl、SCR2、SCR3、SCR4关断。系统恢复到原始状态。可见，改进后的方案仍然不能完全解决传统地面过电分相装置的缺点，由于需要采用升降压变压器，增加了系统的复杂程度和成本。
[0006]综上所述，现有技术的地面过电分相装置存在的以下问题:I)由于在整个过程中是满载分断开关，对开关要求较高；2)中性段电压转换时，是带载断开分相开关，会生产截流过电压;3)在中性段进行电压切换时，切换前后电压相位不一致，机车上牵引变压器的稳态磁通就会有相差，合闸时会因为动态磁通饱和导致合闸浪涌过电流。对于旋转电机并从牵引变压器取电的机车，合闸时还会导致辅助系统过流。
[0007]鉴于现有装置的问题，已有发明专利CN201010597237.4，公开了一种电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法；本发明人已经申请了发明专利CN201410036222.9，公开了采用级联多电平变流器的地面过电分相装置的结构；申请了发明专利CN201410036720.3、CN201510133802.4等用于解决列车运行于新型地面过电分相系统下的中性段时，实现两相邻桥臂供电电压的相位幅值调整。但还没有涉及列车所需功率如何在牵引网供电臂与中性段之间的可控切换。
【发明内容】
[0008]鉴于现有技术的如上不足，本发明的目的是提供一种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，使相关系统在电力机车带载通过电分相时，能够实现电力机车所需功率在牵引供电臂和中性段之间的可控切换，从而实现受电弓与目标导线的无流分断或无流闭合。
[0009]本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0010]—种基于级联多电平地面过电分相系统功率控制方法，在存在电分相的接触网上实现贯通式供电，使电力机车通过电分相时，实现电力机车受电弓与相应的接触网导线或中性段无流分断或无流闭合，其特征在于，采用级联多电平的地面过电分相系统，系统中设置有用于确定机车位置的第一位置传感器CG1、第二位置传感器CG2、第三位置传感器CG3、第四位置传感器CG4、在接触网供电臂A和B与过电分相装置之间用于测量接触网电压相位的接触网电压相位检测模块PTa和PTb，电力机车具有功率实时发射装置，地面过电分相系统亦具有相应的功率实时接收装置;根据地面的列车位置信号传感器传递的信号实现控制功率调整，包括如下具体过程:
[0011]电力机车正向行驶至由第一位置传感器CGl位置时，第一位置传感器CGl信号启动进行功率的一次调整:此时，列车实时功率发射装置发送有功功率P*、无功功率Q*信号，地面过电分相系统功率实时接收装置接受后采用直接功率控制方法控制地面过电分相系统中变流器输出电压幅值和相位，使电力机车所需功率由接触网供电臂A转移至中性段;列车继续运行至第三位置传感器CG3时，进行功率二次调整，使电力机车所需功率由中性段转移至接触网供电臂B;反向行驶时，其执行步骤与上对称变换，由第四位置传感器CG4、第二位置传感器CG2执行上述对应的功能。
[0012]显然，本发明的过程叙述虽然是对级联多电平地面过电分相系统展开的，那是为了叙述的方便，将之可替换为不断电过电分相系统应无实质上的困难。
[0013]所述的基于级联多电平的地面过电分相系统功率控制方法，是通过对所述系统中的变流器采用直接功率控制实现的，通过直接控制级联多电平变流器输出的有功功率、无功功率，从而实现列车功率在牵引供电臂和中性段之间的可控流动；系统采用的直接功率控制可以采用传统的开关表直接功率控制、功率前馈直接功率控制、预测直接功率控制等等。
[0014]这样，根据设于轨道上的机车位置传感器061、062、063、064对机车位置的确定，列车实时功率测量装置及发送装置发送有功功率P*、无功功率Q*，以及采用直接功率控制的变流器，就能实现以下功能(以列车从接触网供电臂A向接触网供电臂B运行为例):
[0015]I)电力机车(或电动车组)未进入分相区时，变流器处于预并网状态，功率参考均为零，中性段电压与电分相入口区供电臂A的电压一致，因此当受电弓同时与供电臂A与中性段接触时，供电臂A与中性段不会产生环流；
[0016]2)当电力机车进入分相区，受电弓同时与接触网供电臂A及中性段接触，并且到达CGl时，控制变流器的参考有功功率、无功功率逐渐升高至并达到列车的实际功率需求，这样，当功率切换完毕时，列车所需功率将完全由中性段提供，列车继续前进，受电弓与接触网供电臂A脱离时，不存在暂态过程；
[0017]3)列车运行于中性段时，按照已申请的发明专利的方法CN2 01410 O 3 6 7 2 0.3、CN201510133802.4，实现中性段网压与牵引供电臂B电压幅值相位一致，当列车受电弓同时中性段及接触网供电臂B接触时，控制变流器的参考给定有功功率、无功功率，使其从P*、Q*按照一定的速率下降至零，这样当功率切换完成后，列车所需功率完全由牵引供电臂B提供，因此当列车继续运行受电弓与中性段脱离时，也不存在暂态冲击。
[0018]本发明公开的方法，通过对相应系统中的变流器采用直接功率控制，可以实现电力机车所需功率在牵引供电臂与中性段的可控切换，从而实现列车带载无冲击的通过电分相，彻底避免传统过电分相方式存在的暂态过程，提高了装置的适应性。
【附图说明】
[0019]图1是传统地面过电分相装置的工作原理图
[0020]图2是一种改进的地面过电分相