具有功率融通功能的电气化铁路辅助供电系统及控制方法与流程

本发明涉及电气化铁路供电技术领域，尤其涉及一种具有功率融通功能的电气化铁路辅助供电系统及控制方法。

背景技术：

辅助供电系统即是为照明、生产、信号等辅助供电的三相交流供电系统，而牵引供电系统为27.5kv单相供电系统，无法直接应用于三相辅助供电，为解决沿线辅助供电系统的用电问题，目前通常是设置单相27.5kv转三相的转换装置，以将牵引供电系统的27.5kv单相电转为三相交流电，但是牵引供电系统不同于一般工业用户，具有单相负荷的特殊性，存在功率因数低、电压波动大、谐波含量复杂、负序影响严重等系列电能质量问题，则直接通过单相27.5kv转三相的转换装置提供三相辅助供电还存在多种电能质量问题。

目前对于牵引供电系统的供电质量问题，通常是直接在牵引供电系统中加装静止型动态无功补偿装置(svc)、静止型动态无功发生器(svg)，而svc或svg仅能对实现无功功率补偿或部分谐波滤除，而当两供电臂的一个供电臂为重载，而另一个供电臂为轻载或空载时，两供电臂之间无法实现功能融通，牵引变压器的利用率低。有从业者提出使用功率单元级联方式实现电能质量治理，但是辅助供电系统的电压等级较高，需要级联大量的功率单元模块，所需的成本高，且若任意一个功率单元模块发生故障，成套装置都无法运行，装置可靠性差。

中国专利申请cn103457261a提供一种电气化铁路牵引供电网电能质量综合治理装置，通过采用变流器模块级联实现无功及谐波治理，但该装置是采用单边输出，无法实现有功输出及功率转移，因而当两供电臂的一个供电臂为重载，而另一个供电臂为轻载或空载时，牵引变压器的利用率低，且仅能实现单一的无功及谐波治理问题，无法提供三相辅助供电。

技术实现要素：

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、能够提供电能质量好且利用率高的三相辅助供电的具有功率融通功能的电气化铁路辅助供电系统及控制方法。

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电气化铁路辅助供电系统，包括相互连接的功率融通模块以及电源转换模块，所述功率融通模块包括两个多绕组降压变压器以及分别连接在两个所述多绕组变压器之间的多重变流器支路，各重所述变流器支路分别通过两个所述多绕组降压变压器接入两供电臂的电压进行变换以实现功率融通，各重所述变流器支路均具有中间直流环节，通过各所述中间直流环节与所述电源转换模块连接以将输出的直流电转换为三相交流电输出。

作为本发明系统的进一步改进：每重所述变流器支路包括相互连接的用于将输入交流电转换为直流电的ac-dc转换单元以及用于将输入直流电转换为交流电的dc-ac转换单元，所述电源转换模块的输入端连接在所述ac-dc转换单元、dc-ac转换单元之间的中间直流环节。

作为本发明系统的进一步改进：所述ac-dc转换单元、dc-ac转换单元均采用基于全控器件的功率单元。

作为本发明系统的进一步改进：所述ac-dc转换单元、dc-ac转换单元均设置有用于控制接入、断开的控制开关。

作为本发明系统的进一步改进：所述中间直流环节中设置有用于存储能量的储能单元。

作为本发明系统的进一步改进：所述储能单元为储能电容。

作为本发明系统的进一步改进：所述电源转换模块包括多个用于将输入直流电转换为交流电的逆变单元，每个所述逆变单元的输入端分别对应连接一重所述变流器支路，各个所述逆变单元的输出端相互连接。

作为本发明系统的进一步改进：每个所述逆变单元的输出端还设置有lcl滤波器以滤除谐波。

作为本发明系统的进一步改进：每个所述逆变单元的输出端设置有输出控制开关，以控制接入、断开对应的所述逆变单元。

本发明进一步提供利用上述具有功率融通功能的电气化铁路辅助供电系统的控制方法，步骤包括：

s1.实时采集供电网母线的电压、电流信号，并分别计算出两供电臂的有功功率，根据计算出的有功功率控制各重所述变流器支路的输出电压以将能量在两供电臂之间进行转移，使得两供电臂之间实现有功功率融通；

s2.实时采集所述电源转换模块输出的电压信号以及每条所述逆变单元输出的电流信号，根据采集到的电压信号、电流信号控制各条所述逆变单元的输出电压，以将各重所述变流器支路的中间直流环节输出的单相直流电转换为所需的三相交流电输出。

作为本发明控制方法的进一步改进：所述步骤s1中还包括根据采集到的母线的电压、电流信号，控制各重所述变流器支路中所述ac-dc转换单元、dc-ac转换单元的输出电压以进行电能的无功补偿、谐波治理步骤。

作为本发明控制方法的进一步改进，还包括制动能量回馈控制方法，具体步骤为：当机车处于制动工况时，控制将机车再生制动能量经过所述功率融通模块转移到另一供电臂，或经过所述功率融通模块存储至所述中间直流环节中用于存储能量的储能单元，或依次经过所述功率融通模块、电源转换模块后提供辅助供电电源。

作为本发明控制方法的进一步改进：还包括故障监测控制方法，具体步骤为：实时监测所述功率融通模块的各重所述变流器支路中所述ac-dc转换单元、dc-ac转换单元以及所述电源转换模块中每条所述逆变单元的故障状态，当监测到存在发生故障的单元时，控制断开对应单元的控制开关以进行切断。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明采用双边输出方式，通过控制各重变流器支路的输出即可进行两供电臂之间的有功输出及功率转移，从而实现功率融通功能，提高电能质量及牵引变压器的利用率，同时各重变流器支路均具有中间直流环节，且各重变流器支路的中间直流环节与电源转换模块连接，使得通过各重变流器支路的中间直流电输出经过电源转换模块转换为三相交流电，可以实现牵引单相供电系统与三相辅助供电系统融合，解决牵引供电系统辅助供电的问题，且能够提高三相辅助供电的电能质量；

2)本发明采用多重化并联结构的变流器，能够极大的提高装置的容量，同时每重变流器之间相互独立，当存在变流器发生故障时，不会影响系统的正常工作，冗余度高且可靠性好；

3)本发明每重变流器支路通过设置ac-dc转换单元、dc-ac转换单元，由于功率单元直流侧并联，可控制和稳定直流环电压，从而实现两臂有功功率转移，且ac-dc与dc-ac两侧可等效于两个独立的级联型无功发生器，从而可实现两供电臂的无功补偿、谐波治理等电能质量治理，同时由于在直流侧引入dc-dc-ac变换过程，结合该变换过程可便于实现单相至三相交流电的转换，从而能够针对牵引网的电能质量问题进行全面治理、实现两供电臂之间的能量流通，提高牵引变压器的容量利用率，集中解决了牵引供电系统的容量利用以及电能质量及辅助供电系统问题；

4)本发明进一步在中间直流环节中设置有用于存储能量的储能单元，通过储能单元可以将牵引供电系统中机车的再生制动能量储存起来以进行回收利用，能够节约能源，同时提高电能的利用率；

5)本发明通过使电源转换模块的dc侧与功率融通模块的dc侧并联，同时电源转换模块由多重dc-ac逆变器并联构成，由多重dc-ac逆变器并联输出，可有效提高三相辅助供电的供电容量及冗余度。

附图说明

图1是本实施例具有功率融通功能的电气化铁路辅助供电系统的结构原理示意图。

图2是本实施例电气化铁路辅助供电系统中功率融通模块的具体结构示意图。

图3是本实施例电气化铁路辅助供电系统中电源转换模块的具体结构示意图。

图4是本实施例电气化铁路辅助供电系统实现功率融通及电能质量治理的原理示意图。

图5是本实施例电气化铁路辅助供电系统实现单相转三相交流电的原理示意图。

图6是本实施例中控制保护系统的接口连接示意图。

图例说明：1、功率融通模块；11、多绕组降压变压器；12、变流器支路；121、ac-dc转换单元；122、dc-ac转换单元；123、储能单元；2、电源转换模块；21、逆变单元。

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电气化铁路辅助供电系统包括相互连接的功率融通模块1以及电源转换模块2，功率融通模块1包括两个多绕组降压变压器11(tp1、tp2)以及分别连接在两个多绕组变压器之间的多重变流器支路12，各重变流器支路12分别通过两个多绕组降压变压器11(tp1、tp2)接入两供电臂的电压进行变换以实现功率融通，各重变流器支路12均具有中间直流环节，通过各中间直流环节与电源转换模块2连接以将输出的直流电转换为三相交流电输出。

本实施例上述电气化铁路辅助供电系统，采用双边输出方式，通过控制各重变流器支路12的输出即可进行两供电臂之间的有功输出及功率转移，从而实现功率融通功能，提高电能质量及牵引变压器的利用率，同时各重变流器支路12均具有中间直流环节，且各重变流器支路12的中间直流环节与电源转换模块2连接，使得通过各重变流器支路12的中间直流电输出经过电源转换模块2转换为三相交流电，可以实现牵引单相供电系统与三相辅助供电系统融合，满足工业、生活等三相用电需求，且能够提高三相辅助供电的电能质量；且本实施例上述电气化铁路辅助供电系统，采用多重化变流器，每重变流器之间相互独立，当存在变流器发生故障时，不会影响系统的正常工作，冗余度高且可靠性好。

如图1所示，本实施例两个多绕组降压变压器11(tp1、tp2)分别通过断路器(qf1、qf2)连接至a、b供电臂，由两个多绕组降压变压器11(tp1、tp2)从两供电臂(单相27.5kv电源)取电，通过断路器(qf1、qf2)控制a、b两供电臂电压的接入、断开，每重变流器支路12的两端分别对应连接两个多绕组降压变压器11(tp1、tp2)的一个次级绕组，两个多绕组降压变压器11(tp1、tp2)接入a、b两供电臂的电压进行降压后，由每重变流器支路12分别接入一组供电臂降压后电压进行ac-dc-dc-ac变换，将能量转移输出至另一供电臂，实现两供电臂之间的功率融通，提高了牵引变压器的利用率。本实施例多绕组降压变压器11具体采用高阻抗型，可无需设置连接电抗器，减小占地面积。

如图2所示，本实施例中每重变流器支路12具体包括相互连接的用于将输入交流电转换为直流电的ac-dc转换单元121以及用于将输入直流电转换为交流电的dc-ac转换单元122，ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122的直流侧并联连接，电源转换模块2的输入端连接在ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122之间的中间直流环节，a、b两供电臂的电压经过ac-dc变换后，经过电源转换模块2转换为三相交流电输出。每重变流器支路12通过设置ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122，由于直流侧并联连接，可通过控制ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122的输出以控制和稳定直流环电压，从而实现两臂有功功率转移，且ac-dc与dc-ac两侧可等效于两个独立的降压式h桥级联型无功发生器(svg)，从而通过控制ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122的输出可实现两供电臂的无功补偿、谐波治理等电能质量治理，同时由于在直流侧引入dc-dc-ac变换过程，结合该变换过程可便于实现单相至三相交流电的转换，从而提供电能质量好的三相辅助供电，集中解决了牵引供电系统的容量利用以及电能质量及辅助供电系统问题。

以左臂(a供电臂)为重载，右臂(b供电臂)轻载(或无车)为例，如图3所示，其中箭头指向为能量流动方向，右臂的电压经过多绕组降压变压器tp1进行降压后，通过功率融通模块1的各重变流器支路12进行ac-dc、dc-ac变换，将右臂有功能量转移到左臂，实现变压器左右臂的功率输出平衡。

本实施例中，ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122均采用基于全控器件的功率单元，ac-dc转换单元121具体采用ac-dc变流功率单元(u11～un1)，dc-ac转换单元122具体采用dc-ac逆变功率单元(u12～un2)。如图2所示，ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122具体采用igbt功率单元，每个igbt功率单元包括四个桥臂，每条变换支路包括两个igbt元件。

本实施例中ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122均设置有用于控制接入、断开的控制开关，当存在某个转换单元发生故障时，可通过控制开关切断该故障转换单元，保持供电系统正常工作而不受影响。如图2所示，各ac-dc转换单元121对应设置控制开关km11～kmn1，各dc-ac转换单元122对应设置控制开关km12～kmn2。

本实施例中，中间直流环节中设置有用于存储能量的储能单元123，储能单元123具体采用储能电容(c1～cn)，也可以通过dc-dc变换采用超级电容、飞轮储能、锂电池等其他储能器件。通过储能单元123可以将牵引供电系统中机车的再生制动能量储存起来以进行回收利用，能够节约能源，同时提高电能的利用率。

如图4所示，本实施例中电源转换模块2包括多个用于将输入直流电转换为交流电的逆变单元21(u13～u1n)，每个逆变单元21对应连接一重变流器支路12，各逆变单元21输出侧并联连接，以分别将各重变流器支路12的中间直流环节输出的直流电转换为三相交流电，逆变单元21具体采用三相桥式逆变器。通过使电源转换模块2的dc侧与功率融通模块1的dc侧并联，同时电源转换模块2由多重dc-ac逆变器并联构成，由多重dc-ac逆变器并联输出，可有效提高三相辅助供电的供电容量及冗余度。

如图5所示，其中箭头指向为能量转移方向，两供电臂的电压分别经过多绕组降压变压器11进行降压后，由多重变流器支路12的ac-dc转换单元121进行ac-dc变换后输出，输出直流电经过多个逆变单元21进行dc-ac变换后输出所需三相交流电。

本实施例中，每条逆变单元21的输出端还串联设置有lcl滤波器(l1～ln)，通过lcl滤波器对输出电压进行滤除谐波，可以进一步提高供电质量。

本实施例中，每条逆变单元21的输出端设置有输出控制开关(km14～kmn4)，通过控制各控制开关(km14～kmn4)可以控制接入、断开对应的逆变单元21，则当存在某个逆变单元21发生故障时，可通过各控制开关(km14～kmn4)切断该故障重逆变单元21，保障了供电的可靠性。

本实施例在每重变流器支路12的一侧还设置有软充电单元，软充电单元具体包括充电控制开关(km12～kmn2)以及充电电阻(r11～r1n)，通过充电控制开关(km12～kmn2)控制接入充电电阻(r11～r1n)以进行软充电；两个多绕组降压变压器(tp1、tp2)的输入端还设置有隔离开关(qs1、qs2)，以用于系统检修操作，同时还设置有避雷器fv1、fv2，保证系统安全。当qf1、qf2、qs1、qs2闭合时，通过控制各每重变流器支路12的功率单元中全控器件导通，从而调节输出电压，并稳定中间直流侧cn两端电压，实现两臂有功功率流通、无功补偿，当任一侧功率单元故障时，通过对应的控制开关进行单独切除，不影响其他模块正常运行，使得成套装置的可靠性高。

本实施例利用上述辅助供电系统的控制方法，步骤包括：

s1.实时采集供电网母线的电压、电流信号，并分别计算出两供电臂的有功功率，根据计算出的有功功率控制各重变流器支路12的输出电压以将能量在两供电臂之间进行转移，使得两供电臂之间实现有功功率融通；

s2.实时采集电源转换模块2输出的电压信号以及每条逆变单元21输出的电流信号，根据采集到的电压信号、电流信号控制各条逆变单元21的输出电压，以将接入的单相电转换为所需的三相交流电输出。

本实施例辅助供电系统设置控制保护系统，并设置传感器yh1、yh2、ta01、ta02实时采集供电网母线的电压、电流信号，以及传感器uv1采集电源转换模块2的输出电压信号、传感器ua13～uan3采集各个逆变单元21的输出电流信号，输出给控制保护系统，通过控制保护系统根据各传感器采集的信号，控制系统中各开关通断以及功率融通模块1、电源转换模块2进行变换。

如图6所示，控制保护系统分别与各控制开关、断路器、隔离开关、传感器、以及ac-dc转换单元(u11～un1)，dc-ac逆变功率单元(u12～un2)、逆变单元(u13～un3)连接，通过传感器采集的数据控制各控制开关的通断，以及ac-dc转换单元(u11～un1)、dc-ac逆变功率单元(u12～un2)、逆变单元(u13～un3)中开关管的通断。

本实施例具体由控制保护系统接收各传感器采集的信号，计算出a臂、b臂的有功功率、无功功率，当其中一个供电臂为重载、另一个供电臂为轻载时，控制各重变流器12中各功率单元(u1n、u2n)开关器件的开断以执行ac-dc-dc-ac变换，将轻载供电臂的能量转移至重载供电臂，实现两供电臂之间的有功融通，从而提高牵引变压器的利用率；同时根据采集到电源转换模块2的电压信号、电流信号控制各条逆变单元21(u3n)中开关器件的导通、关断，实现单相电源至三相交流电源的转换。

本实施例中，步骤s1中还包括根据采集到的母线的电压、电流信号，控制各重变流器支路12的输出电压以进行电能的无功补偿、谐波治理步骤，控制保护系统根据传感器采集到的母线电压信号、电流信号，计算a臂、b臂的无功功率，通过控制各重变流器支路12的功率单元中开关管的导通，实现电能的无功补偿、谐波分解。通过控制各重变流器支路12的输出，还可实现高压侧(110kv/220kv)的三相平衡，消除负序影响，针对不同接线方式的牵引变压器具体可采取不同的有功、无功控制策略。

本实施例中，还包括制动能量回馈控制方法，具体步骤为：当机车处于制动工况时，控制将机车再生制动能量经过功率融通模块1转移到另一供电臂，或经过功率融通模块1存储至中间直流环节中用于存储能量的储能单元123，或依次经过功率融通模块1、电源转换模块2后提供辅助供电电源，具体可根据实际需求设定为上述其中一种回馈方式，即转移到另一供电臂、存储至储能单元123或作为辅助供电电源，也可以直接回馈至电网，可以满足多种回馈需求，有效提高电能利用率。

本实施例中，还包括故障监测控制方法，具体步骤为：实时监测功率融通模块1的各重变流器支路12中ac-dc转换单元121、dc-ac转换单元122以及电源转换模块2中每条逆变单元21的故障状态，当监测到存在发生故障的单元时，控制断开对应单元的控制开关以进行切断，其中当监测到ac-dc转换单元121发生故障时，控制断开km11～kmn1中对应控制开关；当监测到dc-ac转换单元122发生故障时，控制断开km12～kmn2中对应控制开关；当监测到逆变单元21发生故障时，控制断开km14～kmn4中对应控制开关，能够保证系统安全供电稳定性及安全性能。

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。