一种电气化铁道牵引供电分区所功率融通装置的制作方法

1.本发明属于电气化铁路牵引供电技术领域，具体的说是涉及一种电气化铁道牵引供电分区所功率融通装置。


背景技术：

2.电气化铁道牵引采用单相27.5kv交流给列车供电，为了减小对电网的影响，在铁路沿线，采用三相轮流供电，让电网三相负荷基本平衡。图1是含有n和n+1两个牵引变电所和一个分区所的典型牵引供电系统结构。牵引变电所将三相110kv或220kv的高压通过牵引变压器变换为单相27.5kv电压向牵引网供电，两个牵引变电所之间设有分区所。分区所设有绝缘段将左右两侧牵引网隔开，同时设开关qf，可以将两侧牵引网连接起来。正常情况下，为了抑制环流，qf分断，分区所两侧的牵引网独立给各自供电区间的列车供电；当一侧的变电所发生故障退出时，可以闭合分区所开关qf，将两侧牵引网接通，实现越区供电。
3.电气化铁路目前主要采用交直交电力牵引系统，列车牵引时，牵引系统由受电弓从牵引网获取电能，驱动列车运行；当列车制动时，牵引系统将列车再生制动能量回送到牵引电网。再生制动能量除部分为同一牵引网上运行的其它牵引列车吸收外，多余能量回送到高压电网。但是电网对列车回送的电能不计费或者返送正计，造成运营成本的增加。此外，相邻两个牵引变电所由分区所隔离，列车的负荷是随机的，因此，存在一个牵引变电所过载，另一个变电所空载或轻载的情况，这样就需要增大变电所牵引变压器容量。增大牵引变压器容量，会增加向电网上交的容量占用费，也会增加运营成本。
4.为解决上述问题，可以采用功率融通装置让分区所两侧牵引网的能量可以流通。功率融通装置又称铁路功率调节器(railway static power conditioner,简称rpc)，也有称作潮流控制器，结构如图2所示。功率融通装置由两个降压变压器tr1和tr2和两个“背靠背”的单相pwm整流器构成。变压器tr1和tr2高压侧分别与分区所两侧的牵引网相连，低压侧分别与1#pwm1和2#pwm的交流侧相连；两个pwm整流器的直流侧并联。
5.因为变压器的隔离作用，两个牵引网电气隔离，通过控制，分区所左右两侧牵引网的功率可以相互流动。如果左侧牵引网列车处于制动工况，或者牵引供率小于右侧牵引网上的列车，希望左侧牵引网能量能向右侧牵引网流动,图2中给出能量向右侧牵引网流通的路径。
6.左侧牵引网功率p经过变压器tr1流向1#pwm整流器交流侧，经1#pwm整流器直流侧流向2#pwm整流器直流侧，经2#pwm整流器交流侧流向变压器tr2，再经变压器tr2流向右侧的牵引网。通过改变控制指令，可控制电流方向，同样可以控制分区所右侧牵引网能量向左侧牵引网电网流动。
7.由上可见：通过功率融通装置，可以使两个牵引变电所负荷均衡，降低了牵引变电所变压器的峰值功率，让更多的再生制动能量为其它的牵引列车吸收利用。功率融通装置的两个pwm整流器，同时也可以补偿牵引网的无功和谐波电流。
8.由图2所示的能量流动路径可知：功率融通装置两个变压器的容量和及两个pwm整
流器的容量均等于两个牵引网之间的融通的功率p,融通装置的变压器容量之和及pwm整流器之和均为2p。
9.功率融通装置的容量取决于牵引网上运行列车牵引和制动时的功率，牵引和制动功率通常数量在几mw到十几mw量级，因此，融通装置的变压器的体积、重量及成本均会很大，带来的问题是一次性投资太大，影响了其推广应用。


技术实现要素：

10.针对上述问题，本发明提出了一种适用于电气化铁路分区所的功率融通装置，在传送相同的功率情况下，将变压器和变流器容量降到原来的1/2以下，降低了融通装置的设备和建设成本，损耗降低幅度不低于65.5％，提高了功率融通装置效率。
11.本发明的技术方案为：
12.一种电气化铁道牵引供电分区所功率融通装置，其特征在于，包括第一变压器、第二变压器、第三变压器、第一单相pwm整流器、第二单相pwm整流器和第三单相pwm整流器；将分区所两侧的牵引网分别定义为第一侧牵引网和第二侧牵引网，所述第一变压器初级绕组的一端接第一侧牵引网，另一端接地，第一变压器的次级绕组接第一单相pwm整流器的交流侧；所述第二变压器初级绕组的一端接第二侧牵引网，另一端接地，第二变压器的次级绕组接第二单相pwm整流器的交流侧；第一单相pmw整流器和第二单相pwm整流器的直流侧并联；所述第三变压器初级绕组的两端均接牵引网，且第三变压器初级绕组与牵引网的连接点位于第一变压器初级绕组与牵引网的连接点和第二变压器初级绕组与牵引网的连接点之间，两个连接点之间设有防止两个牵引网直接连接的绝缘段，第三变压器次级绕组接第三单相pwm整流器的交流侧，第三单相pwm整流器的直流侧与第一单相pwm整流器和第二单相pwm整流器的直流侧并联。
13.进一步的，所述第三变压器初级绕组侧电压为第一侧牵引网电压与第二侧牵引网电压的差值。
14.进一步的，所述第一变压器、第二变压器和第三变压器的容量之和为1.03p，p为第一侧牵引网传送到第二侧牵引网的功率。
15.进一步的，所述第一单相pwm整流器、第二单相pwm整流器和第三单相pwm整流器的容量和为1.03p。
16.本发明还结合实际情况提出了简易的以下两种实现方式：
17.第一种电气化铁道牵引供电分区所功率融通装置，包括第一变压器、第二变压器、第一单相pwm整流器和第二单相pwm整流器；将分区所两侧的牵引网分别定义为第一侧牵引网和第二侧牵引网，所述第一变压器初级绕组的一端接第一侧牵引网，另一端接地，第一变压器的次级绕组接第一单相pwm整流器的交流侧；所述第二变压器初级绕组的两端均接牵引网，且第二变压器初级绕组与牵引网的连接点相对于第一变压器初级绕组与牵引网的连接点靠近第二侧牵引网，两个连接点之间设有防止两个牵引网直接连接的绝缘段，第二变压器次级绕组接第二单相pwm整流器的交流侧，第二单相pwm整流器的直流侧与第一单相pmw整流器的直流侧并联。
18.第二种电气化铁道牵引供电分区所功率融通装置，包括第一变压器、第二变压器、第一单相pwm整流器和第二单相pwm整流器；将分区所两侧的牵引网分别定义为第一侧牵引
网和第二侧牵引网，所述第一变压器初级绕组的一端接第二侧牵引网，另一端接地，第一变压器的次级绕组接第一单相pwm整流器的交流侧；所述第二变压器初级绕组的两端均接牵引网，且第二变压器初级绕组与牵引网的连接点相对于第一变压器初级绕组与牵引网的连接点靠近第一侧牵引网，两个连接点之间设有防止两个牵引网直接连接的绝缘段，第二变压器次级绕组接第二单相pwm整流器的交流侧，第二单相pwm整流器的直流侧与第一单相pmw整流器的直流侧并联。
19.进一步的，所述第二变压器初级绕组侧电压为第一侧牵引网电压与第二侧牵引网电压的差值。
20.本发明的有益效果为：与现有的功率融通装置相比，传送相同功率时，本发明可以将变压器和变流器容量降到原来的1/2以下，降低了融通装置的设备和建设成本，损耗降低幅度不低于65.5％,提高了功率融通装置效率。
附图说明
21.图1为牵引供电系统结构示意图。
22.图2为现有的功率融通装置结构示意图。
23.其中：u1为第一牵引网电压；u2为第二牵引网电压；tr1为第一变压器；tr2为第二变压器；1#pwm整流器为第一pwm整流器；2#pwm整流器为第二pwm整流器；is为两个牵引网间的绝缘段；p为从第一牵引网流向第二牵引网功率。
24.图3为本发明的功率融通装置结构示意图。
25.其中：u1为第一牵引网电压；u2为第二牵引网电压；tr1为第一变压器；tr2为第二变压器；tr3为第三变压器；1#pwm整流器为第一pwm整流器；2#pwm整流器为第二pwm整流器；3#pwm整流器为第三pwm整流器；is为两个牵引网间的绝缘段；p为从第一牵引网传送到第二牵引网总功率；p1是直接由第一牵引网传送到第二牵引网的功率；p2是第一牵引网通过第三变压器经第三pwm整流器传送到第二牵引网的功率；i1是第一牵引网流到第二牵引网电流；u3是第三变压器低压侧电压。
26.图4为图3中控制能量流向的等效电路图。其中：为第一牵引网电压相量；为第二牵引网电压相量；为第三变压器低压侧电压折算到高压侧电压相量；k为第三变压器的变比；为第一牵引网流向第二牵引网电流相量；l是第三变压器折算到高压侧的漏感(忽略了电阻)。
27.图5为对应图3等效电路对应的的相量图。其中：为第一牵引网电压相量；为第二牵引网电压相量；为第三变压器低压侧电压折算到高压侧电压相量；k为第三变压器的变比；为第一牵引网流向第二牵引网电流相量；l是第三变压器折算到高压侧的漏感(忽略了电阻)；为l上的电压相量；θ为与的夹角。
28.图6为本发明的功率融通装置简化后结构示意图，图6(a)为省去图3中tr2和2#pwm整流器后的结构，其中：u1为第一牵引网电压；u2为第二牵引网电压；tr1为第一变压器；tr3为第二变压器；1#pwm整流器为第一pwm整流器；3#pwm整流器为第二pwm整流器；(b)为省去图3中tr1和1#pwm整流器后的结构，其中：u1为第一牵引网电压；u2为第二牵引网电压；tr2
为第一变压器；tr3为第二变压器；2#pwm整流器为第一pwm整流器；3#pwm整流器为第二pwm整流器。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明进行详细描述。
30.本发明所提出的功率融通装置结构如图3所示，与图2所示的功率融通装置不同是增加了一个变压器tr3和一个3#pwm整流器。在分析其能量流通路径时，先对分区所两侧牵引网电压相位和有效值大小加以说明。
31.分区所两侧牵引网电压相位差。为了减小分区所两侧的电压差，降低分区所设备所承受电压，不同接线的牵引变压器，均可通过变压器轮换供电顺序，让分区所两侧牵引网电压来自高压电网同一相电压。因此，分区所两侧牵引网电压相位差很小，最大只有几度，为了便于分析和叙述，认为二者是同相位。
32.分区所两侧牵引网电压有效值差。根据tb10009-2005国家铁路电力牵引供电设计规范，电气化铁道牵引网允许电压波动范围为19kv-29kv，由此可知，分区所两侧最大电压有效值差为10kv。
33.通过调节图3中3#pwm整流器交流侧的电压大小和相位，可以控制分区所左右两侧牵引网的能量流动方向和大小，下面以能量从左侧的第一牵引网向右侧的第二牵引网流动为例来说明其原理。
34.图4是功率融通控制能量流通时的等效电路，图5是对应图4中的电压和电流的相量图。变压器tr3漏抗远大于电阻，为了分析简易，在图4中，忽略变压器绕组电阻。
35.从图5中的相量图可以看出，左侧牵引网电压和右侧牵引网电压同相位，在右侧牵引功率大于左侧牵引功率时，为了让分区所两侧牵引网供电均衡，能量由左向右传送时，因此，左侧电压有效值大于右侧电压有效值。控制能量融通时，为了减小融通装置容量，左侧牵引网输出电流与电压同相位，电感l上的电压超前电流可以看到3#pwm控制变压器tr3的低压侧电压满足如下关系时，就可以控制左侧牵引网电流为即：
[0036][0037]
式2-1中电压构成直角三角形，因此有：
[0038][0039]
式2-1中，电压与电压同相位，最大差为10kv；变压器短路阻抗设计为10％，电压幅度为tr3高压电压的10％，大大小于tr3高压侧电压。式2-2写成：
[0040][0041]
可求出变压器tr3高压侧最大电压为：
[0042][0043]
可知变压器tr3高压侧电压可为10kv，与电压与电压最大电压差非常接近。
[0044]
由左侧牵引网转送到右侧牵引网的功率表示为：
[0045]
p＝u1i1ꢀꢀꢀ
(2-5)
[0046]
由图3可知，左侧牵引网向右侧牵引网传送能量有两个途径：
[0047]
其一，是直接传送到右侧牵引网的功率p1，其大小为：
[0048]
p1＝u2i1ꢀꢀꢀ
(2-6)
[0049]
其二，是通过tr3传到3#pwm整流器的交流侧，经3#pwm整流器的直流侧传到2#pwm整流器的直流侧，再由2#pwm整流器的交流侧经变压器tr2传到右侧牵引网侧，功率为p2，大小为：
[0050]
p2＝ku3i1cosθ＝(u
1-u2)i1ꢀꢀꢀ
(2-7)
[0051]
由第二途径传送能量与传送的总能量比为：
[0052][0053]
由2-8可知，右侧牵引网电压与左侧牵引网电压越接近，第二途径传送的功率占比越小；反之，右侧牵引网电压与左侧牵引网电压差越大，第二途径传送的功率占比越大。左侧牵引网电压最大u1＝29kv，右侧牵引网电压最小u2＝19kv时，因此，第二途径传送功率占传送的总功率比最大，为：
[0054][0055]
也就是由第一路径直接传送的功率p1占总传送功率最小为65.5％，是主要的传送通道。
[0056]
由能量传递的路径可知：tr2和tr3及2#和3#变流器的最大容量均为传送功率的0.345倍，即为0.345p。
[0057]
同样可分析，当左侧牵引网负荷小于右侧牵引网负荷时，可控制能量由右侧牵引网向左侧牵引网传送。tr1变压器和1#pwm整流器最大容量均为0.345p。
[0058]
由上述分析可以看到，第一传送途径没有损耗，只有第二传送途径有损耗。假设改进功率融通方案中变压器和pwm整流器与现有方案中的变压器和pwm整流器效率相等，则传送功率的损耗低于现有方案损耗的34.5％，降低不低于65.5％。
[0059]
综合上述分析结果，所提出的功率融通装置的tr1、tr2和tr3三个变压器的容量和为：3
×
0.34p＝1.03p；1#pwm、2#pwm整流器及3#pwm整流器三个pwm整流器容量和也为：3
×
0.34p＝1.03p。与现有的功率融通装置相比，传送相同功率时，变压器和变流器容量下降为原来的约50％。容量的减小，不仅降低了设备的体积、重量和成本，同时带来两方面的好处：其一、节省了大量的设备安装的土建成本，降低了整体建设成本；其二、两牵引网间主要功率由融通装置直接传送，设备最大损耗低于现有方案的34.5％。
[0060]
本发明的功率融通装置，同现有的功率融通装置一样，可通过1#pwm和2#pwm整流器补偿分区所两侧的牵引网谐波和无功电流。
[0061]
在实际应用中，本发明还具有以下的特性：
[0062]
1)实际应用中所需功率融通装置的容量更低
[0063]
本发明所提出的新型功率融通装置容量取决于分区所两侧的电压差，两牵引网电压同相位，电压差主要受牵引负荷的影响。
[0064]
前述的最大10kv电压差是在两牵引网负荷差很大时才可能出现。如:一侧牵引网
是重载牵引，另一侧牵引网是再生制动或空载工况。功率融通装置投入会均衡两侧牵引网的负荷，两侧牵引网的电压差会立即下降。因此，实际应用中，所需功率融通装置变压器容量和及变流器容量和会低于前述按最大电压差计算的融通功率，与现有的功率融通装置相比，容量会降低50％以上。
[0065]
2)功率融通装置的结构可以简化
[0066]
图3中所示的功率融通装置的tr1、tr2和tr3三个变压器和1#pwm整流器、2#pwm整流器和3#pwm整流器三个pwm整流器，目的是在功率传送过程，保证3#pwm吸收功率能够通过2#pwm或3#pwm整流器传送到目标牵引网，与期望功率传送方向一致；否则，如果省去tr1和1#pwm或者tr2和2#pwm，会导致一部功率又传到了源侧，影响了功率融通装置容量的发挥，增加了损耗。
[0067]
如在图3所示的能量由左向右传送过程中，如果没有变压器tr2和2#pwm整流器，则如图6中的a)所示，直接传送的功率为p1，变压器tr3和3#pwm整流器吸收功率p2，只能通过1#pwm整流器和变压器tr1送回到左侧牵引网，实际融通装置只有功率p1传送到的右侧牵引网，p2又被送回左侧牵引网。
[0068]
实际应用中，因为功率融通装置的功率融通作用，分区所两侧电压差很快降低，变压器tr3和3#pwm整流器吸收能量较小，由1#pwm和2#pwm整流器传送的功率占整个传送功率比例很小。因此，图3所示的融通装置可以省去变压器tr1和1#pwm整流器，得到如图6a)所示的简化结构。同样可省去变压器tr2和2#pwm整流器，得到如图6b)所示的简化结构。