单相供电装置、电气化铁路牵引供电系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种单相供电装置、电气化铁路牵引供电系统及其控制方法，属于电力电子变流技术和电气化铁路牵引供电技术领域。

背景技术：

在当今国内外高铁大发展的时代下，电气化铁路为国民经济的高速发展提供了强有力的支撑作用，然而随着电气化铁路的规模日益扩大，其对公共电网的“污染”也日益明显，主要体现在无功、谐波和负序三个方面。其中，由于各种类型的动态无功补偿(SVG、SVC)、有源滤波装置(APF)和机车高功率因数整流器(HPF‐Rectifier)的推广应用，无功和谐波问题已经得到一定程度的控制，但是对负序分量的治理尚且没有取得明显效果。

电气化铁路负序分量的问题，其根源就在于电气化铁路的牵引变电站采用三相取电、单相供电的结构，虽然通过平衡变压器(Scott)、三相轮流转单相等技术手段可以在一定程度上降低负序分量，但由于机车负载在整个供电区间分布的时空不均匀性非常明显，因此解决负序分量的问题应该从供电方法上着手进行。

发明专利201310487237.2提供了一种同相供电装置及牵引系统，主要针对采用平衡变压器(Soctt)的牵引供电系统，对采用直接供电形式的牵引供电系统没有效果，而且会导致牵引站的原有供电区间发生变化。发明专利201511032376.1提供一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，采用MMC结构的变流器实现电能变换，不易实现冗余，控制技术复杂，成熟度稍低。发明201510104620.4提供了一种用于电力牵引供电系统的三相转单相变换器，采用二极管整流、晶闸管逆变、变压器升压的结构，二极管整流器无法吸收机车回馈的电能，另外没法实现冗余和备用，可靠性偏低。发明200910041299.4提供了轨道电力机车的牵引同相供电装置，需要对牵引变电站原有的接线形式进行大幅度变更，需要配置有功调节器和无功调节器，系统复杂，实用性有待提高。

现有的牵引供电网分为一个个供电区间，每一个供电区间内牵引网的电压均不相同，因此列车在过区间时会产生短时供电中断以及过区间冲击的问题，对列车和牵引网均造成了安全隐患。

另外，电气化铁路牵引供电系统易受季节性的凝冻和覆冰等极端天气影响，需要单独配套融冰装置，以移动式的直流融冰装置为例，投入使用时需要临时接线，工作量很大，融冰装置的利用率也很低，但如有多条线路需要融冰往往又难以兼顾。

技术实现要素：

本发明提供单相供电装置、电气化铁路牵引供电系统及其控制方法，通过将高电压分解为多个低电压、三相均匀承担负荷、单相叠加输出的技术手段，解决了现有电气化铁路牵引供电系统长期存在的电能污染问题。

本发明单相供电装置采用如下技术方案来实现：单相供电装置，包括多绕组变压器、若干功率转换单元及主控制器；所述多绕组变压器包括一个高压原边绕组和多个低压副边绕组，副边绕组的组数为P，每组副边绕组对原边绕组的变比均为K，每组副边绕组与一个功率转换单元的输入端对应连接；若干功率转换单元的输出端依次相连，并从第一个功率转换单元的L臂引出所述单相供电装置的第一输出端，从第P个功率转换单元的R臂引出所述单相供电装置的第二输出端；所述主控制器与每一功率转换单元相连，控制每一功率转换单元的运行。

本发明电气化铁路牵引供电系统采用如下技术方案来实现：电气化铁路牵引供电系统，包括供电同步控制器、若干前述单相供电装置和若干区间联络开关；所述供电同步控制器分别与每一单相供电装置和每一区间联络开关连接；所述单相供电装置用于将三相电压转换为单相电压后向列车供电，第一输出端和馈电线连接，第二输出端和回流线连接；所述区间联络开关与相邻两个供电区间的馈电线连接。

本发明电气化铁路牵引供电系统的控制方法，包括以下步骤：

S1.设置所控制牵引网的供电电压有效值、频率和相位，供电同步控制器根据所设供电电压有效值、频率和相位计算牵引网的同步指令，所述同步指令包括一个单相交流电压的有效值、频率和相位信息；

S2.供电同步控制器将同步指令和运行指令发送至各单相供电装置的主控制器，主控制器接收同步指令和运行指令后控制所属单相供电装置的输出电压达到同步指令的要求；

S3.主控制器测量所属单相供电装置的输出电压，计算输出电压的有效值、频率和相位，并与同步指令逐项进行对比，如有偏差则对输出电压进行微调；当输出电压的有效值、频率和相位与同步指令一致时，则向供电同步控制器反馈同步完成信号；

S4.供电同步控制器接收到全部单相供电装置反馈的同步完成信号后，控制区间联络开关依次闭合。

优选地，步骤S2包括：

S2.1主控制器控制多绕组变压器和功率转换单元充电，主控制器控制功率转换单元的整流电路工作在恒定直流电压模式，直流电压达到直流工作电压Udc2；

S2.2主控制器结合功率转换单元的数量P和功率转换单元的直流工作电压Udc2，计算每一个功率转换单元逆变电路的额定电压Uce，将额定电压Uce转化为PWM信号，然后将PWM信号下发至每一个单元控制板，使功率转换单元的逆变电路输出单相交流电压Uco；每一个功率转换单元的输出电压叠加起来构成所述单相供电装置的输出电压Uo；当功率转换单元输出电压逐渐增大至额定电压时，单相供电装置输出电压Uo达到了同步指令的要求。

所述控制方法还包括步骤：

S5.1旁路功率转换单元：多绕组变压器的某一组副边绕组或者某一个功率转换单元出现故障时，主控制器向故障位置的单元控制板下发旁路指令，命令旁路电路导通，整流电路停止工作；同时主控制器根据剩余的功率转换单元数量重新计算PWM信号，控制剩余的功率转换单元提高输出电压，以维持该台单相供电装置的输出电压稳定在同步指令要求的水平。

所述控制方法还包括步骤：

S5.2旁路单相供电装置：当某台单相供电装置正常停机或者故障停机时，其主控制器停止下发PWM信号，命令单元控制板停止整流电路工作、断开旁路电路，控制该单相供电装置主回路与三相电压、馈电网和回流线断开，原来该台单相供电装置对应的供电区间通过区间联络开关从相邻区间获取电能，维持区间持续供电。

所述控制方法还包括直流融冰或交流融冰步骤；所述直流融冰步骤为：

S11.主控制器下发旁路指令，将全部功率转换单元的旁路电路接通，此时单相供电装置输出的电压为零；

S12.主控制器下发指令，控制第一功率转换单元的旁路电路断开，同时下发一个满调制的PWM信号，控制该功率转换单元输出其直流工作电压Udc2，其余功率转换单元不动作，此时单相供电装置输出的直流电压为Udc2，牵引网和回流轨开始产生直流电流；

S13.按照S12步骤所述过程，依次控制剩余功率转换单元输出其直流工作电压，有j个功率转换单元工作，则单相供电装置输出直流电压为j*Udc2，随着j的增大，产生的直流电流将逐渐接近设定值Irb；

S14.主控制器检测输出电流的大小，如果启动j个功率转换单元时直流电流未达到设定值，而启动j+1个又超过设定值的话，则仅启动j个；

所述交流融冰步骤为：

S21.主控制器根据设定的融冰频率，从零开始逐渐增大计算PWM信号的调制深度，将PWM信号下发给全部单元控制板；

S22.单元控制板接收PWM信号后，控制功率转换单元的输出电压从零开始逐渐增大，因此单相供电装置输出一个频率为Fbr，有效值逐渐增大的交流电压；

S23.随着单相供电装置输出电压有效值逐渐增大，流过牵引网和回流轨的电流也开始随之增大，当主控制器检测到输出电流达到了设定值Irb时，则停止增大调制深度，维持电流稳定在Irb。

与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

1、本发明提供的单相供电装置通过将高电压分解多个低电压、三相均匀承担负荷、单相叠加输出的技术手段，实现电能从三相交流到单相交流的转换，转化过程对三相侧来说是完全平衡的，解决了电气化铁路牵引供电系统长期存在的电能污染问题。

2、输出的单相电能频率和有效值是完全可控的，可以灵活调整，可满足不同工频制式(50Hz或者60Hz)的电气化铁路的需求。

3、本发明通过供电同步控制器生成总的同步指令，控制单相供电装置输出一致的单相电压，使得牵引网打破按照区间供电的局限，解决了列车过区间的一系列问题。

4、除了常规供电功能外，本发明提供的单相供电装置还可以为馈电线和回流线提供直流和交流两种不同模式的融冰功能，极大提高了设备的利用率，降低了单独配置融冰装置的投资和工作量。

附图说明

图1为本发明涉及的一种电气化铁路牵引供电系统拓扑结构图；

图2为本发明涉及的单相供电装置的拓扑结构图；

图3为本发明涉及的功率转换单元的拓扑结构图；

图4为本发明涉及的同步指令Cs、加压曲线和功率转换单元输出电压的关系图；

图5为单台单相供电装置输出电压Uo、输出曲线Co和同步指令Cs的关系曲线图；

图6为各个供电区间未完成联络，由对应的单相供电装置供电的示意图；

图7为各个供电区间完成联络后的供电示意图；

图8为某台单相供电装置故障被旁路后牵引供电网的示意图；

图9为直流融冰模式下投入j个功率转换单元、旁路P‐j个功率转换单元的等值电路；

图10为交流融冰模式下的等值电路。

具体实施方式

下面结合实施例及说明书附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明电气化铁路牵引供电系统包括供电同步控制器1、若干单相供电装置2和若干区间联络开关3，供电同步控制器负责牵引网全网电压的有效值、频率和相位均一致，单相供电装置根据同步指令实现三相电源转化为同步的单相电源，区间联络开关连接各个供电区间为统一整体。其中供电同步控制器1分别与每一单相供电装置2和每一区间联络开关3连接，负责控制每一单相供电装置2和每一区间联络开关3的工作；单相供电装置2的输入端和三相电源连接，单相供电装置2的输出端和馈电线、回流线连接，负责将三相电压转换为单相电压后向列车供电；区间联络开关3与相邻两个区间的馈电线连接，负责控制相邻两个供电区间的连接关系。相邻的供电区间通过区间联络开关3相连，构成统一的牵引供电网。单相供电装置2的输入端与牵引变压器的输出端相连，输入电压为27.5kV；单相供电装置2的第一输出端与对应区间的馈电线相连，第二输出端与回流线相连，如图2所示。单相供电装置也可由独立的35kV或者其他更高电压等级的高压电源供电，单相供电装置的供电方式不影响装置本体的拓扑结构和控制方法。

如图2所示，单相供电装置2包括输入开关2.1、充电开关2.2、充电电阻2.3、多绕组变压器2.4、若干功率转换单元2.5、第一输出开关2.6、第二输出开关2.7、输入电流传感器2.8、输出电压传感器2.9、输出电流传感器2.10和主控制器2.11。所述输入开关2.1的进线端与三相高压电源相连，出线端与所述多绕组变压器2.4的原边绕组相连，三相高压电源可以是牵引变电站的牵引变压器的输出端(27.5kV)，也可以是一路独立的高压电源(35kV)，本实施例选择牵引变压器的输出端作为三相高压电源。所述充电开关2.2的进线端与三相高压电源相连，出线端与所述充电电阻2.3进线端相连，充电电阻2.3出线端与所述输入开关2.1的出线端相连，即充电开关2.2和充电电阻2.3串联后与输入开关2.1并联。所述多绕组变压器2.4由一个高压原边绕组和多个低压副边绕组构成，副边绕组的组数为P，每组副边绕组对原边绕组的变比均为K，且与原边三相绕组耦合、彼此电气隔离，每组副边绕组与一个功率转换单元2.5的输入端对应连接；多绕组变压器的作用是将一个三相高电压分解成多个完全一致的三相低电压。全部功率转换单元2.5的输出端依次相连；第一个功率转换单元的L臂与第一输出开关2.6相连，作为单相供电装置2的第一输出端，第P个功率转换单元的R臂与第二输出开关2.7相连，作为单相供电装置2的第二输出端。

所述输入电流传感器2.8用于采集单相供电装置输入电流，其原边串联在输入开关2.1和多绕组变压器2.4原边绕组之间；所述输出电压传感器2.9用于采集单相供电装置的输出电压，其原边并联在第一个功率转换单元的L臂和第P个功率转换单元的R臂之间；所述输出电流传感器2.10用于采集单相供电装置的输出电流，其原边串联在第一个功率转换单元的L臂和第一输出开关2.6之间。主控制器2.11通过光纤2.12与每一功率转换单元2.5相连，控制每一功率转换单元2.5的运行；通过二次电缆与输入开关2.1、第一输出开关2.6和第二输出开关2.7的控制端相连，控制输入开关、第一输出开关及第二输出开关的动作；通过二次电缆与所述输入电流传感器2.8的副边、输出电压传感器2.9的副边和输出电流传感器2.10的副边相连。

其中，所述功率转换单元2.5的拓扑结构如图3所示，包括整流电路2.5.1、直流电容2.5.2、逆变电路2.5.3、旁路电路2.5.4和单元控制板2.5.5，整流电路2.5.1的交流端为功率转换单元2.5的输入端，整流电路2.5.1的直流端、逆变电路2.5.3的直流端和直流电容2.5.2按照正负极性对应相连，逆变电路2.5.3的交流端为功率转换单元2.5的输出端，旁路电路2.5.4并联在功率转换单元2.5的输出端。单元控制板2.5.5通过光纤2.12与主控制器2.11相连，单元控制板2.5.5还分别与整流电路2.5.1、逆变电路2.5.2及旁路电路2.5.4连接，接收主控制器2.11的指令控制功率转换单元2.5内的各个部件工作。本实施例中，优选采用IGBT构成的三相桥作为整流电路2.5.1，采用IGBT构成的H桥作为逆变电路2.5.3，单相交流接触器作为旁路电路2.5.4；其中IGBT可用IGCT、IEGT等全控型电力电子器件替代，单相交流接触器可用双向晶闸管等替代。

本发明电气化铁路牵引供电系统通过以下步骤进行控制：

S1.人工对供电同步控制器1的参数进行设置，明确所控制牵引网的供电电压参数，包括电压有效值、频率和相位，供电同步控制器1根据所设参数计算牵引网的同步指令，该同步指令包含了一个单相交流电压的有效值、频率和相位信息。

S2.供电同步控制器1将同步指令和运行指令发送至各单相供电装置的主控制器2.11，主控制器2.11接收同步指令Cs和运行指令后按照下述步骤控制所属的单相供电装置工作：

S2.1停机→待机

主控制器控制充电开关闭合，多绕组变压器和功率转换单元开始通过充电电阻进行充电；经过充电时间T1后，每一个功率转换单元的直流电压均将基本稳定预充值Udc1，主控制器依次控制输入开关闭合、充电开关断开；经过镇定时间T2后，主控制通过光纤下发指令至功率转换单元的单元控制板，使功率转换单元的整流电路进入恒定直流电压模式，根据三相PWM整理器的工作原理，直流电压将上抬至工作电压Udc2；经过上抬时间T3后，主控制器控制第一输出开关和第二输出开关闭合，将单相供电装置的第一输出端和馈电线相连，第二输出端和回流线相连。

经过上述过程后，单台单相供电装置输入开关闭合，第一输出开关、第二输出开关闭合，功率转换单元的整流电路工作在恒定直流电压模式，直流电压达到工作电压Udc2，装置进入待机状态。功率转换单元直流侧电压的变化过程见图4所示。

S2.2待机→运行

主控制器根据所接受的同步指令Cs和人工设置的加压时间T4绘制输出曲线Co，再结合功率转换单元的数量P和功率转换单元的直流工作电压Udc2，计算每一个功率转换单元逆变电路的额定电压Uce，根据电力电子学正弦波脉冲宽度调制的原理将额定电压Uce转化为PWM信号，通过光纤将PWM信号下发至每一个单元控制板，使功率转换单元的逆变电路输出单相交流电压Uco；每一个功率转换单元的输出电压Ucon(n＝1.2……P)叠加起来，就构成了所述单相供电装置的输出电压Uo，即Uo＝∑Ucon；当功率转换单元输出电压逐渐增大至额定电压，即Uco＝Uce时，装置输出电压Uo即达到了同步指令Cs的要求。经过上述过程后，一台单相供电装置开始向馈电线网和回流线提供稳定的单相工频电压，进入运行状态。

单台单相供电装置输出电压Uo、输出曲线Co和同步指令Cs的关系如图5所示。以国内电气化铁路常用的供电制式为27.5kV/50Hz为例，同步指令中包含了供电电压的有效值27.5kV、频率50Hz和初始相位0°的同步信息，主控制器接收同步指令后再结合加压时间T4生成输出曲线Co，并控制单相供电装置维持初始相位0°、固定频率50Hz(即每个周波的周期为20ms)、逐步提高输出电压(在1000ms时有效值达到了27.5kV)以达到同步指令的要求。在国外的电气化铁路中，常见工频为60Hz的情况，为了适应这种供电制式，只需要将下发的同步指令中的频率改为60Hz，剩下的过程是一致的。

S3.每台主控制器通过所属单相供电装置配套的输出电压传感器测量该单相供电装置的输出电压Uo，计算输出电压的有效值、频率和相位，并与同步指令Cs逐项进行对比，如有偏差则对输出电压Uo进行微调。当输出电压的有效值、频率和相位与同步指令Cs一致时，则向供电同步控制器反馈同步完成信号。此时所有供电区间均带电，并且供电电压的有效值、频率和相位均完全同步。

此时各个供电区间上没有完成联络，各个供电区间由对应的单相供电装置供电，如图6所示。

S4.供电同步控制器接收到全部单相供电装置反馈同步完成信号后，控制区间联络开关依次闭合，供电区间的馈电线全部相连，整个牵引供电装置投入完毕，全部单相供电装置呈现并联形态，工作在统一的电压水平，可以为列车提供稳定、无中断的电能。

区间联络开关闭合后，各个供电区间完成联络，成为统一的供电整体，各个单相供电装置成为同步工作的并联供电电源，如图7所示。

S5.为了保证整个牵引供电系统的可靠性，必须考虑功率转换单元故障甚至某台单相供电装置故障后，整个系统能继续运行的情况：

S5.1功率转换单元故障

一旦出现某一组副边绕组或者某一个功率转换单元出现故障的情况，主控制器则通过光纤向故障位置的单元控制板下发旁路指令，命令旁路电路导通，整流电路停止工作，从而将故障位置的功率转换单元切除；同时主控制器根据剩余的功率转换单元数量重新计算PWM信号，控制剩余的功率转换单元提高输出电压，以维持该台单相供电装置的输出电压稳定在同步指令Cs要求的水平。

例如在运行过程中第一功率转换单元出现故障，那主控制器则通过光纤下发指令使得第一功率转换单元的整流电路停止工作，同时闭合旁路接触器，将该故障功率转换单元切除；同步调整下发至剩余P‐1个功率转换单元的PWM脉冲信号，使剩余功率转换单元的输出电压变为27.5kV/(P‐1)，维持单相供电装置整体输出电压的水平。

S5.2单相供电装置故障

一旦某台单相供电装置正常停机或者故障停机时，其主控制器停止下发PWM信号，命令单元控制板停止整流电路工作、断开旁路电路，控制第一输出开关、第二输出开关和输入开关全部断开，该单相供电装置主回路与高压电源、馈电网和回流线完全断开，原来该台装置对应的供电区间通过区间联络开关从相邻区间获取电能，维持区间持续供电。某台单相供电装置故障退出后，牵引供电网的状态如图8所示。

本发明电气化铁路牵引供电系统还设有融冰功能。系统的融冰功能分为两种模式：直流融冰和交流融冰，启动融冰功能的第一步和常规供电相同，即系统待机，然后设置融冰模式和融冰电流Irb，如果选择交流模式还需要设置融冰频率Frb，参数设置好后启动单相供电装置，主控制器按照下述步骤控制单相供电装置进行融冰。

(1)直流融冰

S11.主控制器通过光纤下发旁路指令，将全部功率转换单元的旁路电路接通，此时单相供电装置输出的电压为零；

S12.主控制器通过光纤下发指令，控制第一功率转换单元的旁路电路断开，同时下发一个满调制的PWM信号，控制该单元输出其直流工作电压Udc2，其余单元不动作，此时单相供电装置输出的直流电压为Udc2，牵引网和回流轨开始产生直流电流；

S13.按照S12步骤所述过程，依次控制剩余功率转换单元输出其直流工作电压，有j个功率转换单元工作，则单相供电装置输出直流电压为j*Udc2，随着j的增大，产生的直流电流将逐渐接近设定值Irb；

S14.主控制器通过输出电流传感器检测输出电流的大小，如果启动j个功率转换单元时直流电流未达到设定值，而启动j+1个又超过设定值的话，则仅启动j个，保证单相供电装置输出的电流不超过设定值。

图9所示为直流融冰模式下投入j个功率转换单元、旁路P‐j个功率转换单元的等值电路，其中Rgr‐dc为融冰区间接触网和回流轨的等效直流电阻，Igr‐dc为流过融冰区间的直流电流，Igr‐dc≤Irb。

(2)交流融冰

S21.主控制器根据设定的融冰频率，从零开始逐渐增大计算PWM信号的调制深度，通过光纤将PWM信号下发给全部单元控制板；

S22.单元控制板接收PWM信号后，控制功率转换单元的输出电压从零开始逐渐增大，因此单相供电装置输出一个频率为Fbr，有效值逐渐增大的交流电压；

S23.随着单相供电装置输出电压有效值逐渐增大，流过牵引网和回流轨的电流也开始随之增大，当主控制器检测到输出电流达到了设定值Irb时，则停止增大调制深度，维持电流稳定在Irb。

图10所示为交流融冰模式下的等值电路，其中Rgr‐ac、Lgr‐ac为融冰区间接触网和回流轨的等效交流电阻和等效电感，Igr‐ac为流过融冰区间的交流电流，Igr‐ac＝Irb。

一般优选交流融冰模式，因为交流电流的集肤效应可以使同一段融冰区间的等效电阻更大，相同电流有效值的情况下可以达到更加良好的发热融冰作用。为了保证接触网和回流轨的集肤效应比较明显，所设置的融冰频率一般均是数千赫兹(kHz)以上。

如上所述，便可较好地实现本发明。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。