本发明涉及电力机车（动车组）过电分相技术领域，具体为一种基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置。
背景技术：
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的主断路器断开，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。
目前，电力机车（动车组）通常采用自动过电分相方法，主要有两种方法：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，适合坡度较大和运量大的困难地段，日本将这种方法用于高速动车组。
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cg1时（列车运行方向如图所示；cg1～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k1闭合，中性段接触网由a相供电，待机车进入中性段，到达cg3时，k1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。
为了解决传统地面过电分相装置存在的问题，“一种基于级联多电平的地面过电分相装置（授权号：zl201410036222.9）”提出了采用级联多电平的基于电力电子装置的地面过电分相系统，其拓扑结构如附图2所示，电气原理图如图3所示。该装置由变压器、整流器以及级联h桥逆变器组成，其中供电电源经过变压器降压、整流器整流后供给级联h桥逆变器，通过控制级联h桥逆变器输出的电压幅值与相位，实现列车柔性通过电分相。然而，在实际的牵引供电系统中，处于分区亭位置的分相区难以获得满足容量需求的三相供电电源，采用邻近供电臂供电也难以实现全程的可控切换，整个系统也存在拓扑结构复杂、成本高的问题，不利于工程实现。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置，在实现电力机车柔性通过电分相的前提下，简化装置的拓扑结构、降低成本，提高工程实现的可行性。技术方案如下：
一种基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置，其特征在于，包括级联h桥多电平变流器和分别连接于其每一个子模块hb直流侧的多个电池储能模块；级联h桥多电平变流器的交流侧通过开关k1与中性段连接，通过开关k2与a相供电臂连接，通过开关k3与b相供电臂连接；
列车以牵引工况通过电分相时，断开开关k2和k3，闭合开关k1，各电池储能模块在列车通过电分相时放电，经级联h桥多电平变流器逆变成交流电为中性段提供电能；
列车以再生工况通过电分相时，断开开关k2和k3，闭合开关k1，电池储能模块在列车通过电分相时，经级联h桥变流器从中性段取流充电。
进一步的，在没有列车通过电分相时，断开开关k1，针对列车以牵引工况通过电分相的情况，根据电池储存的电量，在需要充电时，闭合开关k2或k3，地面过电分相装置从牵引接触网取电，为电池储能模块充电；针对列车以再生工况通过电分相的情况，根据电池储存的电量，在需要放电时，闭合开关k2或k3，将电池储能模块储存的能量反馈至需要电能的供电臂上。
更进一步的，所述电池储能模块与级联h桥多电平变流器子模块hb的支撑电容并联。
更进一步的，电池储能模块的容量由列车通过电分相时所需要提供或储存的电能大小决定。
本发明的有益效果是：利用电池储能系统的充放电，经由级联h桥变流器为中性段供电，在实现列车柔性通过电分相的前提下，取消了级联h桥变流器的前级供电装置，从而简化地面过电分相系统的结构、降低了成本；此外，该装置在没有列车通过电分相时，还能用于列车再生能量回收、牵引网压维持、无功补偿以及谐波抑制等等。
附图说明
图1为传统地面过电分相装置的工作原理图。
图2为级联多电平地面过电分相装置的系统结构图。
图3为级联多电平地面过电分相装置的电气原理图。
图4为基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置电气原理图。
图5为基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置中电池储能模块的电气原理图。
图6为基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置中级联h桥多电平变流器中子模块电气原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。一种基于电池储能的级联多电平地面过电分相装置，在存在电分相的接触网上，采用级联多电平地面过电分相装置实现对列车而言的贯通式供电，使电力机车柔性通过电分相，避免列车带载通过电分相时对接触网及电力机车产生冲击。如图4所示，所述地面过电分相装置包括级联h桥多电平变流器和分别连接于其每一个子模块hb直流侧的多个电池储能模块；级联h桥多电平变流器的交流侧通过开关k1与中性段连接，通过开关k2与a相供电臂连接，通过开关k3与b相供电臂连接。通过控制电池储能系统的充放电，由级联h桥多电平变流器为分相区中性段供电，从而实现列车负载功率的可控切换以及中性段电压的幅值、相位调整。
其中，电池储能系统的充放电状态是由列车通过电分相时牵引工况决定的：列车以牵引工况通过电分相时，电池储能系统在列车通过电分相时放电，经级联h桥逆变器为中性段提供电能，在没有列车通过并且电池储能系统需要补充电能时，控制系统闭合开关k2或者k3，地面过电分相系统从牵引供电臂取电为电池储能系统充电；列车以再生工况通过电分相时，电池储能系统在列车通过电分相时，经级联h桥变流器从中性段取流充电，在没有列车通过电分相并且电池储能系统需要放电时，闭合开关k2或者k3，将电池储存的能量反馈至牵引接触网上。电池储能系统的容量是由列车通过电分相时所需要提供或储存的电能大小决定的。
如图5所示，利用滤波电抗器、接触器、限流电阻、快速熔断器以及电池单元构成电池储能模块。该模块与级联h桥子模块hb的支撑电容并联，其中级联h桥多电平变流器中子模块hb的电气原理图如图6所示。
列车通过电分相期间，电池储能模块处于充电模式还是处于放电模式，由列车通过电分相时的工况决定：
（1）列车以牵引工况通过电分相
列车以牵引工况通过电分相时，地面过电分相装置需要提供列车所需的牵引功率，故电池储能模块处于放电状态，开关k1闭合，级联多电平变流器为中性段提供电能。在没有列车经过电分相时，可以根据需要，闭合开关k2或k3，地面过电分相装置从牵引供电臂汲取能量，为电池储能模块充电。
（2）列车以再生工况通过电分相
列车以再生工况通过电分相时，地面过电分相装置需要吸收列车再生制动反馈的功率，故电池储能模块处于充电状态，开关k1闭合，牵引电机发出的电能由中性段经过级联多电平变流器为电池储能模块充电。在没有列车经过电分相时，可以根据需要，闭合开关k2或k3，地面过电分相装置向牵引供电臂释放能量，为电池储能模块放电。
本实施例的电分相装置，在实现电力机车（动车组）柔性通过电分相的前提下，取消了地面过电分相系统用级联h桥多电平变流器的前级供电系统，在很大程度上简化了系统结构、降低了系统成本，有利于工程实现。