一种电力机车试验线平衡供电系统的制作方法

本发明涉及牵引供电技术领域，特别涉及一种电力机车试验线平衡供电系统。

背景技术

公共电网属于三相供电系统，电力机车属于大功率单相负荷，会导致公共电网三相严重不平衡。电气化铁路采用220kv或者110kv供电，电压等级高，供电容量大，同时采用分段相序轮换供电，可以有效抑制单相大功率电力机车造成的不良影响。

电力机车试验线通常采用采用普遍存在的交流三相10kv电源供电，通过变压器输出单相25kv电压给电力机车供电具体请参考图1，由于10kv系统容量相对较小，供给ss型、hxd型电力机车、crh型高速动车组等大功率单相不平衡负载时，造成的负序会影响同线供电敏感负荷的正常用电，而且容易出现不平衡负荷或者单相过载引起的上级变压器跳闸故障，影响供电系统安全、可靠运行。

为了保证电力机车出厂动调试验正常运行，往往只是采取同线负载临时限电，增大上级变压器容量的措施。目前，还没有一个简单、有效的供电系统可以实现满足电力机车动调试验牵引供电的同时，显著减小10kv进线侧母线电流，实现三相平衡供电。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电力机车试验线平衡供电系统，该系统能够实现10kv侧三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响，保证供电系统安全、可靠运行。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电力机车试验线平衡供电系统，包括：机车牵引供电子系统，功率平衡子系统；其中，

所述机车牵引供电子系统包括牵引变压器，其中，所述牵引变压器的原边绕组与三相电源相连，次边绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连；

所述功率平衡子系统包括scott接线牵引变压器和平衡供电装置，其中，所述scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；所述scott接线牵引变压器的次边第一组输出绕组中的次边第一输出绕组的供电输出端和次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端与所述平衡供电装置相连；所述平衡供电装置，用于控制所述平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡。

可选的，所述平衡供电装置包括：第一变流器、直流电容和第二变流器；所述第一变流器的输出端与所述直流电容并联后与所述第二变流器的输入端相连。

可选的，所述次边第一组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能，和/或，所述次边第二组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能。

可选的，所述次边第一组输出绕组和所述次边第二组输出绕组的供电输出端输出所述平衡供电装置中变流器适用电压。

可选的，所述次边第一组输出绕组的容量大于或者等于所述次边第二组输出绕组的容量。

可选的，所述次边第一组输出绕组具有一组次边第一输出绕组，所述次边第二组输出绕组具有一组次边第二输出绕组。

可选的，本方案还包括：

与三相电源相连的电压互感器，用于检测三相电源的三相母线电压；

设置于所述牵引变压器的次边绕组的第一端的机车电流互感器，用于检测牵引供电线路的电流值。

可选的，本方案还包括：

设置于所述原边高压绕组与所述三相电源相连的三条线路上的三个电流互感器，以及设置于所述牵引变压器的原边绕组上的电流互感器，用于检测供电线路电流；

设置于所述次边第一输出绕组的第一端的第一电流传感器，用于检测所述第一变流器的电流值；

设置与所述次边第二输出绕组的第二端的第二电流传感器，用于检测所述第二变流器的电流值。

可选的，本方案还包括：

设置于所述原边高压绕组上的三极断路器，以及设置于所述牵引变压器的原边绕组上的二极断路器。

可选的，所述次边第一输出绕组为次边第一高阻抗输出绕组，和/或，所述次边第二输出绕组为次边第二高阻抗输出绕组。

本发明所提供的电力机车试验线平衡供电系统，包括：机车牵引供电子系统，功率平衡子系统；其中，机车牵引供电子系统包括牵引变压器，其中，牵引变压器的原边绕组与三相电源相连，次边绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连；功率平衡子系统包括scott接线牵引变压器和平衡供电装置，其中，scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；scott接线牵引变压器的次边第一组输出绕组中的次边第一输出绕组的供电输出端和次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端与平衡供电装置相连；平衡供电装置，用于控制平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡；

可见，该系统利用平衡供电装置实现10kv侧三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响，保证供电系统安全、可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术所提供的电力机车试验线供电系统及与其共pcc点处三相负荷供电回路关系图；

图2为本发明实施例所提供的电力机车试验线平衡供电系统的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的电力机车试验线平衡供电系统的主电路示意图；

图4为本发明实施例所提供的电力机车试验线平衡供电系统的原理示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电力机车试验线平衡供电系统，该系统能够实现10kv侧三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响，保证供电系统安全、可靠运行。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的电力机车试验线平衡供电系统的结构示意图；该系统可以包括：机车牵引供电子系统，功率平衡子系统；其中，

机车牵引供电子系统包括牵引变压器(如图2中t1所示)，其中，牵引变压器的原边绕组与三相电源相连，次边绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连；

具体的，机车牵引供电子系统的功能是将10kv单相线电压转换为电力机车额定牵引供电电压25kv，满足电力机车动调电能需求。即这里的牵引变压器为单相升压变压器。本实施例并不限定具体的电力机车额定牵引供电电压的数值，具体可以是25kv，其也可以根据实际电力机车的供电要求进行适应性修改。

其中，由于图2是一种具体的实现方式，图2中t1的原边绕组的第一端(左边的一端)与三相电源abc的a相相连，原边绕组的第二端(右边的一端)与三相电源abc的c相相连，此时对应的次边绕组的供电输出端与电力机车的供电输入端相连；其中，次边绕组的第一端(左边的一端)与原边绕组的第一端(左边的一端)为同名端(在图2中均以黑色圆点表示)，次边绕组的第二端(右边的一端)与原边绕组的第二端(右边的一端)为同名端(在图2中均以黑色菱形表示)。

功率平衡子系统包括scott接线牵引变压器(如图2中t2所示)和平衡供电装置(图2中与t2次边第一组输出绕组和次边第二组输出绕组相连的部分，即bpsd)，其中，scott接线牵引变压器的原边高压绕组与三相电源相连；scott接线牵引变压器的次边第一组输出绕组中的次边第一输出绕组的供电输出端和次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的供电输出端与平衡供电装置相连；平衡供电装置，用于控制平衡供电装置中的两个变流器的有功通融及无功输出实现三相电流平衡。

其中，本实施例并不限定次边第一组输出绕组中的次边第一输出绕组的个数，也不限定次边第二组输出绕组中的次边第二输出绕组的个数。例如scott接线牵引变压器的次边两个用于连接变流器的绕组可以为更多数量并联，其数量可以为1～n。图2中仅以一个次边第一输出绕组和一个次边第二输出绕组为例。对应的本实施例也不限定接入到功率平衡子系统中的平衡供电装置的数量，其中，每一个平衡供电装置都会与按照图2中所示的方式与次边第一组输出绕组中对应的次边第一输出绕组供电输出端和次边第二组输出绕组中对应的次边第二输出绕组的供电输出端相连。本实施例中都仅以一组为例进行说明。

本实施例中也不限定具体的平衡供电装置的具体形式。优选的，为了在保证三相平衡效果的同时精简系统部件，本实施例中平衡供电装置可以包括：第一变流器、直流电容和第二变流器；第一变流器的输出端与直流电容并联后与第二变流器的输入端相连。其中，变流器指接口输出的电压、频率、相位等参数可按照控制要求特性变化的变流器设备，能够实现ac/dc的双向转换，开关元件采用全控型器件(igbt、igct、gto等)。

其中，由于图2是一种具体的实现方式，图2中t2的原边高压绕组的三个输入端分别与三相电源abc三相相连。图2中给出的是三个输入端从左到右依次连接a相，c相和b相。但是本实施例并不限定t2接入三相电源的方式，例如也可以是abc，cba等等，与之对应的次边第一组输出绕组和次边第二组输出绕组的同名端对应即可。

具体的，功率平衡子系统的功能为检测机车牵引子系统的电流，通过控制平衡供电装置中变流器的有功融通及无功输出，实现10kv进线侧三相电流平衡，显著减小10kv进线电流幅值，消除电力机车单相牵引供电导致的负序，避免对同线供电负荷造成影响。本实施例并不限定具体检测机车牵引子系统的电流的方式，例如可以利用电流互感器，也可以利用电流传感器等。

参考图2，本实施例中的平衡供电装置具体工作流程可以是：

平衡供电装置根据25kv牵引供电回路牵引或制动工况下的电流，计算出牵引供电线路的有功功率p1和无功功率q1。两个变流器之间转移有功功率p2(0.5*p1)，当电力机车处于牵引工况，第二变流器向第一变流器转移有功功率；当电力机车处于制动工况，则第一变流器向第二变流器转移有功功率；同时第一变流器输出无功功率q2(等于-q1，抵消牵引供电线路的无功功率q1)。利用scott接线变压器对称变换特性(次边两相负载功率因数和电流幅值相等时，原边三相对称)，通过控制两个变流器间的有功融通以及第一变流器的无功输出，即可实现10kv进线侧三相输入电流相等，功率平衡。

其中，有功融通即有功功率的转移，转移方向既可以是固定单向的，也可以是按照控制策略要求实现双向流动。电力机车处于牵引工况，则第二变流器向第一变流器转移有功功率；电力机车处于制动工况，则第一变流器向第二变流器转移有功功率。

基于上述技术方案，本发明实施例提的电力机车试验线平衡供电系统，该系统利用平衡供电装置实现10kv侧三相平衡供电，消除负序和电压波动对公共连接点处其它供电线路下游电能质量敏感负荷的影响，保证供电系统安全、可靠运行。

基于上述实施例，若次边第一组输出绕组中的次边第一输出绕组或次边第二组输出绕组中次边第二输出绕组输出的电压可以直接被平衡供电装置利用，这样平衡供电装置与scott接线牵引变压器相连的时候不需要设置额外的变压器。这样不仅能够降低系统的损耗(因为直接使用输出电压不需要经过二次变压)，由于少了额外变压器也会降低设备成本，且减少系统的占地面积。因此综上所述本实施例中次边第一组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能，和/或，次边第二组输出绕组具有输出电压的多档位电压等级调节功能。

具体的，这里的次边第一组输出绕组中的各个次边第一输出绕组的输出电压或次边第二组输出绕组中的各个次边第二输出绕组的输出电压可以调节，这样可以便于接入各种设备。例如可以根据实际使用需求接入输入电压不同的平衡供电装置。这样也进一步会减少系统对某一类具有特定输入电压平衡供电装置的依赖。选用平衡供电装置时仅需要考虑使用效果及成本即可。增强了系统的灵活性。

可选的，当接入设备仅为平衡供电装置时次边第一组输出绕组和次边第二组输出绕组的供电输出端输出平衡供电装置中变流器适用电压。本实施例并不对具体的变流器适用电压的数值进行限定。例如0.97kv。

进一步，为了系统效果这里的次边第一组输出绕组的容量可以大于或者等于次边第二组输出绕组的容量。

基于上述任意实施例，由于一般情况下系统内仅仅接入一个平衡供电装置即可。因此本实施例中次边第一组输出绕组具有一组次边第一输出绕组，次边第二组输出绕组具有一组次边第二输出绕组。这样可以在保证实现原有技术效果的同时，进一步精简系统体积，减少系统成本。

基于上述实施例，由于平衡供电装置需要利用牵引供电线路的电流值实现三相平衡的功能，因此请参考图3，本实施例还可以包括：

与三相电源相连的电压互感器(图3中的pt)，用于检测三相电源的三相母线电压；即检测10kv进线侧三相母线电压。

设置于牵引变压器的原边和次边绕组的第一端的机车供电子系统电流互感器(图3中的ta1和ta5)，用于检测牵引供电回路的电流值。其中，ta1和ta5均可以检测机车供电子系统的电流，ta1检测10kv侧，ta5检测27.5kv侧，功能上是一样的，两边简单换算即可，双重检测和保护而已。

设置于原边高压绕组与三相电源相连的三条线路上的三个电流互感器(图3中的ta2，ta3，ta4)，以及设置于牵引变压器的原边绕组上的电流互感器，用于检测供电线路电流；

设置于次边第一输出绕组的第一端的第一电流传感器(图3中的ct1)，用于检测第一变流器的电流值；

设置与次边第二输出绕组的第二端的第二电流传感器(图3中的ct2)，用于检测第二变流器的电流值。

具体的，根据实时检测高压进线侧三相母线电压(来自pt)，以及25kv牵引供电回路系统的电流(来自ta5的测量绕组)，计算25kv供电回路的有功及无功，控制两个变流器之间的功率融通以及第一变流器的无功输出，同时实时采集第一变流器的电流(来自ct1的测量绕组)和第二变流器(来自ct2的测量绕组)的电流，以及10kv进线侧三相母线电流(来自ta2、ta3、ta4的测量绕组)，反馈回控制系统对机组的输出进行实时修正，保证进线侧三相功率平衡。

基于上述实施例，进一步该系统还可以包括：

设置于原边高压绕组上的三极断路器(图3中的qf2)，以及设置于牵引变压器的原边绕组上的二极断路器(图3中的qf1)。

具体的，根据实时检测两个变流器的状态反馈信号，当检测到任一变流器出现故障时，停止发送变流器的控制命令，并动作于断路器qf1、qf2跳闸。以保护系统安全。

下面举例说明上述过程。具体请参考图3。图3中对应的设备说明如表1。

表1设备说明

其中，机车牵引供电子系统由开关设备(qf1、qs1)、保护设备(fv1、fv2)，检测及保护设备(ta1、ta5)及牵引变压器(t1)及相关供电线路组成。功率平衡子系统由开关设备(qf2、qs2)、保护设备(fv3、fv4、fv5)，检测及保护设备(ta2、ta3、ta4、ct1、ct2)及scott接线牵引变压器(t2)及相关供电线路组成。且其工作原理图如图4所示。以各自线电压为参考：变流器机组1的视在功率s1为：变流器机组2的视在功率s2为：

该系统的控制逻辑，保护逻辑如下：

这里的控制装置可以是系统中的处理器也可以是集成在平衡供电装置中的处理器，本实施例并不限定具体的控制装置的位置。控制装置实时检测高压进线侧三相母线电压(来自pt，转换为25kv侧电压)，以及25kv牵引供电回路系统的电流(来自ta5的测量绕组)，计算25kv供电回路的有功及无功，控制两个变流器之间的功率融通以及第一变流器的无功输出，同时实时采集第一变流器的电流(来自ct1的测量绕组)和第二变流器(来自ct2的测量绕组)的电流，以及10kv进线侧三相母线电流(来自ta2、ta3、ta4的测量绕组)，反馈回控制系统对机组的输出进行实时修正，保证进线侧三相功率平衡。同时，控制装置接收保护装置以及两个变流器机组发送的故障信号，当检测到故障时，停止发送第一变流器和第二变流器的控制命令。

保护逻辑，控制装置实时检测高压母线侧的电压(来自pt)和系统各支路电流(来自ta1、ta2、ta3、ta4、ta5、ct1、ct2的保护绕组)并与保护定值进行比较。若采集的电流值超过设定值，动作于断路器qf1、qf2跳闸，同时将故障信号发送至控制系统，封锁igbt驱动脉冲，停止第一变流器和第二变流器的输出。控制装置实时检测两个变流器的状态反馈信号，当检测到任一变流器出现故障时，停止发送变流器的控制命令，并动作于断路器qf1、qf2跳闸。同时，控制装置还采集了隔离开关qs1、qs2的位置信号，分别作为断路器qf1、qf2软逻辑连锁，防止系统检修时误合断路器qf1、qf2。该系统控制方法简单，控制和保护逻辑完善，实时检测采集量与变流器输出量，有效保证10kv进线侧三相功率实时平衡。

基于上述任意实施例，若次边第一输出绕组或次边第二输出绕组是低阻抗设计时，其接入平衡供电装置时还需要额外增加电抗器，这样会增加系统的设备投资和增加系统占地面积。因此本实施例中次边第一输出绕组为次边第一高阻抗输出绕组，和/或，次边第二输出绕组为次边第二高阻抗输出绕组。具体的，次边第一高阻抗输出绕组和次边第二高阻抗输出绕组可以直接与平衡供电装置相连。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的电力机车试验线平衡供电系统，能够满足电力机车动调试验需求，避免供电线路单相过负荷或者不平衡保护跳闸，同时实现10kv进线侧三相供电平衡，消除了单相负荷导致的负序影响，显著减小线路电流幅值(减小值达42.3％以上)，实现进线侧三相平衡供电，保证试验线路供电质量，充分发挥供电系统的能力。

以上对本发明所提供的一种电力机车试验线平衡供电系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。