CN107046376A - 一种动车组地面电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动车组地面电源,包括电流路径上依次设置的输入开关、电流传感器、自换相桥式电路、直流电路、起到控制保护作用的控制电路、驱动保护电路及其他辅助电路以及安装于电网主干回路的电流传感器/变送器。本发明通过在动力变压器输出侧并联接入动车组地面电源,实现通过同一根母线向不同的号的动车组供电,并且满足不同型号动车组同时用电的需求,而不需要进行倒闸或敷设两组母线,从而简化了动车用所地面电源的设计,并降低了建设成本。
Description
技术领域
本发明属于电力电子电能变换和控制领域,涉及一种地面静变电源,尤其涉及一种安装于动车运用所内,向动车组提供外部工作电源的地面电源装置。
背景技术
动车组列车需要定期进行检修,在检修作业时需要地面电源装置提供供电支持。现有不同型号动车组地面供电需要三相50HzAC400V或单相50HzAC400V两种制式;如直接从10/0.4kV动力变压器输出取得单相50HzAC400V电源将造成动力变压器输出不平衡及上级高压开关跳闸。典型的动车组地面用电需求如表1
表1典型动车组地面供电用电需求(短编组)
动车组型号 | 容量(kW) | 电流(A) | 制式 |
CRH1 | 82 | 125 | 三相 |
CRH2 | 2×150 | 2×375 | 单相 |
CRH3 | 200 | 300 | 三相 |
CRH5 | 2×300 | 2×425 | 三相 |
10/0.4kV动力变压器如仅向一列8辆短编组CRH2型动车组供电,从低压***A、C相取电,则A相电流达750A,B相电流为0A,C相电流为750A;如向一列16辆长编组或两列8辆短编组CRH2型动车组供电,从低压***A、C相取电,则A相电流达1500A,B相电流为0A,C相电流为1500A,三相电流不平衡度达100%。如果同时向三相和单相短编组动车组供电,如一列CRH1,一列CRH2,三相电流不平衡度达84.8%;向一列CRH3、一列CRH2供电,三相电流不平衡度达71.4%;向一列CRH5、一列CRH2供电,三相电流不平衡度达46.9%。以上不平衡度都远超过15%的最大值。
现有的“交-直-交”整流逆变电源,将动力变压器输出的三相电源通过串联变流器(自换向桥式电路)的方式将三相电源转换为单相电源,以保证动力变压器输出电流平衡。这种方式需要投入巨大成本,同时敷设单相供电线路和三相供电线路来满足不同型号动车组的地面供电需要,或者在供电线路中安装切换开关,同一时刻只向一种用电制式动车组供电。随着高速铁路客运量的增多,动车组检修任务也随之增加,为提高检修效率,要求动车所地面电源具备同股道同时向不同型号动车组供电的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动车组地面电源,向动车组提供满足检修要求电源的同时,保证动力变压器输出的三相电流平衡。进一步,本发明具有补偿动力变压器输出侧无功、滤除动力变压器输出侧电流谐波、消除零序分量的功能。
一种动车组地面电源,所述动车组地面电源的输出与动力变压器的输出侧和负载侧分别相连,所述负载侧与动车组相连接;
所述动车组地面电源沿着电流的流动方向依次设置有:输入开关、第一电流传感器模块、自换相桥式电路模块和直流电路;
所述第一电流传感器模块用于检测动车组地面电源输出电流isa,isb,isc;
所述动车组地面电源输出电流在动力变压器输出侧和自换相桥式电路模块之间双向流动;
所述动车组地面电源的负载侧设有第二电流传感器模块,用于检测负载侧电流iu,iv,iw;
所述动车组地面电源还包括:控制器模块和驱动保护电路模块;
所述驱动保护电路模块用于实时驱动及保护自换相桥式电路模块;
所述控制器模块包括去除正序有功电流模块和输出电流调节模块;
所述去除正序有功电流模块用于通过式(1),将负载侧电流iu,iv,iw中的正序有功电流去除,得到电流i’u,i’v,i’w:
其中,为基波电流相位,I1为基波正序分量;
所述输出电流调节模块用于通过式(2),得到所述调节动车组地面电源输出电流的传递函数Vma,Vmb,Vmc:
其中,i″u=-i′u;i″v=-i′v;i″w=-i′w;isa,isb,isc为动车组地面电源输出电流;Kp为所述控制器的比例参数,0.3≤Kp≤0.6。
进一步地,所述自换相桥式电路模块是以IGBT作为开关元件的三相全桥电路。
进一步地,所述动力变压器为10/0.4kV动力变压器。
与现有技术相比,本发明具有的技术效果为:
(1)通过本发明的使用,取消了专为单相供电制式动车组设置的交-直-交电源装置,使得各型号动车都可以在10/0.4kV动力变压器输出侧取电,从而简化了使用现场配电线路设计;
(2)本发明通过调节动车组地面电源的输出侧电流,可对动力变压器的容性和感性无功量进行动态补偿,提高并维持动力变压器的功率因数;
(3)本发明通过实时检测负载侧电流,计算各次谐波电流,使动车组地面电源发出与负载谐波电流反向的谐波电流,可消除负载谐波电流;
(4)本发明通过消除动力变压器输出电流中的零序分量,防止配电线路零线电流过大;
(5)本发明实时调节动车组地面电源的输出侧电流,以抵消动力变压器输出电流的基波负序分量,保持动力变压器输出电流的平衡。
附图说明
图1为本发明的电气原理图;
图2为本发明的控制器框图;
图3为本发明动车组地面电源输出侧电流控制方法框图;
图4为调节负载电流不平衡后变压器输出电流、负载电流和动车组地面电源输出电流波形;
图5为消除电流谐波和无功补偿后变压器输出电流、负载电流和动车组地面电源输出电流波形;
图6为调节负载电流不平衡并进行无功补偿后的变压器输出电流、负载电流和动车组地面电源输出电流波形;
图中标号代表:1—动车组地面电源;2—输入开关;3—第一电流传感器模块;4—自换相桥式电路模块;5—直流电路;6—驱动保护电路模块;7—控制器模块;8—第二电流传感器模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明实施方式进行进一步详细说明。
实施例1
参见图1,一种动车组地面电源,该动车组地面电源的输出与动力变压器的输出侧相连接,同时与负载侧连接,所述负载侧与动车组相连接;
所述动车组地面电源沿着电流的流动方向依次设置有:输入开关2、第一电流传感器模块3、自换相桥式电路模块4和直流电路5;
所述第一电流传感器模块3用于检测动车组地面电源输出电流isa,isb,isc;
所述输出电流在动力变压器输出侧和自换相桥式电路模块(4)之间双向流动;本实施例中,输入开关2可以为具有电流通断控制和过电流切断作用的电气元件或电气元件组合,如空气断路器、交流接触器和熔断器的组合。
参见图1,自换相桥式电路模块4,由6只IGBT组成,其交流侧通过输入开关2接入交流电网,直流侧与直流电路5连接。在驱动保护电路6及控制器7的控制与驱动下,按照确定的时序通断,以调节动车组地面电源的输出电流isa、isb、isc。参见图1,电容C1与电阻R1并联,电容C2与电阻R2并联后,再串联组成直流电路5,直流电路5与自换相桥式电路模块4的直流输出连接。在动车组地面电源工作过程中,直流电路5通过自换相桥式电路4与动力变压器进行能量交换,同时也能够起到直流母线电压支持的作用。
所述动车组地面电源的负载侧设有第二电流传感器模块8,用于检测负载侧电流iu,iv,iw;
所述动车组地面电源还包括:控制器模块7和驱动保护电路模块6;
所述驱动保护电路模块6实时检测IGBT驱动电压、通态压降、通态电流、基板温度并与设定值进行比较,如超出设定值则立即停止自换相桥式电路模块4的工作,同时发出故障信号。
所述控制器模块包括去除正序有功电流模块和输出电流调节模块;
所述去除正序有功电流模块用于通过式(1),将负载侧电流iu,iv,iw中的正序有功电流去除,得到电流:
其中,为基波电流相位,I1为基波正序分量;
所述输出电流调节模块用于通过式(2),得到所述调节输出侧电流的传递函数Vma,Vmb,Vmc:
其中,i″u=-i′u;i″v=-i′v;i″w=-i′w;isa,isb,isc为动车组地面电源输出电流;Kp为所述控制器的比例参数,0.3≤Kp≤0.6。
本实施例中,i″u是将i′u进行反向,i″v是将i′v进行反向,i″w是将i′w进行反向;
参见图1及图3,Vma、Vmb、Vmc与三角波信号比较后产生PWM信号控制自换相桥式电路4工作。自换相桥式电路4输出电流isa、isb、isc与负载侧电流iu、iv、iw中所含有的零序分量、负序分量、谐波分量相反,注入电网后即可达到消除负载侧不平衡电流、零序电流、谐波电流的目的,并向负载侧提供无功电流,以提高动力变压器输出侧功率因数。
参见图1,动车组地面电源通过第二电流传感器模块8实时检测负载侧电流iu、iv、iw并送往控制器模块7,控制器模块7通过所述的控制方法计算负载侧电流正序分量、负序分量,根据负序电流调节自换相桥式电路的输出电流isa、isb、isc使得负序电流趋近于0,即可保证动力变压器输出侧电流ia=ib=ic,此时动力变压器输出三相电流均衡。使用动车组地面电源连接于动力变压器输出侧后,无论向何种型号动车组供电,动力变压器输出侧电流始终是平衡的。通过同样的检测和控制路径,控制器模块7经过驱动保护电路模块6控制自换相桥式电路4的交流侧输出电流isa、isb、isc,可以补偿负载侧无功电流。通过同样的检测和控制路径,控制器模块7计算负载侧电流iu、iv、iw的各次谐波分量,经过驱动保护电路模块6控制自换相桥式电路4的交流侧输出电流isa、isb、isc,可以抵消负载侧电流中的谐波分量,以消除负载侧电流的畸变。通过同样的检测和控制路径,控制器模块7计算负载侧电流的零序分量,经过驱动保护电路模块6控制自换相桥式电路4的交流侧输出电流isa、isb、isc,可以消除负载侧电流的零序分量,以消除动力变压器输出零线上的电流,防止零线电流过大。
参见图2,控制器由调理电路、保护电路、DSP、FPGA、PWM波发生电路及必要的其他辅助电路组成。区别于类似控制器使用一片或多片DSP芯片构成控制器硬件环境的方式(方式一)或一片DSP+模拟电路构成控制器硬件环境的方式(方式二),本实施例中控制器使用一片DSP和一片FPGA组成控制器硬件环境(方式三)。DSP计算负载电流正序分量、负序分量、各次谐波含量和零序分量并生成控制指令i’u,i’v,i’w送往FPGA,FPGA根据控制算法生成PWM波,通过驱动电路控制自换相桥式电路工作。方式三相比方式一,将参数计算和控制算法分配到两个处理器上,缩小了控制延时,可以提高***响应速度;方式三相比方式二具有受环境影响小、稳定性好、一致性好的优点。
参见附图4~6,在使用本发明中的动车组地面电源向动车组提供地面供电时,可自动适应负载特性工作在不同的状态。若动车组为单相供电制式,则动车组地面电源以消除负载负序电流为主,兼有消除零序电流、补偿谐波和功率因数的功能;如动车组为三相供电制式,则动车组地面电源以消除谐波和补偿功率因数为主,兼有消除零序和负序电流的功能。在同时向单相制式和三相制式动车组供电时,可同时完成消除负序电流、零序电流,滤除谐波和补偿功率因数的功能。
如图4所示,以A相为例,动车组地面电源输出电流isa抵消了部分负载电流iu使变压器输出电流ia小于负载电流iu.电流isa来自动力变压器输出电流较小的其他两相,使动力变压器三相输出电流达到平衡状态。
如图5所示,以A相为例,动车组地面电源输出电流isa包含了各次谐波分量,滤除了负载电流iu中的谐波电流分量,使变压器输出电流ia波形接近于正弦波,同时输出电流isa与负载电流iu之间存在相位差,补偿了负载功率因数,实现了在滤除负载电流谐波的同时进行无功补偿的功能。
如图6所示,以A相为例,动车组地面电源输出电流isa抵消了部分负载电流iu使变压器输出电流ia小于负载电流iu.电流isa来自动力变压器输出电流较小的其他两相,使动力变压器三相输出电流达到平衡状态。同时动车组地面电源输出电流isa与负载电流iu之间存在相位差,补偿了负载功率因数,实现了在消除动力变压器输出电流不平衡的同时补偿负载功率因数的功能。
相比其他具有调节负载不平衡电流功能的电源装置,本发明具有无控制节拍延迟,控制算法简单,响应速度快的优点。其不平衡电流补偿率可达91%以上,高于其他不平衡调节装置86%左右的补偿率。本发明所具有的自动适应负载类型的控制方式,无需预先设置优先调节对象,有别于其他具有负载不平衡电流调节功能的电源装置,适合于为不同供电制式的动车组提供地面电源。
相比交-直-交方式电源,本发明效率可达97%,远高于交-直-交装置90%的效率;可满足动车运用所对动车组同股道同时供电的要求。
Claims (3)
1.一种动车组地面电源,其特征在于,所述动车组地面电源的输出与动力变压器的输出侧和负载侧分别相连,所述负载侧与动车组相连接;
所述动车组地面电源沿着电流的流动方向依次设置有:输入开关(2)、第一电流传感器模块(3)、自换相桥式电路模块(4)和直流电路(5);
所述第一电流传感器模块(3)用于检测动车组地面电源输出电流isa,isb,isc;
所述动车组地面电源输出电流在动力变压器输出侧和自换相桥式电路模块(4)之间双向流动;
所述动车组地面电源的负载侧设有第二电流传感器模块(8),用于检测负载侧电流iu,iv,iw;
所述动车组地面电源还包括:控制器模块(7)和驱动保护电路模块(6);
所述驱动保护电路模块(6)用于实时驱动及保护自换相桥式电路模块(4);
所述控制器模块(7)包括去除正序有功电流模块和输出电流调节模块;
所述去除正序有功电流模块用于通过式(1),将负载侧电流iu,iv,iw中的正序有功电流去除,得到电流i’u,i’v,i’w:
其中,为基波电流相位,I1为基波正序分量;
所述输出电流调节模块用于通过式(2),得到所述调节动车组地面电源输出电流的传递函数Vma,Vmb,Vmc:
其中,i″u=-i′u;i″v=-i′v;i″w=-i′w;isa,isb,isc为动车组地面电源输出电流;Kp为所述控制器的比例参数,0.3≤Kp≤0.6。
2.如权利要求1所述的动车组地面电源,其特征在于,所述自换相桥式电路模块(4)是以IGBT作为开关元件的三相全桥电路。
3.如权利要求1所述的动车组地面电源,其特征在于,所述动力变压器为10/0.4kV动力变压器。
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