CN111361462B - 电气化铁路变电所无分相牵引供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化牵引变电所牵引供电装置，包括：采用三相转两相接线方式的牵引变压器，牵引变压器的第一输出相对应的第一绕组与第一行驶方向接触网连接，其第二输出相对应的第二绕组与第二行驶方向接触网连接，第一行驶方向接触网设有第一电分段，第二行驶方向接触网设有第二电分段，第一绕组的第一端与第一电分段的两侧连接且第二端接地，第二绕组的第一端与第二电分段的两侧连接且第二端接地，设置于第一绕组与第二绕组之间的功率融通装置，其用于平衡不同牵引绕组间的功率。本发明取消了牵引变电所出口处接触网的电分相，只保留电分段，实现全线贯通供电，降低单相负载导致的电网负序问题，并解决多种电能质量治理问题。

Description

电气化铁路变电所无分相牵引供电装置

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电领域，尤其是涉及一种用于电气化牵引变电所的牵引供电装置。

背景技术

目前，我国电气化铁路普遍采用25kV单相工频交流供电制式，牵引变电所采用2回高压进线回路并结合地面牵引变压器的一主一备配置来提升牵引供电***的可靠性。然而，为了使单相的牵引负荷在三相电力***中尽可能平衡，牵引供电通常采用轮换相序、分相分区供电的方案，分相分区处的相邻供电区间通过分段绝缘器或锚段关节实现分相。

对于牵引变电所出口处的电分相，目前，采用纯单相供电或同相供电技术予以解决。纯单相供电受限于负序及经济性指标约束，在实际工程中很少采用。同相供电技术可解决负序及电分相问题，实际工程中也已经实现了基于同相供电技术的牵引供电***(同相牵引供电***)。但由于同相供电技术需要使用有源功率补偿装置实现负序治理，随着铁路牵引负荷的进一步增大，受限于同相供电功率补偿装置本身的成本、可靠性、容量、电压等级等方面的制约，同相供电***的推广仍面临较大阻力，即使是最新的组合式同相供电技术，也无法完全适应牵引供电的高可靠、低成本、高压大容量、高能效等发展需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电气化铁路变电所无分相牵引供电装置，包括：采用三相转两相接线方式的牵引变压器，其特征在于，所述牵引变压器的第一输出相对应的第一绕组与第一行驶方向接触网连接，所述牵引变压器的第二输出相对应的第二绕组与第二行驶方向接触网连接，所述第一行驶方向接触网设置有第一电分段，所述第二行驶方向接触网设置有第二电分段，所述第一绕组的第一端分别与所述第一电分段的两侧连接，所述第一绕组的第二端接地，所述第二绕组的第一端分别与所述第二电分段的两侧连接，所述第二绕组的第二端接地。

优选地，所述第一绕组通过变电所的第一牵引母线和第一馈线，与所述第一行驶方向供电臂连接；所述第二绕组通过变电所的第二牵引母线和第二馈线，与所述第二行驶方向供电臂连接。

优选地，所述第一电分段的数量为1个，所述第二电分段的数量为1个。

优选地，所述装置还包括：功率融通装置，其中，所述功率融通装置，其设置于所述第一牵引母线和所述第二牵引母线之间，用于平衡异相牵引母线之间的负荷差异，以治理电能质量。

优选地，所述功率融通装置，包括：功率补偿变流器，其位于所述第一牵引母线和所述第二牵引母线之间，用于在含有传输功率参数信息的第一指令的控制下，调节两侧交流功率，实现不同牵引母线之间的功率交互传输。

优选地，所述功率融通装置，还包括：第一变压器，其原边与所述第一输出相对应的牵引母线连接，次边与所述功率补偿变流器的第一端连接，用于利用第一变比匹配输入输出两侧电压；第二变压器，其原边与所述第二输出相对应的牵引母线连接，次边与所述功率补偿变流器的第二端连接，用于利用第二变比匹配输入输出两侧电压。

优选地，所述功率补偿变流器的拓扑结构选自两电平变流器拓扑、三电平变流器拓扑、多电平变流器拓扑、级联式多电平变流器拓扑和MMC结构中的一种；所述牵引变压器选自VV变压器、SCOTT变压器、阻抗匹配变压器、YND11变压器和单相变压器中的一种或者多种变压器的组合。

优选地，所述牵引供电装置，还包括：控制器，其用于根据所述第一牵引母线的电流和电压、以及所述第二牵引母线的电流和电压，利用功率均衡及电能质量综合治理算法，生成所述传输功率参数信息并将其转换为所述第一指令，以使得所述功率补偿变流器在该指令的控制下，完成满足当前平衡条件的功率交互传输任务及电能质量治理任务。

优选地，所述牵引供电装置还包括：备用的所述牵引变压器，进一步，所述牵引供电装置内的控制器，其用于在针对所述牵引变压器进行检修或故障时，控制备用牵引变压器投入使用。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提供一种用于电气化牵引变电所的牵引供电装置。该装置所配置的牵引变电所仍然沿用异相供电模式，通过调整牵引变压器与列车上、下行接触网之间的馈线接线方式，取消了牵引变电所出口处接触网的电分相，只保留接触网电分段，可实现全线贯通供电，有利于再生能量的利用。另外，在异相母线之间配置功率融通装置，最大程度降低单相负载导致的电网负序问题，并可提升牵引供电品质。本发明在保留传统单相交流牵引供电***具有的高可靠性、简单、低成本的优势的同时，能解决电分相带来的列车降速、闯分相等一系列问题，并且通过铁路上、下行接触网之间的功率均衡后，可进一步降低异相母线之间配置的功率补偿装置(功率融通装置)的容量及损耗，从而提升整个牵引变电所的安全经济运行水平，满足牵引供电高可靠、高能效、高压大容量、低成本的发展需求，并解决牵引供电的电压稳定、谐波治理及无功补偿等电能质量问题。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的现有技术中牵引变电所的供电原理示意图。

图2为本申请实施例的电气化牵引变电所无分相牵引供电装置的整体结构图。

图3为本申请实施例的电气化牵引变电所无分相牵引供电装置的详细结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

目前，我国电气化铁路普遍采用25kV单相工频交流供电制式，牵引变电所采用2回高压进线回路并结合地面牵引变压器的一主一备配置来提升牵引供电***的可靠性。然而，为了使单相的牵引负荷在三相电力***中尽可能平衡，牵引供电通常采用轮换相序、分相分区供电的方案，分相分区处的相邻供电区间通过分段绝缘器或锚段关节实现分相。

图1为本申请实施例的现有技术中牵引变电所的供电原理示意图。如图1所示，传统的变电所单边牵引供电***，呈现了两个相邻的牵引变电所、以及一个分区所的结构。牵引变电所输出两个不同相电源，第一相电源通过两条馈线分别与一组上、下行接触网供电臂连接，同样的，第二相电源通过两条馈线也分别与另一组上、下行接触网供电臂连接。第一相电源与第二相电源相位不同，由此需要在牵引变电所输出端设置电分相。

对于牵引变电所出口处的电分相，目前，采用纯单相供电或同相供电技术予以解决。纯单相供电受限于负序及经济性指标约束，在实际工程中很少采用。同相供电技术可解决负序及电分相问题，实际工程中也已经实现了基于同相供电技术的牵引供电***(同相牵引供电***)。但由于同相供电技术需要使用有源功率补偿装置实现负序治理，随着铁路牵引负荷的进一步增大，受限于同相供电功率补偿装置本身的成本、可靠性、容量、电压等级等方面的制约，同相供电***的推广仍面临较大阻力，即使是最新的组合式同相供电技术，也无法完全适应牵引供电的高可靠、低成本、高压大容量、高能效等发展需求。

因而，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于电气化牵引变电所的无分相牵引供电装置。该装置设置于牵引变电所内，使得该牵引变电所仍沿用异相供电模式，但通过调整变电所(牵引变压器T1)两相输出端馈线的接线方式，来取消变电所处的接触网电分相，只保留接触网电分段。另外，本发明在异相牵引母线之间配置功率融通装置，最大程度降低单相负载导致的电网负序问题，同时，也能实现牵引供电电压稳定控制、谐波治理及无功补偿等功能，提升牵引供电***的供电品质。

这样，本发明在保留了传统单相交流牵引供电***具有的高可靠性特点的同时，取消了变电所出口处的电分相。还通过接触网上、下行线路之间的功率均衡后，可进一步降低异相母线之间配置的功率融通装置容量及损耗，从而提升整个牵引变电所的安全经济运行水平，满足牵引供电高可靠、高能效、高压大容量、低成本的发展需求。

图2为本申请实施例的电气化牵引变电所无分相牵引供电装置的整体结构图。图3为本申请实施例的电气化牵引变电所无分相牵引供电装置的详细结构示意图。下面结合图2和图3对本发明中的无分相牵引供电装置进行详细说明。在本方发明实施例中，牵引变压器T1采用三相转两相接线方式，由此，牵引变压器T1输出两相电源，每相电源对应一个牵引绕组。牵引变压器T1选自VV变压器、SCOTT变压器、阻抗匹配变压器、YND11变压器和单相变压器等中的一种或几种变压器的组合。

进一步，牵引变压器T1输出端的第一相输出对应的第一绕组与第一行驶方向接触网(例：列车在上行方向轨道所对应的接触网)及大地/轨道连接，牵引变压器T1输出端的第二相输出对应的第二绕组与第二行驶方向接触网(例：列车在下行方向轨道所对应的接触网)及大地/轨道连接，牵引变压器T1出口处在第一行驶方向接触网上设置有第一电分段，牵引变压器T1出口处在第二行驶方向接触网设置有第二电分段。其中，第一绕组的第一端分别与第一电分段的两侧连接，第一绕组的第二端接地(或接入铁轨)，第二绕组的第一端分别与第二电分段的两侧连接，第二绕组的第二端接地(或接入铁轨)。

进一步，牵引变压器T1的第一绕组通过第一牵引母线和第一路馈线与第一行驶方向接触网供电臂连接。此时，由第一牵引母线和第一路馈线将牵引变电站(牵引变压器)T1输出的第一相电源引入第一行驶方向接触网供电臂上。又由于第一绕组的一端分别与第一电分段两侧的接触网连接，故第一电分段两侧的接触网所获得的牵引电源为同一个电源。

更进一步地说，牵引变压器T1的第二绕组通过第二牵引母线和第二路馈线与第二行驶方向接触网供电臂连接。此时，由第二牵引母线和第二路馈线将牵引变电站(牵引变压器)T1输出的第二相电源引入第二行驶方向接触网供电臂上。又由于第二绕组的一端分别与第二电分段两侧的接触网连接，故第二电分段两侧的接触网所获得的牵引电源为同一个电源。

本发明将牵引变压器输出端的馈线连接方式进行了改进，使得同一行驶方向上的接触网所获得的牵引电源是同相的，同一个行驶方向上的接触网不存在电分相，即实现了接触网无分相牵引供电，仅仅只需设置一个电分段即可满足牵引供电的安全运行要求。

由于同一行驶方向接触网上设置的第一电分段或第二电分段左右两侧的牵引电源来自于牵引变压器T1的同一相输出，因此，第一电分段或第二电分段左右两侧接触网传输的牵引功率可以通过牵引变压器T1本身的平衡供电原理，降低牵引变压器高压进线侧的电压/电流不平衡度，从而缓解负序电流对公用电网的影响。

更进一步地说，本发明实施例所述的牵引供电装置，还包括：功率融通装置200。功率融通装置200设置于第一行驶方向牵引母线和第二行驶方向牵引母线之间，用于平衡异相牵引母线电源之间负荷差异，提升牵引供电品质。

功率融通装置200至少包括：功率补偿变流器201。功率补偿变流器201的第一端与第一相输出对应的第一牵引母线连接，功率补偿变流器201的第二端与第二相输出对应的第二牵引母线连接。功率补偿变流器201接收第一指令，依据该第一指令，调节两侧交流功率，灵活控制异相牵引母线之间的交流功率的传输，均衡牵引变压器相异绕组之间的功率并提升牵引供电品质，从而解决牵引变压器高压进线侧的负序问题。其中，第一指令包括：用于控制功率补偿变流器201进行功率交互传输的传输功率参数信息(传输功率参数信息包括：功率传输的大小及方向)。功率补偿变流器201可依据传输功率参数信息，并结合功率补偿变流器的脉冲宽度调制控制策略，调节功率补偿变流器201的交流侧电压，完成两个牵引母线之间的功率传输控制。

为了配合上述功率融通装置200的功率交互传输操作，本发明所述的牵引供电装置，还包括：控制器100。控制器100用于实时获取第一牵引母线的电流和电压、以及第二牵引母线的电流和电压，利用功率均衡及电能质量综合治理算法，计算需要在异相牵引母线之间传输的功率参考值，并生成相应的传输功率参数信息，而后将当前传输功率参数信息转换为第一指令，以通过高速通信链路，将该指令发送至功率融通装置200内的功率补偿变流器201，以使得功率补偿变流器201在该指令的控制下，完成满足当前平衡条件(满足电网侧负序功率平衡需求)的功率交互传输任务及电能质量治理任务。具体地，控制器100用于先获取到牵引变电所(牵引变压器T1)输出的第一相电源的电压和电流、以及第二相电源的电压和电流，计算第一相电源的输入总功率和第二相电源的输入总功率，而后，依据这两个功率值及相应的功率均衡及电能治理治理算法，生成第一指令，继而将当前第一指令通过高速通信链路发送至上述功率补偿变流器201，以使得功率补偿变流器201在该指令的控制下，完成满足当前电网侧负序功率平衡需求的功率交互传输任务及电能质量治理任务。

优选地，功率补偿变流器201的拓扑结构可选自两电平变流器拓扑、三电平变流器拓扑、多电平变流器拓扑、级联式多电平变流器拓扑和MMC结构等拓扑结构中的一种。其中，变流器可以采用IGBT、IGCT、SIC等各种电力电子器件来实现。

优选地，在本发明实施例中，上述功率补偿变流器201可以直接挂接于牵引母线，还可以通过匹配变压器装置降压接入。由此，上述功率融通装置200还包括：第一变压器(第一匹配变压器)202和第二变压器(第二匹配变压器)203。第一变压器202的原边(变压器高压侧)两端分别与牵引变压器T1的第一相输出(第一牵引母线)和地(轨道)连接，第一变压器202的次边(变压器低压侧)与功率补偿变流器201的第一侧连接，用于利用第一变比匹配输入输出两侧电压。第二变压器203的原边(变压器高压侧)两端分别与牵引变压器T1的第二相输出(第二牵引母线)和地(轨道)连接，第二变压器203的次边(变压器低压侧)与功率补偿变流器201的第二侧连接，用于利用第二变比匹配输入输出两侧电压。

这样，在本发明实施例中，第一匹配变压器202、变流器201和第二匹配变压器203串联在一起，构成了上述功率融通装置。参考图3，功率融通装置200通过第一匹配变压器TP1与第一牵引母线连接，TP1低压侧连接变流器，变流器通过第二匹配变压器TP2实现升压输出，TP2高压侧与第二牵引母线连接，从而利用这种结构，能够实现第一牵引母线与第二牵引母线之间的双向功率传输。

此外，在本发明实施例中，上述牵引供电装置200还包括：备用的牵引变压器T2。备用牵引变压器T2的连接方式与牵引变压器T1的型号、结构、接线方式、与两个牵引母线的连接关系、与第一行驶方向接触网和第二行驶方向接触网的连接关系等方面全部相同。其中，牵引供电装置内的控制器100进一步用于在针对牵引变压器T1进行检修或故障时，控制备用牵引变压器T2投入使用。

本发明提出了一种用于电气化牵引变电所的无分相牵引供电装置。该装置所配置的牵引变电所仍然沿用异相供电模式，通过调整牵引变压器与上、下行接触网之间的馈线接线方式，取消了牵引变电所出口处接触网的电分相，只保留接触网电分段，可实现全线无分相贯通供电，有利于再生能量的利用。另外，在异相母线之间配置功率融通装置，最大程度降低或彻底解决单相负载导致的电网负序问题，同时可提升牵引供电品质。本发明在保留传统单相交流牵引供电***具有的高可靠性、简单、低成本的优势的同时，能解决电分相带来的列车降速、闯分相等一系列问题，并且通过铁路上、下行接触网之间的功率均衡后，可进一步降低异相母线之间配置的功率补偿装置(功率融通装置)的容量及损耗，从而提升整个牵引变电所的安全经济运行水平，满足牵引供电高可靠、高能效、高压大容量、低成本的发展需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电气化铁路变电所无分相牵引供电装置，包括：采用三相转两相接线方式的牵引变压器，其特征在于，所述牵引变压器的第一输出相对应的第一绕组与第一行驶方向接触网连接，所述牵引变压器的第二输出相对应的第二绕组与第二行驶方向接触网连接，所述第一行驶方向接触网设置有第一电分段，所述第二行驶方向接触网设置有第二电分段，其中，所述第一绕组的第一端分别与所述第一电分段的两侧连接，所述第一绕组的第二端接地，所述第二绕组的第一端分别与所述第二电分段的两侧连接，所述第二绕组的第二端接地，所述第一绕组通过变电所的第一牵引母线和第一馈线，与所述第一行驶方向供电臂连接，所述第二绕组通过变电所的第二牵引母线和第二馈线，与所述第二行驶方向供电臂连接，所述无分相牵引供电装置还包括功率融通装置，其中，

所述功率融通装置，其设置于所述第一牵引母线和所述第二牵引母线之间，用于平衡异相牵引母线之间的负荷差异，以治理电能质量。

2.根据权利要求1所述的牵引供电装置，其特征在于，所述第一电分段的数量为1个，所述第二电分段的数量为1个。

3.根据权利要求1所述的牵引供电装置，其特征在于，所述功率融通装置，包括：

功率补偿变流器，其位于所述第一牵引母线和所述第二牵引母线之间，用于在含有传输功率参数信息的第一指令的控制下，调节两侧交流功率，实现不同牵引母线之间的功率交互传输。

4.根据权利要求3所述的牵引供电装置，其特征在于，所述功率融通装置，还包括：

第一变压器，其原边与所述第一输出相对应的牵引母线连接，次边与所述功率补偿变流器的第一端连接，用于利用第一变比匹配输入输出两侧电压；

第二变压器，其原边与所述第二输出相对应的牵引母线连接，次边与所述功率补偿变流器的第二端连接，用于利用第二变比匹配输入输出两侧电压。

5.根据权利要求3或4所述的牵引供电装置，其特征在于，

所述功率补偿变流器的拓扑结构选自两电平变流器拓扑、三电平变流器拓扑、多电平变流器拓扑、级联式多电平变流器拓扑和MMC结构中的一种；

所述牵引变压器选自VV变压器、SCOTT变压器、阻抗匹配变压器、YND11变压器和单相变压器中的一种或者多种变压器的组合。

6.根据所述权利要求3～5中任一项所述的牵引供电装置，其特征在于，所述牵引供电装置，还包括：

控制器，其用于根据所述第一牵引母线的电流和电压、以及所述第二牵引母线的电流和电压，利用功率均衡及电能质量综合治理算法，生成所述传输功率参数信息并将其转换为所述第一指令，以使得所述功率补偿变流器在该指令的控制下，完成满足当前平衡条件的功率交互传输任务及电能质量治理任务。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的牵引供电装置，其特征在于，所述牵引供电装置还包括：备用的所述牵引变压器，进一步，

所述牵引供电装置内的控制器，其用于在针对所述牵引变压器进行检修或故障时，控制备用牵引变压器投入使用。

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