用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及方法，在牽引變壓器的兩個供電臂之間跨接電能調(diào)節(jié)裝置，電能調(diào)節(jié)裝置包括隔離變壓器、單相背靠背PWM變流器、能量變換電路、儲能元件和控制單元。控制單元根據(jù)α和β供電臂的電壓、電流大小和方向進行計算，完成對PWM變流器和能量變換電路的控制，實現(xiàn)α與β供電臂，以及儲能元件與α和/或β供電臂之間的能量交換。本發(fā)明通過電能轉(zhuǎn)移、存儲及釋放充分回收和利用機車制動回饋電能，提高了牽引供電系統(tǒng)能量利用率，減小了牽引變壓器安裝計費容量，能對牽引變電所負序、無功及諧波等進行治理，解決由電分相造成的列車牽引力和速度損失，還能對系統(tǒng)起到削峰填谷、穩(wěn)定電壓和應(yīng)急電源等作用。
【專利說明】用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電氣化鐵路領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于電氣化鐵路牽引供電領(lǐng)域的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著我國軌道交通領(lǐng)域，尤其是電氣化鐵路高速化、重載化的發(fā)展，鐵路的運行能耗及供電成本也越來越巨大，因此提高電能輸送效率、降低電能消耗和供電成本，對于電氣化鐵路的節(jié)能降耗及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。關(guān)于電氣化鐵路的節(jié)能降耗，目前在以下兩方面仍具有巨大潛力。
[0003]一方面，目前我國已大批量應(yīng)用的交流傳動電力機車會將制動過程中產(chǎn)生的再生制動電能回饋到牽引供電系統(tǒng)。當一個供電臂下的機車處于制動狀態(tài)，其回饋的電能只能供同一供電臂下其它處于牽引狀態(tài)的機車使用，但是當同一供電臂下沒有機車牽引運行，或者牽引運行的機車不能完全消耗掉回饋電能時，多余的制動電能會通過牽引變壓器又回饋到三相交流電網(wǎng)。電能回饋至三相電網(wǎng)時，會有一部分在線路上損耗掉，且會引起負序電流增大、電壓升高等電能質(zhì)量問題。更重要的是，目前電力部門一般不會對回送的電能計費，因此大量的制動回饋電能對牽引供電系統(tǒng)而言產(chǎn)生不了經(jīng)濟效益，造成了電能浪費。
[0004]另一方面，由于牽引負載消耗的功率是周期性變化的，為隨時維持電能供需平衡，牽引變壓器的容量一般是按照負載消耗的最大功率來設(shè)計的，而在大多數(shù)情況下牽引變壓器均不會滿負荷運行，這樣就造成了容量的浪費。牽引變壓器容量浪費會導(dǎo)致成本增加，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是牽引變壓器初裝費用的增加，二是由于我國現(xiàn)行的兩部制電價，會造成基本電費的增加。
[0005]同時，電氣化鐵路牽引負荷具有非線性、波動性和不對稱等特點，會引起牽引供電系統(tǒng)的負序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題，嚴重影響鐵路自身及其他用戶的供電安全和可靠性。對于這些問題在國內(nèi)外已進行了深入研究，同時也提出了很多治理方案。各種形式的靜止無功發(fā)生器(SVG)、有源濾波器(APF)、功率調(diào)節(jié)器(RPC)及各種混合型裝置作為治理電氣化鐵路負序、無功、諧波的方案被頻頻提出。同時，現(xiàn)有鐵路牽引供電系統(tǒng)中的電分相環(huán)節(jié)不僅會造成列車牽引力和速度的損失，而且列車過分相時引起車網(wǎng)之間電氣暫態(tài)過程復(fù)雜，嚴重時將危及牽引網(wǎng)和列車運行，且過分相環(huán)節(jié)可靠性較低，是牽引供電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。因此，目前我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)及其技術(shù)方面，在實現(xiàn)高速和重載電力牽引時存在以下三個突出的問題:(1)牽引供電系統(tǒng)的運行能耗及經(jīng)濟性問題；(2)以負序、無功、諧波為主的電能質(zhì)量問題；(3)電分相造成的列車牽引力和速度損失問題。在現(xiàn)有技術(shù)當中，在城市軌道交通的直流牽引供電系統(tǒng)中，目前已有采用儲能裝置對列車制動回饋電能進行回收及再利用的技術(shù)方案。同時，在電力系統(tǒng)三相交流電網(wǎng)中，采用儲能裝置或電能調(diào)節(jié)器減小設(shè)備峰值容量、提高設(shè)備容量利用率的技術(shù)方案也有較多的介紹。但現(xiàn)有技術(shù)中尚未有應(yīng)用于電氣化鐵路單相交流牽引供電網(wǎng)的電能調(diào)節(jié)裝置，由于適用的電網(wǎng)形式不同，會帶來電能調(diào)節(jié)裝置在連接方式、組成結(jié)構(gòu)，以及實現(xiàn)功能上的較大差別?，F(xiàn)有技術(shù)中的電氣化鐵路牽弓I供電系統(tǒng)主要存在以下技術(shù)缺陷:
(1)在現(xiàn)有技術(shù)中，尚未發(fā)現(xiàn)有類似結(jié)構(gòu)的電能調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用于單相交流牽引供電網(wǎng)的技術(shù)方案；
(2)現(xiàn)有技術(shù)中未涉及通過提高牽引變壓器的容量利用率來降低電氣化鐵路的能耗及成本的具體技術(shù)方案；
(3)現(xiàn)有技術(shù)對于解決電氣化鐵路的負序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題以及電分相問題的技術(shù)方案功能相對單一，性價比不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法，能夠解決電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的運行能耗，電能回收利用和治理，以及由電分相造成的列車牽引力和速度損失的技術(shù)問題。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體提供了一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置的技術(shù)實現(xiàn)方案，所述電能調(diào)節(jié)裝置跨接在牽引變壓器的α供電臂和β供電臂之間。所述電能調(diào)節(jié)裝置進一步包括控制單元、單相背靠背PWM變流器，連接在所述單相背靠背PWM變流器的中間直流回路的能量變換電路，與所述能量變換電路相連的儲能元件，以及連接在所述單相背靠背PWM變流器兩端的隔離變壓器。其中一個隔離變壓器的原邊繞組連接在所述α供電臂與鋼軌之間，該隔離變壓器的每個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器一端的PWM變流器相連。另一個隔離變壓器的原邊繞組連接在所述β供電臂與鋼軌之間，該隔離變壓器的每個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器另一端的PWM變流器相連，所述控制單元分別與所述單相背靠背PWM變流器和能量變換電路相連。
[0008]優(yōu)選的，當兩組以上的單相背靠背PWM變流器的直流回路相互并聯(lián)時，所述并聯(lián)的直流回路與一個能量變換電路相連，所述控制單元分別與所述PWM變流器和能量變換電路相連。
[0009]本發(fā)明還具體提供了另一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置的技術(shù)實現(xiàn)方案，所述電能調(diào)節(jié)裝置跨接在牽引變壓器的α供電臂和β供電臂之間。所述電能調(diào)節(jié)裝置進一步包括控制單元、兩組以上的單相背靠背PWM變流器，連接在所述單相背靠背PWM變流器的中間直流回路的能量變換電路，與所述能量變換電路相連的儲能元件，以及與所述單相背靠背PWM變流器一端相連的隔離變壓器。所述隔離變壓器的原邊繞組連接在所述α供電臂或β供電臂與鋼軌之間，所述隔離變壓器的一個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器一端的PWM變流器相連。各組單相背靠背PWM變流器另一端的PWM變流器交流側(cè)相互串聯(lián)后通過電抗器連接在另一供電臂與鋼軌之間，所述控制單元分別與所述單相背靠背PWM變流器和能量變換電路相連。
[0010]優(yōu)選的，所述控制單元用于，采集所述α供電臂和β供電臂的電壓、電流，根據(jù)包括所述α供電臂和β供電臂的電壓、電流的大小和方向在內(nèi)的條件進行綜合計算判斷，并根據(jù)所述計算判斷結(jié)果對所述單相背靠背PWM變流器和所述能量變換電路進行控制，以實現(xiàn)所述α供電臂與所述β供電臂，以及所述儲能元件與所述α供電臂和/或β供電臂之間的能量交換。
[0011]優(yōu)選的，所述控制單元還用于，當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車正在消耗電能時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置將回饋電能轉(zhuǎn)移至消耗電能的供電臂上，以提高回饋電能的利用率；當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車不能完全消耗掉回饋電能時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置將多余的回饋電能儲存于所述儲能元件中，以實現(xiàn)節(jié)能。
[0012]優(yōu)選的，所述控制單元還用于，當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率低于一定閾值時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置繼續(xù)從輸出功率較低的供電臂輸出電能并轉(zhuǎn)移至輸出功率較高的供電臂，以提高所述牽引變壓器的容量利用率；當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率接近所述閾值時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置將所述儲能元件中的能量釋放出來供作為負載的機車利用，以減小所述牽引變壓器的峰值容量。
[0013]優(yōu)選的，所述控制單元還用于，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)有功功率的相互轉(zhuǎn)移，使所述α供電臂和β供電臂輸出的有功功率相等，以減小或消除所述牽引變壓器原邊的負序電流；控制所述電能調(diào)節(jié)裝置通過控制有功功率在所述α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，使得α供電臂和β供電臂可選擇采用同一相電壓進行供電，從而取消電分相環(huán)節(jié)；根據(jù)實時檢測計算的結(jié)果，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置動態(tài)輸出相應(yīng)的無功和低次諧波電流，以實現(xiàn)對所述α供電臂和β供電臂的負載電流無功和諧波的補償。
[0014]本發(fā)明還另外具體提供了一種利用上述裝置實現(xiàn)用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法的技術(shù)實現(xiàn)方案，一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法，在牽引變壓器的α供電臂和β供電臂之間跨接電能調(diào)節(jié)裝置，所述電能調(diào)節(jié)裝置進一步包括單相背靠背PWM變流器、能量變換電路、儲能元件和控制單元。所述控制單元根據(jù)包括所述α供電臂和β供電臂的電壓、電流的大小和方向在內(nèi)的條件進行綜合計算判斷，完成對所述單相背靠背PWM變流器和所述能量變換電路的控制，以實現(xiàn)所述α供電臂與所述β供電臂，以及所述儲能元件與所述α供電臂和/或β供電臂之間的能量交換。
[0015]優(yōu)選的，當所述控制單元判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車正在消耗電能時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置將回饋電能轉(zhuǎn)移至消耗電能的供電臂上，以提高回饋電能的利用率；
當所述控制單元判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車不能完全消耗掉回饋電能時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置將多余的回饋電能儲存于所述儲能元件中，以實現(xiàn)節(jié)能。
[0016]優(yōu)選的，當所述控制單元判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率低于一定閾值時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置繼續(xù)從輸出功率較低的供電臂輸出電能并轉(zhuǎn)移至輸出功率較高的供電臂，以提高所述牽引變壓器的容量利用率；
當所述控制單元判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率接近所述閾值時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置將所述儲能元件中的能量釋放出來供作為負載的機車利用，以減小所述牽引變壓器的峰值容量。
[0017]優(yōu)選的，所述控制單元控制所述電能調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)有功功率的相互轉(zhuǎn)移，使所述α供電臂和β供電臂輸出的有功功率相等，以減小或消除所述牽引變壓器原邊的負序電流；
所述控制單元控制所述電能調(diào)節(jié)裝置通過控制有功功率在所述α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，使得α供電臂和β供電臂可選擇采用同一相電壓進行供電，從而取消電分相環(huán)節(jié)；
所述控制單元根據(jù)實時檢測計算的結(jié)果，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置動態(tài)輸出相應(yīng)的無功和低次諧波電流，以實現(xiàn)對所述α供電臂和β供電臂的負載電流無功和諧波的補償。
[0018]通過實施上述本發(fā)明提供的用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法，具有如下技術(shù)效果:
(1)本發(fā)明能夠應(yīng)用于單相交流牽引供電系統(tǒng)，可通過電能轉(zhuǎn)移、存儲及釋放的多重措施來充分回收并合理利用機車制動回饋電能，以提高牽引供電系統(tǒng)的能量利用率，減小牽引變壓器的安裝容量和計費容量，以提高牽引變壓器的容量利用率，從而達到節(jié)約電能、降低成本的目的；尤其是對于具有長大坡道、V型坡道、反V型坡道的電氣化鐵道線路，利用本發(fā)明在不同時機下轉(zhuǎn)移、存儲或釋放電能，可對牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益；
(2)本發(fā)明能夠解決牽引供電系統(tǒng)的負序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題，通過兩個供電臂之間有功功率的相互轉(zhuǎn)移起到取消電分相的作用；
(3)本發(fā)明還能對牽引供電系統(tǒng)起到削峰填谷、穩(wěn)定供電電壓和應(yīng)急電源等作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置與牽引供電系統(tǒng)的電氣連接關(guān)系示意圖；
圖2是本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置一種【具體實施方式】的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
圖3是本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置另一種【具體實施方式】的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖4是本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置第三種【具體實施方式】的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖5是本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法一種【具體實施方式】的程序流程圖；
圖中:1_三相交流電網(wǎng)，2-牽引變壓器，3-電能調(diào)節(jié)裝置，4-接觸網(wǎng)，5-機車，6-鋼軌，7-電分相環(huán)節(jié)，30-PWM變流器，31-能量變換電路，32-儲能元件，33-支撐電容，34-控制單兀，35-隔離變壓器，36-電抗器。
【具體實施方式】
[0021]為了引用和清楚起見，將下文中使用的技術(shù)名詞、簡寫或縮寫記載如下:
SVG:Static Var Generator,靜止無功發(fā)生器的簡稱；
APF:Active Power Filter,有源電力濾波器的簡稱；
RPC:Railway static Power Conditioner,功率調(diào)節(jié)器的簡稱；
PWM:Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制的簡稱； DC-DC轉(zhuǎn)換器:直流-直流轉(zhuǎn)換器的簡稱；
DC-AC轉(zhuǎn)換器:直流-交流轉(zhuǎn)換器的簡稱；
超導(dǎo)儲能:超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(SMES, Superconductive Magnetic Energy Storage(System))是根據(jù)超導(dǎo)體電阻為零的特性，利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來制成的儲存電能的裝置，其不僅可以在超導(dǎo)體電感線圈內(nèi)無損耗地儲存電能，還可以通過電力電子換流器與外部系統(tǒng)快速交換有功和無功功率，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)；飛輪儲能:飛輪儲能系統(tǒng)(Flywheel Energy Storage,縮寫:FES)是一種能量儲存方式，它通過把一個旋轉(zhuǎn)體(飛輪)加速到極高的速度，來把能量以動能的形式儲存；
再生制動能量:電力機車或電動車組行駛過程中，如需減速制動時，通過電機的控制方式使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于電機的同步轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢與電流方向改變，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變并與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，列車減速制動，此時，列車牽引電機工作于發(fā)電工況，產(chǎn)生再生制動電能；
兩部制電價:兩部制電價把電價分為容量電價與電量電價兩部分之和，容量電價為計算每月基本電費時，以用電設(shè)備容量(kVA)進行計算，與實際用電量無關(guān)；電量電價為計算每月電量電費時，以實際用電量(kwh)進行計算，與用電設(shè)備容量無關(guān)；兩部制電價通過發(fā)揮價格的杠桿作用，促使用戶提高設(shè)備利用率，降低最大負荷，從而提高電網(wǎng)負荷率及供電能力，使供電、用電雙方從降低成本中都獲得一定經(jīng)濟效益。
[0022]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023]如附圖1至附圖5所示，給出了本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法的具體實施例，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0024]在電氣化鐵路中，為電力機車或電動車組等牽引負載進行供電的系統(tǒng)稱為牽引供電系統(tǒng)。牽引變電所內(nèi)的牽引變壓器2將三相交流電網(wǎng)的110kV/220kV電壓轉(zhuǎn)換為兩個單相交流27.5kV電壓，各自負責一個路段牽引負載的供電任務(wù)，這兩個供電段就稱為供電臂，即α供電臂和β供電臂。由于兩個單相電壓的相位不同，因此兩個供電臂之間采用絕緣段進行電氣隔離，中間存在一個無電區(qū)。該絕緣段及無電區(qū)被稱為牽引供電系統(tǒng)的電分相環(huán)節(jié)7，電力機車經(jīng)過電分相時被稱為過分相。過分相時列車不僅要采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，而且由于沒有供電來源，會導(dǎo)致牽引力和速度的損失。
[0025]如附圖1所示，為本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置與牽引供電系統(tǒng)的電氣連接關(guān)系示意圖，整個系統(tǒng)包括:三相交流電網(wǎng)1、牽引變壓器2、接觸網(wǎng)4、鋼軌6和電能調(diào)節(jié)裝置3。牽引變壓器2的輸入端與三相交流電網(wǎng)I相連，牽引變壓器2的輸出端分別與接觸網(wǎng)4和鋼軌6相連。電能調(diào)節(jié)裝置3跨接在牽引變電所的α供電臂和β供電臂之間，電能調(diào)節(jié)裝置3的一端連接至α供電臂和鋼軌6，電能調(diào)節(jié)裝置3的另一端連接至β供電臂和鋼軌6，電能調(diào)節(jié)裝置3的兩端均為電壓等級為27.5kV的單相交流電。
[0026]如附圖2所示，為一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置的具體實施例，電能調(diào)節(jié)裝置3跨接在牽引變壓器2的α供電臂和β供電臂之間，電能調(diào)節(jié)裝置3的兩端均為電壓等級為27.5kV的單相交流電。電能調(diào)節(jié)裝置3進一步包括控制單元34、單相背靠背PWM變流器，連接在單相背靠背PWM變流器的中間直流回路的能量變換電路31，與能量變換電路31相連的儲能元件32，以及連接在單相背靠背PWM變流器兩端的隔離變壓器35。其中一個隔離變壓器35的原邊繞組連接在α供電臂與鋼軌6之間，該隔離變壓器35的每個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器一端的PWM變流器30相連。另一個隔離變壓器35的原邊繞組連接在β供電臂與鋼軌6之間，該隔離變壓器35的每個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器另一端的PWM變流器30相連?？刂茊卧?4分別與PWM變流器30和能量變換電路31相連。在該具體實施例中，電能調(diào)節(jié)裝置3采用多重化結(jié)構(gòu)，隔離變壓器35具有兩個以上的次邊繞組，當然隔離變壓器35也可以只有一個次邊繞組。單相背靠背PWM變流器包括直流側(cè)相互連接的兩個PWM變流器30和并聯(lián)在單相背靠背PWM變流器的直流回路的支撐電容33，兩端的隔離變壓器35實現(xiàn)降壓。其中，一個隔離變壓器35的原邊繞組連接在α供電臂與鋼軌6之間的交流27.5kV，另一個隔離變壓器35的原邊繞組連接在β供電臂與鋼軌6之間的交流27.5kV。
[0027]如附圖3所示，為另一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置的具體實施例，電能調(diào)節(jié)裝置3跨接在牽引變壓器2的α供電臂和β供電臂之間，電能調(diào)節(jié)裝置3的兩端均為單相交流電。電能調(diào)節(jié)裝置3進一步包括控制單元34、兩組以上的單相背靠背PWM變流器，連接在單相背靠背PWM變流器的中間直流回路的能量變換電路31，與能量變換電路31相連的儲能元件32，以及隔離變壓器35。單相背靠背PWM變流器包括直流側(cè)相互連接的兩個PWM變流器30和并聯(lián)在單相背靠背PWM變流器直流回路的支撐電容33。隔離變壓器35的原邊繞組連接在α供電臂或β供電臂與鋼軌6之間，隔離變壓器35的一個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器一端的PWM變流器30相連。各組單相背靠背PWM變流器另一端的PWM變流器30的交流側(cè)相互串聯(lián)后通過電抗器36連接在另一供電臂與鋼軌6之間。該具體實施例為電能調(diào)節(jié)裝置3在結(jié)構(gòu)上的一種變形，實現(xiàn)的功能與實施例1完全相同，同時圖中省略了部分控制單元34?？刂茊卧?4分別與單相背靠背PWM變流器和能量變換電路31相連。該實施例的電能調(diào)節(jié)裝置3 —端采用了級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，各個PWM變流器30的交流側(cè)相互串聯(lián)起來后通過一個電抗器36連接至供電臂的27.5kV上。與第一種實施例的區(qū)別在于省掉了一端的隔離變壓器35，減小了裝置的成本和體積，但級聯(lián)所需的PWM變流器30的數(shù)量更多。在該實施例中，對于相互串聯(lián)的PWM變流器30的數(shù)量沒有限制。
[0028]在第一種實施例中，并沒有限制隔離變壓器35的次邊繞組及其所連接的PWM變流器30的數(shù)量。如附圖4所示為本發(fā)明用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置第三種具體實施例，當兩組以上的單相背靠背PWM變流器的直流回路相互并聯(lián)時，并聯(lián)的直流回路與一個能量變換電路31相連，控制單元34分別與PWM變流器30和能量變換電路31相連，在附圖4中未示出控制單元34。此時，每個并聯(lián)的直流回路只需接一套能量變換電路31和儲能元件32即可，但能量變換電路31和儲能元件32的容量需相應(yīng)的增大。
[0029]同時，在上述具體實施例中，每組PWM變流器30和能量變換電路31各對應(yīng)一個控制單元34，但是也可以僅僅使用一個總的控制單元34。對于將所有單獨的控制單元集成為一個總的控制單元34，在控制方式上，則采用集中、統(tǒng)一的控制方式，但控制功能與前述控制單元34的功能相同。
[0030]作為本發(fā)明一種典型的具體實施例，控制單元34用于，采集α供電臂和β供電臂的電壓、電流，根據(jù)包括α供電臂和β供電臂的電壓、電流的大小和方向在內(nèi)的條件進行綜合計算判斷，并根據(jù)計算判斷結(jié)果對單相背靠背PWM變流器和能量變換電路31進行控制，以實現(xiàn)α供電臂與β供電臂，以及儲能元件32與α供電臂或β供電臂之間的能量交換。
[0031]作為本發(fā)明一種較佳的具體實施例，控制單元34還用于，當判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車5正在消耗電能時，控制電能調(diào)節(jié)裝置3將回饋電能轉(zhuǎn)移至消耗電能的供電臂上，以提高回饋電能的利用率；當判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車5不能完全消耗掉回饋電能時，控制電能調(diào)節(jié)裝置3將多余的回饋電能儲存于儲能元件32中，以實現(xiàn)節(jié)能。
[0032]作為本發(fā)明一種較佳的具體實施例，控制單元34還用于，當判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率低于一定閾值時，控制電能調(diào)節(jié)裝置3繼續(xù)從輸出功率較低的供電臂輸出電能并將電能轉(zhuǎn)移至輸出功率較高的供電臂，以提高牽引變壓器2的容量利用率；當判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率接近閾值時，控制電能調(diào)節(jié)裝置3將儲能元件32中的能量釋放出來供作為負載的機車5利用，以減小牽引變壓器2的峰值容量。
[0033]作為本發(fā)明一種更佳的具體實施例，控制單元34還用于，控制電能調(diào)節(jié)裝置3實現(xiàn)有功功率的相互轉(zhuǎn)移，使α供電臂和β供電臂輸出的有功功率相等，以減小或消除牽引變壓器2原邊的負序電流?？刂齐娔苷{(diào)節(jié)裝置3通過控制有功功率在α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，使得α供電臂和β供電臂可選擇采用同一相電壓進行供電，從而取消電分相環(huán)節(jié)7。根據(jù)實時檢測計算的結(jié)果，控制電能調(diào)節(jié)裝置3動態(tài)輸出相應(yīng)的無功和低次諧波電流，以實現(xiàn)對α供電臂和β供電臂的負載電流無功和諧波的補償。
[0034]作為本發(fā)明一種典型的具體實施例，儲能元件32與能量變換電路31相連，儲能元件32進一步為電池組、超級電容組、超導(dǎo)儲能裝置和飛輪儲能裝置中的任意一種或任意幾種的串連或并聯(lián)電路。針對儲能元件32的類型或組成的不同，為適應(yīng)其工作原理，所需能量變換電路31也不相同，但其功能都是為儲能元件32提供存儲和釋放能量所需的轉(zhuǎn)換電路。作為本發(fā)明一種典型的具體實施例，當儲能元件32為電池組或超級電容組時，能量變換電路31采用DC-DC轉(zhuǎn)換器。當儲能元件32為飛輪儲能裝置時，能量變換電路31則采用DC-AC轉(zhuǎn)換器。作為本發(fā)明一種更佳的具體實施例，由于電能調(diào)節(jié)裝置3可以控制有功功率在α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，因此α供電臂和β供電臂可以采用同一相電壓供電，從而可以進一步取消牽引變電所出口處的電分相環(huán)節(jié)7。
[0035]如附圖5所示，一種利用上述電能調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法的具體實施例，在牽引變壓器2的α供電臂和β供電臂之間跨接電能調(diào)節(jié)裝置3。電能調(diào)節(jié)裝置3進一步包括單相背靠背PWM變流器、能量變換電路31、儲能元件32和控制單元34?？刂茊卧?4根據(jù)包括α供電臂和β供電臂的電壓、電流的大小和方向在內(nèi)的條件進行綜合計算判斷，完成對單相背靠背PWM變流器和能量變換電路31的控制，以實現(xiàn)α供電臂與β供電臂，以及儲能元件32與α供電臂和/或β供電臂之間的能量交換。
[0036]作為本發(fā)明一種典型的具體實施例，當控制單元34判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車5正在消耗電能時，則控制電能調(diào)節(jié)裝置3將回饋電能轉(zhuǎn)移至消耗電能的供電臂上，以提高回饋電能的利用率；
當控制單元34判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車5不能完全消耗掉回饋電能時，則控制電能調(diào)節(jié)裝置3將多余的回饋電能儲存于儲能元件32中，以實現(xiàn)節(jié)能。
[0037]作為本發(fā)明一種較佳的具體實施例，當控制單元34判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率低于一定閾值時，則控制電能調(diào)節(jié)裝置3繼續(xù)從輸出功率較低的供電臂輸出電能并將電能轉(zhuǎn)移至輸出功率較高的供電臂，以提高牽引變壓器2的容量利用率；
當控制單元34判斷出α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率接近閾值時，則控制電能調(diào)節(jié)裝置3將儲能元件32中的能量釋放出來供作為負載的機車5利用，以減小牽引變壓器2的峰值容量。
[0038]作為本發(fā)明一種更佳的具體實施例，控制單元34控制電能調(diào)節(jié)裝置3實現(xiàn)有功功率的相互轉(zhuǎn)移，使α供電臂和β供電臂輸出的有功功率相等，以減小或消除牽引變壓器2原邊的負序電流；
控制單元34控制電能調(diào)節(jié)裝置3通過控制有功功率在α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，使得α供電臂和β供電臂可選擇采用同一相電壓進行供電，從而取消電分相環(huán)節(jié)7 ；
控制單元34根據(jù)實時檢測計算的結(jié)果，控制電能調(diào)節(jié)裝置3動態(tài)輸出相應(yīng)的無功和低次諧波電流，以實現(xiàn)對α供電臂和β供電臂的負載電流無功和諧波的補償。
[0039]本發(fā)明具體實施例提出的用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置及其方法通過控制電能調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同時機下對電能的轉(zhuǎn)移、存儲或釋放，可以充分利用機車制動回饋電能，提高牽引供電系統(tǒng)的能量利用率和牽引變壓器的容量利用率，達到節(jié)約電能、降低成本的目的。同時，該電能調(diào)節(jié)裝置還具有對負序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題進行治理以及實現(xiàn)兩個供電臂的電壓相位相同從而取消電分相環(huán)節(jié)的功能。
[0040]本發(fā)明具體實施例描述的技術(shù)方案可以通過電能轉(zhuǎn)移、存儲及釋放的多重措施來充分回收并合理利用機車制動回饋電能，以提高牽引供電系統(tǒng)的能量利用率、減小牽引變壓器2的安裝容量和計費容量，提高牽引變壓器2的容量利用率，從而達到節(jié)約電能、降低成本的目的。特別是對于具有長大坡道、V型坡道、反V型坡道的電氣化鐵道線路，利用本發(fā)明具體實施例描述的電能調(diào)節(jié)裝置3能夠在不同時機下轉(zhuǎn)移、存儲或釋放電能，可對牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。同時，本發(fā)明具體實施例描述的技術(shù)方案還能夠解決牽引供電系統(tǒng)的負序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題，并通過兩個供電臂之間有功功率的相互轉(zhuǎn)移起到取消電分相環(huán)節(jié)7的作用。此外，還能夠?qū)﹄姎饣F路牽引供電起到削峰填谷、穩(wěn)定供電電壓、應(yīng)急電源等作用。
[0041]在本發(fā)明具體實施例中，電能調(diào)節(jié)裝置3以框圖的形式進行了結(jié)構(gòu)和功能的描述，未明確限定PWM變流器30、能量變換電路31，以及儲能元件32的具體類型和結(jié)構(gòu)組成，只要電能調(diào)節(jié)裝置3與牽引供電系統(tǒng)的連接方式、基本結(jié)構(gòu)、功能，以及主要用途與本發(fā)明相同，都在本專利申請的保護范圍之內(nèi)。[0042]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
[0043]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神實質(zhì)和技術(shù)方案的情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)跨接在牽引變壓器(2)的α供電臂和β供電臂之間，所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)進一步包括控制單元(34)、單相背靠背PWM變流器，連接在所述單相背靠背PWM變流器的中間直流回路的能量變換電路(31)，與所述能量變換電路(31)相連的儲能元件(32)，以及連接在所述單相背靠背PWM變流器兩端的隔離變壓器(35)，其中一個隔離變壓器(35)的原邊繞組連接在所述α供電臂與鋼軌(6)之間，該隔離變壓器(35)的每個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器一端的PWM變流器(30)相連；另一個隔離變壓器(35)的原邊繞組連接在所述β供電臂與鋼軌(6)之間，該隔離變壓器(35)的每個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器另一端的PWM變流器(30)相連，所述控制單元(34)分別與所述單相背靠背PWM變流器和能量變換電路(31)相連。
2.一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)跨接在牽引變壓器(2)的α供電臂和β供電臂之間，所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)進一步包括控制單元(34)、兩組以上的單相背靠背PWM變流器，連接在所述單相背靠背PWM變流器的中間直流回路的能量變換電路(31)，與所述能量變換電路(31)相連的儲能元件(32)，以及與所述單相背靠背PWM變流器一端相連的隔離變壓器(35);所述隔離變壓器(35)的原邊繞組連接在所述α供電臂或β供電臂與鋼軌(6)之間，所述隔離變壓器(35)的一個次邊繞組與一組單相背靠背PWM變流器一端的PWM變流器(30)相連；各組單相背靠背PWM變流器另一端的PWM變流器(30)的交流側(cè)相互串聯(lián)后通過電抗器(36)連接在另一供電臂與鋼軌(6)之間，所述控制單元(34)分別與所述單相背靠背PWM變流器和能量變換電路(31)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:當兩組以上的單相背靠背PWM變流器的直流回路相互并聯(lián)時，所述并聯(lián)的直流回路與一個能量變換電路(31)相連，所述控制單元(34 )分別與所述PWM變流器(30 )和能量變換電路(31)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3中任一權(quán)利要求所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述控制單元(34)用于，采集所述α供電臂和β供電臂的電壓、電流，根據(jù)包括所述α供電臂和β供電臂的電壓、電流的大小和方向在內(nèi)的條件進行綜合計算判斷，并根據(jù)所述計算判斷結(jié)果對所述單相背靠背PWM變流器和所述能量變換電路(31)進行控制，以實現(xiàn)所述α供電臂與所述β供電臂，以及所述儲能元件(32)與所述α供電臂和/或β供電臂之間的能量交換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述控制單元(34)還用于，當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車(5)正在消耗電能時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)將回饋電能轉(zhuǎn)移至消耗電能的供電臂上，以提高回饋電能的利用率；當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車(5)不能完全消耗掉回饋電能時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)將多余的回饋電能儲存于所述儲能元件(32)中，以實現(xiàn)節(jié)能。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述控制單元(34)還用于，當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率低于一定閾值時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)繼續(xù)從輸出功率較低的供電臂輸出電能并轉(zhuǎn)移至輸出功率較高的供電臂，以提高所述牽引變壓器(2)的容量利用率；當判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率接近所述閾值時，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)將所述儲能元件(32)中的能量釋放出來供作為負載的機車(5)利用，以減小所述牽引變壓器(2)的峰值容量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:所述控制單元(34)還用于，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)實現(xiàn)有功功率的相互轉(zhuǎn)移，使所述α供電臂和β供電臂輸出的有功功率相等，以減小或消除所述牽引變壓器(2)原邊的負序電流；控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)通過控制有功功率在所述α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，使得α供電臂和β供電臂可選擇采用同一相電壓進行供電，從而取消電分相環(huán)節(jié)(7);根據(jù)實時檢測計算的結(jié)果，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)動態(tài)輸出相應(yīng)的無功和低次諧波電流，以實現(xiàn)對所述α供電臂和β供電臂的負載電流無功和諧波的補償。
8.一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法，其特征在于:在牽引變壓器(2)的α供電臂和β供電臂之間跨接電能調(diào)節(jié)裝置(3)，所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)進一步包括單相背靠背PWM變流器、能量變換電路(31)、儲能元件(32)和控制單元(34)，所述控制單元(34)根據(jù)包括所述α供電臂和β供電臂的電壓、電流的大小和方向在內(nèi)的條件進行綜合計算判斷，完成對所述單相背靠背PWM變流器和所述能量變換電路(31)的控制，以實現(xiàn)所述α供電臂與所述β供電臂，以及所 述儲能元件(32)與所述α供電臂和/或β供電臂之間的能量交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法，其特征在于: 當所述控制單元(34)判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車(5)正在消耗電能時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)將回饋電能轉(zhuǎn)移至消耗電能的供電臂上，以提高回饋電能的利用率； 當所述控制單元(34)判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂下有制動電能回饋，而另一個供電臂下作為負載的機車(5)不能完全消耗掉回饋電能時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)將多余的回饋電能儲存于所述儲能元件(32)中，以實現(xiàn)節(jié)能。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法，其特征在于: 當所述控制單元(34)判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率低于一定閾值時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)繼續(xù)從輸出功率較低的供電臂輸出電能并轉(zhuǎn)移至輸出功率較高的供電臂，以提高所述牽引變壓器(2)的容量利用率； 當所述控制單元(34)判斷出所述α供電臂和β供電臂中的一個供電臂的輸出功率超過一定閾值，而另一個供電臂的輸出功率接近所述閾值時，則控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)將所述儲能元件(32)中的能量釋放出來供作為負載的機車(5)利用，以減小所述牽引變壓器(2)的峰值容量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種用于電氣化鐵路的電能調(diào)節(jié)方法，其特征在于: 所述控制單元(34)控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)實現(xiàn)有功功率的相互轉(zhuǎn)移，使所述α供電臂和β供電臂輸出的有功功率相等，以減小或消除所述牽引變壓器(2)原邊的負序電流； 所述控制單元(34)控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)通過控制有功功率在所述α供電臂和β供電臂之間相互轉(zhuǎn)移，使得α供電臂和β供電臂可選擇采用同一相電壓進行供電，從而取消電分相環(huán)節(jié)(7)； 所述控制單元(34)根據(jù)實時檢測計算的結(jié)果，控制所述電能調(diào)節(jié)裝置(3)動態(tài)輸出相應(yīng)的無功和低次諧波電流，以實現(xiàn)對所述α供電臂和β供電臂的負載電流無功和諧波的補償。
【文檔編號】H02J3/38GK103840450SQ201410002448
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】張志學(xué), 羅文廣, 尚敬, 許峻峰, 章志兵, 張定華, 劉華東, 黃超, 陳志博, 陳濤, 孫璐 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司