CN114172383B - V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置、方法和系统 - Google Patents
V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置、方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电力控制技术领域，具体涉及了一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置和供电方法，旨在解决现有的V/v同相供电装置容量大、造价高的问题。本发明包括：第一变压器、第二变压器和单相背靠背变流器；第一变压器和第二变压器分别连接于V/v变压器的两个绕组并通过公共节点相连第一变压器和第二变压器分别连接单相背靠背变流器；单相背靠背变流器的第一输出端子通过第一变压器与用电电路相连另一端直接连接用电电路。本发明只需增加低容量单相电力电子设备即可实现多个牵引变电所的同相供电，同时消除了现有供电方案中的负序电流问题，提高了同相供电技术的经济性。
Description
技术领域
本发明属于电力控制技术领域，具体涉及了一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置、方法和系统。
背景技术
现有的电气化铁路牵引供电系统通常采用V/v变压器将三相交流电变为两个单相交流电，然后以分段、分相的形式为电力机车供电。不同的供电段之间通常设置不导电的绝缘区(中性段)，当电力机车经过这一区域时电力机车无法获得供电。在此过程中，会造成电力机车牵引力和速度损失。采用V/v变压器也会使得三相交流电网中产生大量负序电流，造成电网功率不平衡，同时负序电流问题会随着电力机车功率的增加而更加严重。
基于电力电子技术的同相供电变流器可以实现向电力机车提供单相交流供电的同时，保证在三相电网中不产生负序电流。中国发明专利CN201520230853.4所述的同相供电变流器容量与牵引变电所提供给接触网的容量相当，导致变流器造价高。中国发明专利CN202110135799采用多绕组变压器和三相-单相AC-AC变流器实现同相供电，尽管这一方案可以降低三相-单相AC-AC变流器输出侧的变流器容量，但是三相输入侧需要补偿负序分量仍然需要很大容量，造价较高。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有的V/v同相供电装置容量大、造价高的缺点，本发明提供了一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，应用于带有V/v变压器的三相交流电路，所述装置包括：第一变压器、第二变压器和单相背靠背变流器；
所述第一变压器通过第一输入连接端子和公共连接端子连接V/v变压器的第一输出绕组；
所述第二变压器通过公共连接端子和第二输入连接端子连接V/v变压器的第二输出绕组；
第一变压器输出绕组的一端与第二变压器输出绕组的一端相连；
单相背靠背变流器的第一输入端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输入端子与第二变压器相连，单相背靠背变流器的第一输出端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输出端子与用电电路相连；
第一变压器输出绕组的不与第二变压器相连的一端与用电电路相连。
在一些优选的实施方式中，所述第一变压器，其输入侧为1个绕组，输出侧为2个绕组记为第一变压器输出侧第一绕组和第一变压器输出侧第二绕组。
在一些优选的实施方式中，单相背靠背变流器的第一输入端子Tb与所述第一变压器输出侧第二绕组的第一连接端子T5连接，第一变压器输出侧第二绕组的第二连接端子T6与第二变压器输出侧的第一连接端子T9连接，第二变压器的输出侧第二连接端子T10与单相背靠背变流器的第二输入端子Ta相连。
在一些优选的实施方式中，单相背靠背变流器的第一输出端子Ty与第一变压器输出侧第一绕组的第二连接端子T4连接，第一变压器输出侧第一绕组的第一连接端子T3连接用电电路；单相背靠背变流器的第二输出端子Tx连接用电电路。
在一些优选的实施方式中，V/v变压器通过V/v变压器第一输入端TA、V/v变压器第二输入端TB和V/v变压器第三输入端TC接入三相交流电网；
V/v变压器第一输出端子Tα连接第一变压器输入侧第一端子T1；
第一变压器输入侧第二端子T2经由公共节点G连接第二变压器输入侧的第一端子T7第二变压器输入侧第二端子T8连接V/v变压器第三输出端子Tβ；
公共节点连接V/v变压器第二输出端子Tn。
在一些优选的实施方式中，所述第一变压器输入侧第一端子T1、第一变压器输出侧第一绕组的第一连接端子T3和第一变压器输出侧第二绕组的第一连接端子T5为同名端；
所述第二变压器输入侧的第一端子T7和第二变压器输出侧的第一连接端子T9为同名端。
在一些优选的实施方式中，所述单相背靠背变流器，包括8N个功率模块PM，N为正整数；
所述单相背靠背变流器的第一输入端子Tb、单相背靠背变流器的第二输入端子Ta相连、单相背靠背变流器的第二输出端子Tx和单相背靠背变流器的第一输出端子Ty均依次以1个电感L和N个功率模块PM与正极P串联，与负极N的连接方式与正极P相同。
在一些优选的实施方式中，第一变压器输入侧绕组与第一变压器输出侧第一绕组的变压比为
第一变压器输入侧绕组与第一变压器输出侧第二绕组的变压比为2∶1；
第二变压器输入侧绕组与第二变压器输出侧绕组的变压比为1∶1。
本发明的另一方面，提出了一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电方法，应用于V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置；
通过闭环控制使由第二变压器输入单相背靠背变流器的第二输入端子输入的控制电流iin为正弦波，且控制电流iin的电压与单相背靠背变流器的输入电压保持相同相位；
使单相背靠背变流器的输出电压与第一变压器输出侧第一绕组电压保持相同相位和相同幅值；
第一变压器输出侧第一绕组电压与单相背靠背变流器的输入电压幅值相同且相位相差90°；
对用电电路实现供电。本申请装置可以划分为如下两个模块：1、由第一和第二变压器组合实现的两相电压相位调整模块，其作用是将V/v变压器输出的相位相差60°的两相电压和调整为相位相差90°的两相电压和2、由单相背靠背变流器实现的单相电压相位调整模块，其作用是将单相背靠背变流器输入电压相位调整至与相同(即相位调整90°)，且电压幅值不发生改变。经过以上两个模块调整后的两相电压和具有相同幅值和相同相位，最后将和串联接入接触网和钢轨为铁路牵引系统供电。
本发明的第三方面，提供一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电系统，应用于带有V/v变压器的三相交流电路，所述系统包括：两相电压相位调整模块和单相电压相位调整模块；
所述两相电压相位调整模块，配置为由第一变压器和第二变压器构成，用于将由V/v变压器输出的相位相差60°的两相电压和调整为相位相差90°的两相电压，即单相背靠背变流器的输入电压和第一变压器输出侧第一绕组电压
所述单相电压相位调整模块，配置为由单相背靠背变流器构成，用于将所述单相背靠背变流器的输入电压的相位调整至与所述第一变压器输出侧第一绕组电压相同，得到幅值和相位均相同的输出电压和并将和接入用电电路。
本发明的有益效果：
(1)本申请V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置通过第一和第二变压器将V/v变压器输出的相位相差60°的两相电压调整为相位相差90°的两相电压，消除了现有供电方案中存在的负序电流问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置；
图2是本发明实施例中单相背靠背变流器的电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，本装置只需增加低容量单相电力电子设备即可实现多个牵引变电所的同相供电，同时消除了现有供电方案中的负序电流问题，提高了同相供电技术的经济性；本发明提出的同相供电方案中的变流器容量仅为传统全容量变流器的一半，造价更低。
本发明的一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，应用于带有V/v变压器的三相交流电路，包括：第一变压器、第二变压器和单相背靠背变流器；
所述第一变压器通过第一输入连接端子和公共连接端子连接V/v变压器的第一输出绕组；
所述第二变压器通过公共连接端子和第二输入连接端子连接V/v变压器的第二输出绕组；
第一变压器输出绕组的一端与第二变压器输出绕组的一端相连；
单相背靠背变流器的第一输入端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输入端子与第二变压器相连，单相背靠背变流器的第一输出端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输出端子与用电电路相连；
第一变压器输出绕组的不与第二变压器相连的一端与用电电路相连。
为了更清晰地对本发明V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各部件展开详述。
本发明第一实施例的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，包括步骤第一变压器、第二变压器和单相背靠背变流器，各部件详细描述如下：
所述第一变压器通过第一输入连接端子和公共连接端子连接V/v变压器的第一输出绕组；
在本实施例中，所述第一变压器，其输入侧为1个绕组，输出侧为2个绕组分记为第一变压器输出侧第一绕组和第一变压器输出侧第二绕组。根据具体的应用场景，可增加绕组数量并得出对应的变压比，本实施例仅以输入侧1个绕组输出侧2个绕组作为实施例以方便理解，不具体限定具体的绕组数量。
所述第二变压器通过公共连接端子和第二输入连接端子连接V/v变压器的第二输出绕组；
第一变压器输出绕组的一端与第二变压器输出绕组的一端相连；
在本实施例中，V/v变压器通过V/v变压器第一输入端TA、V/v变压器第二输入端TB和V/v变压器第三输入端TC接入三相交流电网；
V/v变压器第一输出端子Tα连接第一变压器输入侧第一端子T1；
第一变压器输入侧第二端子T2经由公共节点G连接第二变压器输入侧的第一端子T7第二变压器输入侧第二端子T8连接V/v变压器第三输出端子Tβ；即第一变压器的输入侧连接到V/v变压器的α输出绕组，第二变压器的输入侧连接到V/v变压器的β输出绕组。
公共节点连接V/v变压器第二输出端子Tn。
单相背靠背变流器的第一输入端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输入端子与第二变压器相连，单相背靠背变流器的第一输出端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输出端子与用电电路相连；
在本实施例中，单相背靠背变流器的第一输入端子Tb与所述第一变压器输出侧第二绕组的第一连接端子T5连接，第一变压器输出侧第二绕组的第二连接端子T6与第二变压器输出侧的第一连接端子T9连接，第二变压器的输出侧第二连接端子T10与单相背靠背变流器的第二输入端子Ta相连。
在本实施例中，所述第一变压器输入侧第一端子T1、第一变压器输出侧第一绕组的第一连接端子T3和第一变压器输出侧第二绕组的第一连接端子T5为同名端；
所述第二变压器输入侧的第一端子T7和第二变压器输出侧的第一连接端子T9为同名端。
在本实施例中，第一变压器输入侧绕组与第一变压器输出侧第一绕组的变压比为
第一变压器输入侧绕组与第一变压器输出侧第二绕组的变压比为2∶1；
第二变压器输入侧绕组与第二变压器输出侧绕组的变压比为1∶1。
在本实施例中，单相背靠背变流器的第一输出端子Ty与第一变压器输出侧第一绕组的第二连接端子T4连接，第一变压器输出侧第一绕组的第一连接端子T3连接用电电路；单相背靠背变流器的第二输出端子Tx连接用电电路。即T3连接到牵引供电钢轨，Tx连接到牵引供电接触网。
在本实施例中，所述单相背靠背变流器，包括8N个功率模块PM，N为正整数；功率模块PM可以选择板桥、全桥的电路拓扑。单相背靠背变流器的内部电路如图2所示。
所述单相背靠背变流器的第一输入端子Tb、单相背靠背变流器的第二输入端子Ta相连、单相背靠背变流器的第二输出端子Tx和单相背靠背变流器的第一输出端子Ty均依次以1个电感L和N个功率模块PM与正极P串联，与负极N的连接方式与正极P相同。
第一变压器输出绕组的不与第二变压器相连的一端与用电电路相连。
本申请装置的实施方案中只需通过电力电子变压器调整相位相差90°的两相电压中任意一相的相位，所以只需使用低容量单相电力电子设备。综上，本申请在实现同相供电技术的同时，降低了牵引机车运行时对电网的影响，并提高了同相供电技术的经济性。并且本申请提出的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置无需进行复杂的功率调度过程即可消除负序电流，极大地降低了复杂度。
本申请设计的变压器的变比，使得无需额外控制即可消除同相供电装置在三相交流电网产生的负序电流。
本发明第二实施例的V/v变压器牵引供电系统的同相供电方法，通过闭环控制使由第二变压器输入单相背靠背变流器的第二输入端子输入的控制电流iin为正弦波，且控制电流iin的电压与单相背靠背变流器的输入电压保持相同相位；
本实施例中，闭环控制的功能是稳定直流电容上的电压，稳定单相背靠背变流器输入侧电流相位与输入电压相位一致，以达到单位功率因数控制的效果；稳定输出电压相位与输入相差90°。
使单相背靠背变流器的输出电压与第一变压器输出侧第一绕组电压保持相同相位和相同幅值；
第一变压器输出侧第一绕组电压与单相背靠背变流器的输入电压幅值相同且相位相差90°；
对用电电路实现供电。
本发明的第三实施例，公开一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电系统，应用于带有V/v变压器的三相交流电路，其特征在于，所述系统包括：两相电压相位调整模块和单相电压相位调整模块；
所述两相电压相位调整模块，配置为由第一变压器和第二变压器构成，用于将由V/v变压器输出的相位相差60°的两相电压和调整为相位相差90°的两相电压，即单相背靠背变流器的输入电压和第一变压器输出侧第一绕组电压
所述单相电压相位调整模块，配置为由单相背靠背变流器构成，用于将所述单相背靠背变流器的输入电压的相位调整至与所述第一变压器输出侧第一绕组电压相同，得到幅值和相位均相同的输出电压和并将和接入用电电路。
本发明同相供电装置及控制方法使第一变压器的第一绕组输出电压和单相背靠背变流器的输出电压同相位，通过和的串联接法，使接触网和钢轨之间的电压相位与和的相位相同。在不产生电网侧负序电流的情况下有效地向接触网和钢轨之间输出牵引电力机车的电压。所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，应用于带有V/v变压器的三相交流电路，其特征在于，所述装置包括：第一变压器、第二变压器和单相背靠背变流器；
所述第一变压器通过第一输入端子和公共连接端子连接V/v变压器的第一输出绕组；
所述第二变压器通过公共连接端子和第二输入端子连接V/v变压器的第二输出绕组；
第一变压器输出绕组的一端与第二变压器输出绕组的一端相连；
单相背靠背变流器的第一输入端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输入端子与第二变压器相连，单相背靠背变流器的第一输出端子与第一变压器相连，单相背靠背变流器的第二输出端子与用电电路相连；
第一变压器输出绕组不与第二变压器相连的一端与用电电路相连；
单相背靠背变流器的第一输入端子Tb与所述第一变压器输出侧第二绕组的第一连接端子T5连接，第一变压器输出侧第二绕组的第二连接端子T6与第二变压器输出侧的第一连接端子T9连接，第二变压器的输出侧第二连接端子T10与单相背靠背变流器的第二输入端子Ta相连；
单相背靠背变流器的第一输出端子Ty与第一变压器输出侧第一绕组的第二连接端子T4连接，第一变压器输出侧第一绕组的第一连接端子T3连接用电电路；单相背靠背变流器的第二输出端子Tx连接用电电路。
2.根据权利要求1所述的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，其特征在于，所述第一变压器，其输入侧为1个绕组，输出侧为2个绕组，记为第一变压器输出侧第一绕组和第一变压器输出侧第二绕组。
3.根据权利要求2所述的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，其特征在于，V/v变压器通过V/v变压器第一输入端TA、V/v变压器第二输入端TB和V/v变压器第三输入端TC接入三相交流电网；
V/v变压器第一输出端子Tα连接第一变压器输入侧第一端子T1；
第一变压器输入侧第二端子T2经由公共节点G连接第二变压器输入侧的第一端子T7第二变压器输入侧第二端子T8连接V/v变压器第三输出端子Tβ；
公共节点连接V/v变压器第二输出端子Tn。
4.根据权利要求1所述的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，其特征在于，所述第一变压器输入侧第一端子T1、第一变压器输出侧第一绕组的第一连接端子T3和第一变压器输出侧第二绕组的第一连接端子T5为同名端；
所述第二变压器输入侧的第一端子T7和第二变压器输出侧的第一连接端子T9为同名端。
5.根据权利要求1所述的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，其特征在于，所述单相背靠背变流器，包括8N个功率模块PM，N为正整数；
所述单相背靠背变流器的第一输入端子Tb、单相背靠背变流器的第二输入端子Ta相连、单相背靠背变流器的第二输出端子Tx和单相背靠背变流器的第一输出端子Ty均依次以1个电感L和N个功率模块PM与正极P串联，与负极N的连接方式与正极P相同。
6.根据权利要求1所述的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，其特征在于，第一变压器输入侧绕组与第一变压器输出侧第一绕组的变压比为
第一变压器输入侧绕组与第一变压器输出侧第二绕组的变压比为2:1；
第二变压器输入侧绕组与第二变压器输出侧绕组的变压比为1:1。
7.一种V/v变压器牵引供电系统的同相供电方法，应用于如权利要求1-6任一项的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置，其特征在于，通过闭环控制使由第二变压器输入单相背靠背变流器的第二输入端子输入的控制电流iin为正弦波，且控制电流iin的电压与单相背靠背变流器的输入电压保持相同相位；
使单相背靠背变流器的输出电压与第一变压器输出侧第一绕组电压保持相同相位和相同幅值；
第一变压器输出侧第一绕组电压与单相背靠背变流器的输入电压幅值相同且相位相差90°；
对用电电路实现供电。
8.一种基于权利要求1-6任一项所述的V/v变压器牵引供电系统的同相供电装置的系统，应用于带有V/v变压器的三相交流电路，其特征在于，所述系统包括：两相电压相位调整模块和单相电压相位调整模块；
所述两相电压相位调整模块，配置为由第一变压器和第二变压器构成，用于将由V/v变压器输出的相位相差60°的两相电压和调整为相位相差90°的两相电压，即单相背靠背变流器的输入电压和第一变压器输出侧第一绕组电压
所述单相电压相位调整模块，配置为由单相背靠背变流器构成，用于将所述单相背靠背变流器的输入电压的相位调整至与所述第一变压器输出侧第一绕组电压相同，得到幅值和相位均相同的输出电压和并将和接入用电电路。
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