一种非全容量贯通式同相供电装置及其控制方法，由一台Scott牵引变压器Ttrac和一台非全容量同相供电变流器CP构成。非全容量同相供电变流器CP内部通过高频变压器进行输入侧与输出侧的电气隔离。牵引变压器α相和β相电压串联得到一个大小为接触网电压幅值1/k(k大于1)的电压uαn1+uβn2，非全容量同相供电变流器输出端口的电压uinv与上述电压串联接至接触网，变流器CP只需要输出接触网电压的(1‑1/k)，便可以传输列车所需的全部有功功率。在不同供电所电压uαn1+uβn2有差距的情况下，可以调节uinv实现全线贯通式同相供电。同时，非全容量同相供电变流器CP通过控制端口a的电流iA和端口b的电流iB便可有效抑制三相电网侧的负序和无功电流。
1.一种非全容量贯通式同相供电装置，其特征在于：所述的非全容量贯通式同相供电装置由一台Scott牵引变压器Ttrac和一台非全容量同相供电变流器CP构成；非全容量同相供电变流器CP内部通过高频变压器进行输入侧与输出侧的电气隔离；Scott牵引变压器Ttrac输入侧三个端子为a、b、c，输出侧四个端子为α、n1、β、n2，非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子为a1、a2，输入侧端口b的端子为b1、b2，输出侧端口c的端子为c1、c2；Scott牵引变压器Ttrac输入侧的三个端子a、b、c分别与三相电网的A、B、C三相相连，Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子α与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子a1连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子n1与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子a2连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子β与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口b的端子b1连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子n2与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口b的端子b2连接；Scott牵引变压器Ttrac输出侧α和β相串联后与非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c串联，为接触网供电，即Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子α与接触网相连，Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子n1与Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子β相连，Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子n2与非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的端子c2相连，非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的端子c1与钢轨相连；uαn1为Scott变压器Ttracα相输出电压，即Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子α和端子n1之间的电压，uβn2为Scott变压器Ttracβ相输出电压，即Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子β和端子n2之间的电压，将Scott牵引变压器Ttrac的α相和β相输出串联连接，即端子n1与β相连，得到串联输出电压uαn1+uβn2。
2.如权利要求1所述的非全容量贯通式同相供电装置，其特征在于：所述的非全容量同相供电变流器高频变压器侧的H桥采用50％占空比开环控制，非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a、端口b和输出侧端口c之间通过串联谐振传输有功功率，保证零电流开关。
3.权利要求1所述的非全容量贯通式同相供电装置的控制方法，其特征在于：所述的非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c采用输出电压闭环控制，非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b采用电流闭环控制。
4.如权利要求3所述的非全容量贯通式同相供电装置的控制方法，其特征在于：所述的非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c采用输出电压闭环控制，参考电压给定值uinv_ref的值由所需的接触网电压ucatenary与Scott牵引变压器Ttracα相和β相串联输出电压uαn1+uβn2相减得到，即：uinv_ref＝ucatenary-(uαn1+uβn2)
其中，uαn1+uβn2为接触网电压的1/k，k为大于1的整数；
变流器CP输出侧端口c的电压等于接触网电压的(k-1)/k，变流器CP输出侧端口c的电流等于负载电流，变流器CP输出侧端口c的功率是负载功率的(k-1)/k，即变流器CP输出侧的容量是负载容量的(k-1)/k。
5.如权利要求3所述的非全容量贯通式同相供电装置的控制方法，其特征在于：所述的非全容量同相供电变流器输入侧端口a和端口b采用电流闭环控制；非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的电流iA和端口b的电流iB的参考值由其有功电流参考值、无功补偿电流参考值和负序补偿电流参考值叠加构成：ixref＝ixp_ref+ixq_ref+ixneg_ref(x＝A，B)
其中，ixp_ref是有功电流参考值，ixq_ref是无功补偿电流参考值，ixneg_ref是负序补偿电流参考值，x＝A，ixref＝iAref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的电流参考值，ixp_ref＝iAp_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的有功电流参考值，ixq_ref＝iAq_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的无功补偿电流参考值，ixneg_ref＝iAneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的负序补偿电流参考值；x＝B，即ixref＝iBref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的电流参考值，ixp_ref＝iBp_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的有功电流参考值，ixq_ref＝iBq_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的无功补偿电流参考值，ixneg_ref＝iBneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的负序补偿电流参考值。
6.如权利要求3所述的非全容量贯通式同相供电装置的控制方法，其特征在于：非全容量同相供电变流器CP的有功功率部分采用电压电流双闭环控制，即电容电压Ca作为电压外环，电流iA、iB分别为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的电流内环；非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的有功电流参考值ixp_ref的有功幅值都由所述电压外环的输出给定，有功电流参考值ixp_ref的相角等于非全容量同相供电变流器CP输入侧电压的相角；
无功补偿电流参考值ixq_ref的幅值等于负载电流iload相对于输入侧电压的无功电流幅值，α相的无功补偿电流参考值iAq_ref的相角超前α相电压90°，β相的无功补偿电流参考值iBq_ref的相角滞后β相电压uβn290°；
负序补偿电流参考值ixneg_ref的幅值等于Scott牵引变压器Ttrac输出电流iα和iβ中有功电流的幅值差的一半，相角和各自输入侧电压同相位；x＝A，即ixneg_ref＝iAneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的负序补偿电流参考值，x＝B，即ixneg_ref＝iBneg_ref为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的负序补偿电流参考值。
非全容量贯通式同相供电装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种贯通式同相供电装置及其控制方法，特别涉及一种非全容量贯通式同相供电装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 现有电气化铁路牵引供电系统中，由于铁路系统的单相供电制式与公用电网的三相制式不能直接匹配，使得铁路供电系统不得不在不同的供电分段采用分相供电，即不同的分段采用三相电网中的某一相进行供电。电分相的存在造成机车经过分相间的绝缘区时产生了牵引力和速度损失，并导致三相供电网中出现负序电流，且负序电流随着机车功率的增加变得越来越严重。
[0003] 为了解决上述问题，有专家和学者提出了同相供电系统，即取消现有供电系统中的电分相，使机车在运行过程中获得的电压幅值和相位保持连续而不会发生突变，现有的同相供电系统方案，一般可以分为有源补偿式和贯通式两种。
[0004] 有源补偿式同相供电虽然具有同相供电能力，但是由于每个牵引供电所的输出电压主要决定于牵引变压器的某个输出绕组，相邻牵引变电所的输出电压相位一般不能保证完全相同，这就降低了同相牵引供电系统的供电质量和可靠性。所以此类系统尽管可以取消牵引所内的电分相装置，但无法取消牵引变电所之间的电分相装置，过电分相问题仍然存在，如专利CN201210057280.0，CN201310487237.2所述。
[0005] 贯通式同相供电不同牵引变电所供电的各个分段电压相位几乎完全相同，接触网上无电分相装置。但是现有的贯通式同相供电方案的变流器都要承担负载的全部有功功率，变流器容量大，造价高，如专利CN201520230853.4，CN201810124008.7所述。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服现有同相供电装置中有源补偿式仍然存在过分相问题，贯通式变流器耐受电压高、所需容量大的缺点，提出一种非全容量贯通式同相供电变流器。
[0007] 本发明非全容量贯通式同相供电装置由一台Scott牵引变压器Ttrac和一台非全容量同相供电变流器CP构成。Scott牵引变压器Ttrac的输入侧与三相电网相连，Scott牵引变压器Ttrac的输出侧与非全容量同相供电变流器CP的输入侧相连，非全容量同相供电变流器Cp的输出侧与Scott牵引变压器Ttrac的α相和β相输出端连接后接至接触网。
[0008] 非全容量同相供电变流器CP内部通过高频变压器进行输入侧与输出侧的电气隔离。Scott牵引变压器Ttrac输入侧的三个端子为a、b、c，输出侧的四个端子为α、n1，β，n2；非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子为a1、a2，输入侧端口b的端子为b1、b2，输出侧端口c的端子为c1、c2。其特征在于：Scott牵引变压器Ttrac输入侧的三个端子a、b、c分别与三相电网的A、B、C三相相连，Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子α与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子a1连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子n1与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子a2连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子β与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口b的端子b1连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子n2与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口b的端子b2连接。Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子α和β串联后与非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c串联为接触网供电，即Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子α与接触网相连，Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子n1与Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子β相连，Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子n2与非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的端子c2相连，非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的端子c1与钢轨相连。
[0009] 本发明非全容量贯通式同相供电装置的控制方法如下：
[0010] 所述的非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c采用输出电压闭环控制。非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b采用电流闭环控制。具体控制方法如下：
[0011] 所述的非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c采用输出电压闭环控制，参考电压给定值uinv_ref的值由所需的接触网电压ucatenary与Scott牵引变压器Ttracα相和β相串联输出电压uαn1+uβn2相减得到，即：
[0012] uinv_ref＝ucatenary-(uαn1+uβn2)
[0013] 其中，uαn1为Scott变压器Ttracα相输出电压，即Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子α和端子n1之间的电压，uβn2为Scott变压器Ttracβ相输出电压，即Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子β和端子n2之间的电压，将Scott牵引变压器Ttrac的α相和β相输出串联连接，即端子n1与β相连，得到串联输出电压uαn1+uβn2；uαn1-uβn2为接触网电压的1/k。
[0014] 变流器CP输出侧端口c的电压等于接触网电压的(k-1)/k，变流器CP输出侧端口c的电流等于负载电流，变流器CP输出侧端口c的功率是负载功率的(k-1)/k，即变流器CP输出侧的容量是负载容量的(k-1)/k，k为大于1的整数。
[0015] 所述的非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b采用电流闭环控制。变流器CP输入侧端口a的电流iA和端口b的电流iB的参考值ixref由其有功电流参考值、无功补偿电流参考值和负序补偿电流参考值叠加构成：
[0016] ixref＝ixp_ref+ixq_ref+ixneg_ref(x＝A，B)
[0017] 其中，ixp_ref是有功电流参考值，ixq_ref是无功补偿电流参考值，ixneg_ref是负序补偿电流参考值；x＝A，ixref＝iAref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的电流参考值，ixp_ref＝iAp_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的有功电流参考值，ixq_ref＝iAq_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的无功补偿电流参考值，ixneg_ref＝iAneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的负序补偿电流参考值；x＝B，即ixref＝iBref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的电流参考值，ixp_ref＝iBp_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的有功电流参考值，ixq_ref＝iBq_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的无功补偿电流参考值，ixneg_ref＝iBneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的负序补偿电流参考值。
[0018] 非全容量同相供电变流器CP的有功功率部分采用电压电流双闭环控制，即电容电压Ca作为电压外环，非全容量同相供电变流器CP电流iA、iB分别为其输入侧端口a和端口b的电流内环。非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的有功电流参考值ixp_ref的有功幅值都由此电压外环的输出给定，有功电流参考值ixp_ref的相角等于非全容量同相供电变流器CP的输入侧电压的相角。
[0019] 非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a、b的无功补偿电流参考值ixq_ref的幅值等于负载电流iload相对于非全容量同相供电变流器CP输入侧电压的无功电流幅值，端口a的无功补偿电流参考值iAq_ref的相角超前α相电压90°，端口b的无功补偿电流参考值iBq_ref的相角滞后β相电压uβn290°，x＝A，B。
[0020] 非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a、b的负序补偿电流参考值ixneg_ref的幅值等于牵引变压器输出电流iα和iβ中有功电流的幅值差的一半，相角和各自输入侧电压同相位，x＝A，B。
[0021] 所述的非全容量同相供电变流器CP高频变压器侧的H桥采用50％占空比开环控制，非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a、端口b和输出侧端口c之间通过串联谐振传输有功功率，保证了零电流开关。
附图说明
[0022] 图1为本发明非全容量贯通式同相供电装置电路原理图；
[0023] 图2为本发明非全容量贯通式同相供电变流器内部电路原理图；
[0024] 图3为仿真得到的接触网电压和变流器输出电压波形；
[0025] 图4为仿真得到的采用本发明所述控制方法前后的网侧电流波形。
具体实施方式
[0026] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
[0027] 图1为本发明非全容量贯通式同相供电装置电路原理图。如图1所示，本发明非全容量贯通式同相供电装置包含一台Scott牵引变压器Ttrac和一台非全容量同相供电变流器CP。Scott牵引变压器Ttrac的输入侧与三相电网相连，Scott牵引变压器Ttrac的输出侧与非全容量同相供电变流器CP的输入侧相连，非全容量同相供电变流器Cp的输出侧与Scott变压器的α相和β相输出串联后接至接触网。
[0028] Scott牵引变压器Ttrac输入侧三个端子为a、b、c，输出侧四个端子为α、n1，β，n2。非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子为a1、a2，端口b的端子为b1、b2，输出侧端口c的端子为c1、c2。连接方式如下：
[0029] Scott牵引变压器Ttrac输入侧的三个端子a、b、c分别与三相电网的A、B、C三相相连，Scott牵引变压器Ttrac输入侧的端子α与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子a1连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子n1与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a的端子a2连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子β与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口b的端子b1连接，Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子n2与非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口b的端子b2连接。Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子α与接触网相连，Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子n1与Scott牵引变压器Ttrac输出侧的端子β相连，Scott牵引变压器Ttrac输出侧端子n2与非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的端子c2相连，非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的端子c1与钢轨相连。
[0030] 图2为非全容量贯通式同相供电变流器CP内部电路原理图。如图2所示，非全容量贯通式同相供电变流器由开关Sx1-8，直流电容Cx，交流滤波电感Lx、谐振电容Crx、以及高频变压器THF组成。开关Sx1和开关Sx2的公共连接点为Jx1，开关Sx3和开关Sx4的公共连接点为Jx2，开关Sx5和开关Sx6的公共连接点为Jx3，开关Sx7和开关Sx8的公共连接点为Jx4。开关Sx1、Sx3、Sx5、Sx7的集电极与电容Cx的正极相连，开关Sx2、Sx4、Sx6、Sx8的发射极与电容Cx的负极相连。滤波电感Lx的一端与交流端口x1相连，滤波电感Lx的另一端与公共连接点Jx1相连。谐振电容Crx的一端与公共连接点Jx3相连，谐振电容Crx的另一端与高频变压器THF的端子yx相连。高频变压器THF的端子xx分别与公共连接点Jx4相连，下标x＝a，b，c。滤波电容Cf的两端分别连接交流输出端子c1和c2。
[0031] 本发明非全容量贯通式同相供电装置的控制方法如下：
[0032] 所述的非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c采用输出电压闭环控制。非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b采用电流闭环控制。具体如下：
[0033] 非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c采用输出电压闭环控制。参考电压给定值uinv_ref的由所需的接触网电压ucatenary与Scott牵引变压器Ttrac的α相和β相串联的输出电压uαn1+uβn2相减得到，即：
[0034] uinv_ref＝ucatenary-(uαn1+uβn2)
[0035] 其中，uαn1为Scott变压器Ttracα相输出电压，即Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子α和端子n1之间的电压，uβn2为Scott变压器Ttracβ相输出电压，即Scott牵引变压器Ttrac的输出侧端子β和端子n2之间的电压，将Scott牵引变压器Ttrac的α相和β相输出串联连接，即图1所示的端子n1与β相连，得到串联输出电压uαn1+uβn2；uαn1-uβn2为接触网电压的1/k，k为大于1的整数。
[0036] 非全容量同相供电变流器CP端口c的电压等于接触网电压的(k-1)/k非全容量同相供电变流器CP端口c的电流等于负载电流，非全容量同相供电变流器CP输出侧端口c的功率是负载功率的(k-1)/k，即非全容量同相供电变流器CP的容量是负载容量的(k-1)/k，k为大于1的整数。
[0037] 所述的非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b采用电流闭环控制。非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的电流iA和输入侧端口b的电流iB的参考值ixref由其有功电流参考值、无功补偿电流参考值和负序补偿电流参考值叠加构成：
[0038] ixref＝ixp_ref+ixq_ref+ixneg_ref(x＝A，B)
[0039] 其中，ixp_ref是有功电流参考值，ixq_ref是无功补偿电流参考值，ixneg_ref是负序补偿电流参考值；x＝A，ixref＝iAref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的电流参考值，ixp_ref＝iAp_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的有功电流参考值，ixq_ref＝iAq_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的无功补偿电流参考值，ixneg_ref＝iAneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a的负序补偿电流参考值；x＝B，即ixref＝iBref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的电流参考值，ixp_ref＝iBp_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的有功电流参考值，ixq_ref＝iBq_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的无功补偿电流参考值，ixneg_ref＝iBneg_ref，为非全容量同相供电变流器CP输入侧端口b的负序补偿电流参考值。
[0040] 非全容量同相供电变流器CP的有功功率部分采用电压电流双闭环控制，即电容电压Ca作为电压外环，非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的电流iA、iB分别作为其输入侧端口a和端口b的电流内环。非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的有功电流参考值ixp_ref的有功幅值由都由此电压外环的输出给定，有功电流参考值ixp_ref的相角等于非全容量同相供电变流器CP的输入侧电压的相角。
[0041] 非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的无功补偿电流参考值ixq_ref的幅值等于负载电流iload相对于非全容量同相供电变流器CP输入侧电压的无功电流幅值，端口a的无功补偿电流参考值iAq_ref的相角超前α相电压90°，端口b的无功补偿电流参考值iBq_ref的相角滞后β相电压uβn2 90°。
[0042] 非全容量同相供电变流器CP输入侧端口a和端口b的负序补偿电流参考值ixneg_ref的幅值等于Scott牵引变压器Ttrac输出电流iα和iβ中有功电流的幅值差的一半，相角和各自输入侧电压同相位，x＝A，B。
[0043] 非全容量同相供电变流器CP高频变压器侧的H桥采用50％占空比开环控制，非全容量同相供电变流器CP的输入侧端口a、端口b和输出侧端口c之间通过串联谐振传输有功功率，保证了零电流开关。
[0044] 应用本发明搭建的用于27.5kV交流接触网的装置仿真模型参数如下：
[0045]
[0046]
[0047] 图3和图4为采用本发明非容量贯通式同相电装置的计算机仿真结果。图3中，ucatenary为接触网电压波形，uinv为变流器输出电压波形。从仿真结果可见，变流器输出电压uinv为接触网电压ucatenary的一半，变流器的输出电流与负载电流相同，所以变流器的容量与负载容量的比值为1:2，实现了变流器非全容量运行。图4中，ia，ib，ic分别为电网A，B，C三相电流，在0.1秒时刻按照本发明控制方法控制，从仿真结果可以看出，在0.1s时刻之前，电网侧存在大量无功和负序电流，采用本发明的控制方法后，可以有效抑制三相电网侧的负序电流和无功电流。
