技术领域
[0001] 本实用新型涉及电
力机车供电技术领域，更具体地说，涉及功率平衡系统。
背景技术
[0002] 目前，电
气化铁路牵引线路都是交流电，直流传动
电力机车采用整流流方式给直流
电机提供电源。但是，采用整流方式给牵引供电系统带来了无功
电能质量问题。且由于电力机车负荷为单相供电和具有
波动性，导致牵引供电系统存在三相
不平衡和
电压波动的问题。实用新型内容
[0003] 有鉴于此，本实用新型提出功率平衡系统，欲实现降低电气化铁路无功损耗，减小谐波
电流对系统的注入、抑制牵引网的负序电流的目的。
[0004] 为了实现上述目的，现提出的方案如下：
[0005] 一种功率平衡系统，包括：第一测量模
块、第二测量模块、第一
滤波器、第二滤波器、
整流器、逆变器、直流变流器、储能装置和控
制模块；
[0006] 所述第一滤波器经过第一
变压器连接于供电臂轻载端；
[0007] 所述第二滤波器经过第二变压器连接于供电臂重载端；
[0008] 所述整流器的交流端与所述第一滤波器连接，所述整流器的直流端与所述逆变器的直流端连接，所述逆变器的交流端与所述第二滤波器连接；
[0009] 所述储能装置经过所述直流变流器连接于所述整流器和所述逆变器的直流端；
[0010] 所述第一测量模块，用于检测供电臂轻载端的电流和电压；
[0011] 所述第二测量模块，用于检测供电臂重载端的电流和电压；
[0012] 所述
控制模块分别连接所述第一测量模块、所述第二测量模块、所述整流器、所述逆变器和所述直流变流器。
[0013] 可选的，所述整流器和所述逆变器均为：单相
中性点钳位型三电平背靠背变流器。三电平变流器是拓扑结构为在两个电力
电子开关器件
串联的
基础上，中性点加一对钳位
二极管的三电平变流器，又称为中性点钳位型(Neutral Point Clamped，简称NPC)三电平变流器。
[0014] 可选的，上述功率平衡系统还包括：连接在所述整流器和所述逆变器的直流端的直流
支撑电容器。对整流器的
输出电压进行平滑滤波，以及防止电压过冲和瞬时过电压对所述整流器、所述逆变器和所述直流变流器的功率器件的影响。
[0015] 可选的，所述整流器、所述逆变器和所述直流变流器的功率器件均为IGBT(Insulate-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。IGBT综合了电力晶体管(Giant Transistor，GTR)和电力
场效应晶体管(Power MOSFET)的优点，具有良好的特性。
[0016] 可选的，所述第一滤波器和所述第二滤波器均为：
LC滤波器。
[0017] 可选的，所述储能装置包括：
电池组和/或超级电容器。
[0018] 可选的，所述控制模块为用于将V S G(Virtual Synchronous Generator，虚拟同步电机)技术与PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制策略相结合的控制模块。VSG技术就是在电力电子变换器的控制策略中，引入同步电机的机械方程和电磁方程，使得电力电子变换器具备同步电机的机电特性。
[0019] 与
现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：
[0020] 上述技术方案提供的功率平衡系统，整流器和逆变器可以等效为可控电压源，调节可控电压源的相
角就可以调节有功功率输出，调节幅值就可以调节
无功功率输出，对电力机车负荷进行无功功率补偿，使得供电臂轻载端和供电臂重载端的电流功率因数为1；且，将有功功率从供电臂重载端转移到供电臂轻载端，实现俩供电臂有功功率平衡。储能装置作为惯性环节，可以起缓冲的作用，同时兼具一次调频的功能，进而有效防止了
频率突变和出现低频振荡。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本实用新型
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0022] 图1为本实用新型一个实施例提供的功率平衡系统的结构示意图；
[0023] 图2为本实用新型另一个实施例提供的功率平衡系统的结构示意图。
具体实施方式
[0024] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0025] 参见图1，本实用新型基于通过牵引变压器T1为电力机车11供电的系统。牵引变压器T1将输电线路L的电变压后输出到俩供电臂(B1和B2)。牵引变压器T1可以采用单相V/v变压器、三相V/v变压器、V/x变压器、SCott变压器、阻抗匹配平衡变压器或YNdll变压器。本实用新型提供的功率平衡系统12通过两个
降压变压器(T2和T3)连接于俩供电臂(B1和B2)。在一个具体实施例中，俩供电臂额定电压为27.5kV。
[0026] 本实施例提供的功率平衡系统12，包括：第一测量模块(未示出)、第二测量模块(未示出)、第一滤波器、第二滤波器、整流器、逆变器、直流变流器、储能装置和控制模块(未示出)。
[0027] 第一滤波器经过变压器T3连接于供电臂轻载端B1。第二滤波器经过变压器T2连接于供电臂重载端B2。
[0028] 整流器的交流端与第一滤波器连接，整流器的直流端与逆变器的直流端连接，逆变器的交流端与第二滤波器连接。整流器用于交流到直流的变流；逆变器用于直流到交流的变流。
[0029] 储能装置经过直流变流器连接于整流器和逆变器的直流端；储能装置在功率波动时，为负载提供阻尼特性。储能装置作为惯性环节，主要是起缓冲的作用，同时兼具一次调频的功能，可以有效防止系统频率突变和出现低频振荡。直流变流器，用于直流变流。
[0030] 第一测量模块，用于检测供电臂轻载端的电流和电压；第二测量模块，用于检测供电臂重载端的电流和电压。在一个具体实施例中，通过电压互感器测量供电臂的电压，以及通过电流互感器测量供电臂的电流。电压互感器具体可以为JDZ(X)W-35(G)型电压互感器；电流互感器具体可以为LZZBJ71-35型电流互感器。
[0031] 控制模块分别连接第一测量模块、第二测量模块、整流器、逆变器和直流变流器。控制模块可以根据第一测量模块和第二测量模块测量的电压和电流进行分析，进而控制整流器、逆变器和/或直流变流器，实现对电力机车负荷进行无功功率补偿，使俩供电臂电流功率因数为1；且将有功功率从供电臂重载端转移到供电臂轻载端，实现俩供电臂有功功率的平衡。
[0032] 参见图2，本实用新型实施例提供了功率平衡系统的一种具体
电路图。整流器和逆变器均为单相中性点钳位型三电平背靠背变流器。整流器、逆变器和直流变流器的功率器件均为IGBT。在整流器和逆变器的直流端设置支撑电容C1和C2。第一滤波器有电感L2和电容C4构成，第二滤波器由电感L1和电容C3构成。直流变流器即DC/DC变换器。储能装置包括但不限于为电池组或超级电容器。
[0033] 控制模块用于将VSG技术与PWM控制策略相结合。通过VSG控制
算法得到励磁电动势的相角θ和幅值E；然后在得到控制所需的电压参考值以后，经过Clark变换，将其送入PWM控制算法中，调制产生脉冲
信号来驱动开关管的通断，最终控制变流器输出端电压。clark变换将abc
坐标系下的参数变换到静止的αβαβ坐标系下。VSG间接作用于变流器输出电压的
相位，当负荷侧出现扰动时，VSG输出频率的暂态过程和
电网中的
同步发电机角速度变化能够保持一致，避免了电网中低频振荡的发生。
[0034] 本实用新型提供的功率平衡系统，根据测量得到的俩供电臂电压和电流进行数据运算，可以模拟同步发电机的一次调频和一次调压功能，为系统提供频率和电压支撑，平衡有功功率和无功功率的需求，对电力机车负荷进行无功补偿，使两供电臂网侧电流功率因数为1；且将有功从重载侧供电臂转移到轻载侧，实现两供电臂有功功率平衡。
[0035] 同时牵引网本身就是一个不平衡系统，不平衡的电网电压会使逆变器输出电压也同样出现不平衡情况，使输出电压含有负序分量；可以通过用正序分量相似的方法分析负序分量，以将负序分量控制为零。因此，将零作为参考电压与电压的负序分量做差，经过运算得到参考电流，再与电流的负序分量进行运算，得到的结果进行坐标变换送入PWM
控制器，实现对负序电压的治理。电力机车作为谐波源会对系统注入谐波，可以根据测量得到的俩供电臂电压和电流进行数据运算，向系统注入与电力机车发出的谐波幅值相等相位相反的谐波实现抵消，从而降低系统谐波含量。
[0036] 在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的设备中还存在另外的相同要素。
[0037] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0038] 对实用新型所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
