CN101345483B - 基于三相串联电压源型对称变换的铁路牵引交流同相供电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于三相串联电压源型对称变换的铁路牵引交流同相供电装置，将完整三相输入电压切分成若干个独立的较低电压，分别组成功率单元，形成重新组合的调整资源，每个功率单元经过整流-储能滤波-逆变变换，通过串联叠加形成单相交流输出，消除负序电流，提高功率因数，输入输出利用多重化原理，消除谐波。该装置能实现铁路交流牵引同相供电，充分利用线路、设备的容量，减少无功电流和谐波对供电系统的危害，降低损耗，降低对环境的污染，大大提高行车的可靠性，降低运行管理维护成本，便于实施，适合高速、重载发展需求。

Description

基于三相串联电压源型对称变换的铁路牵引交流同相供电装置

技术领域

本发明一般涉及铁路牵引变电设备，更具体地涉及一种基于三相串联电压源型对称变换的铁路牵引交流同相供电装置。

背景技术

申请人的在先专利CN1039271C提出了一种高电压电力变换方法及其变换装置，摒弃了传统的整体变换方式，无论整机输入是交流电还是直流电，均将其变换成一定路数的、彼此间电位独立的交流电(中间交流)，分别整流滤波后形成相同路数的直流电(中间直流)，然后通过串联电桥按一定规律叠加，输出所需的单相交流电、三相交流电或直流电。此种变换方式称之为中间交直方式，利用电位叠加的原理将开关器件分为若干个组，实现电力变换开关器件的强制均压，降低对控制系统的要求；使变换器的部件模块化，从而降低制造成本。

申请人的另一篇在先专利CN 1061486C披露了一种电力变换技术中的波形连续变换方法，可应用于闭环或开环控制的高电压电力变换系统中。分别通过计算系统的实际输出频率值和设置系统最终运转频率值，由压频曲线或由模糊算法得到输出的线电压峰值，再根据线电压峰值的取值范围调整主控制器的算法，从而计算三相实时的输出量。该方法能够保证线电压为正弦的前提下可连续调节相电压输出波形的形状，实现无级变化，保证逆变单元的最高电压利用率和最佳线电压波形和最小的谐波。

目前我国电气化铁路牵引变电所都是从公共电网上取电，普遍采用单相工频交流电为机车供电。电力系统希望所有的负载都从电网上取用三相对称的基波电流，以充分利用线路、设备的容量，减少无功电流和谐波电流对系统的危害。为满足该要求，电气化铁路采用相序轮换，分段分相供电的方案，即铁路沿线每25km左右设一个供电所，各个区段所依次分别由电网中的不同相供电，各区段之间设置30m左右的分相区段，并有分相装置进行分相。当各相分别供电的区段上运行的机车负荷相同时，就可使电力系统在大的范围内三相负荷平衡。但是由于各区段的牵引负荷的大小不可能随时相同，分相分段方案只是在一定程度上减轻了三相不平衡的影响，而不能从根本上解决铁路负荷单相用电对整个公用电网的影响。同时由于电分相装置的存在，当机车运行到一个供电区段末端时，必须经过退网、断电等一系列复杂的操作，滑行到下一个区段再逐项恢复正常运行。这不仅增加了机车操作的复杂程度，同时又严重制约了机车运行速度的提高和牵引力的发挥。

对于以上铁路牵引变电所存在的问题，目前大部分采用无功补偿装置或并联电容器固定补偿模式。由于牵引负荷运行的剧烈变化，便造成轻载无功的过补偿和重载无功的欠补偿，其结果均造成牵引供电等功率因数偏低。

为了治理谐波和提高功率因数，多年来国内外都先后研发了多种形式的静止无功补偿和谐波装置，其中主要有SVC和SVG技术。但无论SVC还是SVG等现有装置都是基于补偿的原理。通过检测系统工作状态调整补偿资源。所以控制系统复杂，影响补偿效果，并且受功率器件的影响。在解决三相平衡的同时，自然产生附加的高次谐波。由于电力机车具有重载、变载、高速、长距离、移动等特性，谐波、负序和功率因数低等三大问题一直没有得到较理想的解决。

对于我国现行经济发展状态要求，高速、负载电气化铁路是必然选择。目前的铁路交流牵引供电系统不能实现同相供电。分相环节，虽然已有自动过分相装置，但因其电压高、转换工作频繁，其准确性和可靠性存在严重问题。由于我国国情所致，将来建设的大部分新线和原有线路改造后的高速铁路基本上是高中速混跑模式。新的交-直-交电源机车与交-直电源机车虽然能消除谐波和功率因数低的问题，但是负序影响依然存在，电能质量不能得到较好的改善，严重制约铁路和电力双方的发展。

因此，鉴于上述缺点，需要一种能够实现铁路同相供电，并使各牵引变电所区段供电电压保持稳定的交流牵引同相供电装置，从而保证机车的高速重载运行，消除牵引负荷从公用电网上取电对网上电能质量的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于三相串联电压源型对称变换的电气化铁路交流牵引同相供电装置，该装置能实现铁路同相供电，各牵引变电所区段供电电压稳定。各区段互为备份，能保证机车的高速重载运行，消除牵引负荷从公用电网上取电对网上电能质量的影响。该装置可用于新线建设和原有线路改造，从整体上具有成本低，运行安全，节能降耗，便于维护管理，便于实施。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于三相串联电压源型对称变换的铁路交流牵引同相供电装置，其特征在于包括：

牵引变压器，该变压器的原边绕组接高压公用电网，变压器输入绕组为三角型或延边三角形接法，该变压器的次边有三组单相交流输出，其中三组中的2组或3组，每组有m个切分绕组，形成2×m或3×m个切分绕组，每个切分绕组的单相交流输出至相应的功率转换系统；和

功率转换系统，接收来自相应的每个切分绕组的单相交流输出，经整流、储能、逆变变换成同相单相交流电，并在形成3×m个切分绕组时，同极性串联叠加后输出；或者在形成2×m个切分绕组时，与只有一个绕组线圈的剩余1组与单相交流组直接输出的同相单相交流同极性叠加串联后输出，为铁路交流牵引同相供电源。

根据本发明的优选实施例，其中所述牵引变压器为三相——三组单相变压器。

根据本发明的优选实施例，还包括控制系统，所述功率转换系统通过控制系统对电力电子器件的控制产生一个幅值与相位可调、频率与电网相同的交流输出为铁路交流牵引同相供电源。

根据本发明的优选实施例，其中控制系统根据预先设定的要求和条件输出控制信号，控制各部分协调工作，同时实现监视系统工作状态，完成系统工作状态检测、故障处理功能，并与上一级的控制中心实现实时通讯。

根据本发明的优选实施例，其中所述上一级的控制中心为本地控制中心或远地控制中心。

根据本发明的优选实施例，其中所述的功率转换系统中p×m个整流单元采用单相全控整流桥。

根据本发明的优选实施例，其中所述的功率转换系统中整流部分和逆变部分中间有一储能电容。

根据本发明的优选实施例，其中所述的功率转换系统中每组的m个功率单元采用轮换或波形调整工作.

根据本发明的优选实施例，其中所述波形调整为脉冲宽度调制(PWM)。

根据本发明的优选实施例，还提供一种交流牵引变电系统，其特征在于包括：至少一个主交流牵引变电所，包括两个如权利要求1-9所述的供电装置；以及若干个辅助交流牵引变电所，作为主交流牵引变电所的备份，所述的若干个辅助交流牵引变电所中有1个为双供电装置，它为其它辅助交流牵引变电所提供备份，同时其余辅助交流变电所互为备份。

该交流牵引变电系统，包括至少一个主交流牵引变电所，包括两个根据本发明的基于三相串联电压源型对称变换的铁路交流牵引同相供电装置；以及若干个互为备份的交流牵引变电所为其若干个备份主交流牵引变电所。

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力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

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1A和图1B是根据本发明的系统原理框架图；

图2示出了根据本发明的整流电路原理图；

图3示出了根据本发明的储能滤波等效电路图；

图4示出了根据本发明的逆变模块原理图；

图5A示出了系统对接触网正常供电的整流单元回路图；

图5B示出了接触网对输入变压器输送电流的整流单元回路图；

图5C示出了电感单元充发放电的整流单元回路图；

图6示出了根据本发明的模块堆加示意图；

图7示出了叠加后的输出电压示意图；

图8示出了局部施加PWM控制后的输出波形示意图；

图9示出了等功率输出技术与冗余技术的示意图；

图10示出了根据本发明的控制系统结构框图；

图11示出了根据本发明的控制系统功能模块图；

图12示出了根据本发明的主控制板功能模块图；

图13示出了根据本发明的电光转换及光纤隔离传输原理框图；

图14示出了根据本发明的监控系统的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的基于三相串联电压源型对称变换的铁路交流牵引同相供电装置的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。

本发明将完整的三相输入电压切分成若干个独立的较低电压，分别组成功率单元，形成重新组合的调整资源，每个功率单元经过整流-储能滤波-逆变变换，通过串联叠加形成单相交流输出，消除负序电流，提高功率因数，输入输出利用多重化原理，消除谐波。其工作原理是：

1、将公用电网输入的三相交流电通过变压器变换成三组、其中p组(1≤p≤3)变换成p*m路彼此间电位独立的中间交流电；剩余3-p组为单相交流电；

2、对各路中间交流电通过整流桥+电容进行整流滤波，形成相同路数的中间直流电；

3、对各路中间直流电进行逆变，并串联各逆变电桥，将中间直流电同极性叠加，输出单相交流电，并与3-p组单相交流电统一相位、统一频率串联叠加，输出单相高压交流电给电力机车牵引供电。

4、控制开通各路串联逆变电桥，使各路中间直流电对负载输出。输出由直流电叠加堆波成的交流电，重复循环本过程，输出连续高压交流电。并通过调节各路逆变电桥的开关周期及开关频率，连续调节输出交流电的频率，满足与3-p组单相交流电同相位、同频率输出。通过调整叠加的中间直流输出的路数粗调输出交流电的幅值及通过调节各路中间直流电的幅值连续调节输出交流电的幅值。

5、控制系统是根据预先设定的要求和条件输出控制信号，控制各部分协调工作，同时实现监视系统工作状态，完成系统工作状态检测、故障处理等功能，并与上一级(本地/远地)的控制中心实现实时通讯。

6、在系统正常运行状态中，监控系统主要完成系统状态监视的工作。将系统运行状态中的重要参数与数据报告给操作人员，并实时分析下控制系统传来的数据，一旦发现故障，迅速通知监控人员并将系统转为故障运行状态。

系统停机，监控系统发布指令，使系统安全停机。

远程监控，系统具备远程监控能力，可通过互联网实现远程监控。

7、本系统在现场应用时，采用与原有牵引供电系统并行布局的形式，并将该装置设置为二套，成为主牵引加强型变电所。

以下将参照附图，从基本技术、关键技术和应用技术三部分对三相串联电压源型对称变换系统进行详细描述。

一、基本原理

参见图1A，示出了根据本发明的系统原理框架图。如图1A所示，本系统由输入变压器和变换器两大部分组成。输入变压器是一个专用的三相变压器，变压器的原边直接接入电网，输入电压符合国家标准。本系统的输入电压为三相110KV。变压器的副边有三组输出(A组、B组、C组)，针对三种不同的调整方法：1、仅调一组；2、调两组(B组、C组)；3、三组(A组、B组、C组)全调，制作不同的输入变压器。

参见图1B，以调两组为例，示出了本发明的系统原理框架图。输入变压器A绕组输出电压为10KV，B组和C组各有5个电位相互独立的切分单元绕组，每个绕组输出电压为单相交流2KV，共有2*5＝10个切分单元绕组。每个切分单元绕组的交流输出至相应功率单元的整流模块，经储能滤波后送入有四个功率开关元件组成的逆变模块，通过软件编程，控制逆变模块开关元件的开、关规律，控制每个逆变模块的输出电压幅值大小、方向和宽度。

通过软件实现各个逆变模块的输出电压的叠加，包括叠加个数和叠加的方向，获得理想的输出波形、电流电压等。

本系统两组各5个切分单元绕组和与其相对应的整流、储能模块及逆变模块，统一叠加后可以得到最高为20KV的单相输出电压。经与A相绕组串联，可以实现输出单相电压27.5KV，满足电气化铁路牵引供电的要求。

当输入变压器的输入电压比额定值降低10％时，系统仍能保证输出单相电压27.5KV。

接下来，将参照附图，对实现本发明的五项关键技术进行详细描述。

二、关键技术

根据本发明，实现基于三相串联电压源型对称变换的铁路交流牵引同相供电装置的关键技术共涉及切分技术、功率转换技术、堆波技术、控制技术和系统监控技术等五部分。

1、切分技术(微分)

切分技术通过输入变压器实现：

本系统的输入变压器是一台专用变电压，用以接受交流输入电压。它的特点是：变压器的副边有三组(A组、B组、C组)，其中A绕组输出电压为10KV，B组和C组各有5个电位相互独立的切分单元绕组，每个输出单相交流电压2KV，共有10个切分单元绕组。每组的5个单元绕组相互没有电联系，彼此电位独立，当单元绕组输出通过对应的功率单元串联叠加以后，对应的绕组中高点对地电位达到10KV。每个切分单元绕组的输出接到功率单元的整流模块。

2、功率转换技术(功率单元)

(1)整流模块

整流模块的输出电压实现全波可控整流，采用全控单相整流桥。

本系统采用的是输出电压可调式，电路原理图如图2所示。采用GTO整流。由于每相有5个整流单元，通过调整GTO的不同开关时间，可以实现各个功率单元从电网取电的时间差异，有效降低了对电网的谐波污染。对于多重化取电，整流采用不可控方式时，一般采用增加取电波头数的方法来降低对电网的谐波，也就是使每相的各个绕组采用不同的移相角度来实现，从我公司生产的高压变频器现场测试结果，总谐波畸变率(THDi)＜1.5％。现在采用可控整流，多重化取电技术，比原技术有更大的灵活性，效果也更好。

经过整流后通过电感实现储能滤波。

(2)储能滤波

电感储能并实现调相的等效电路如图3所示。

参见图3，示出了根据本发明的功率单元单相储能滤波等效电路，其中输入电压

和输出电压分别表示变压器输出绕组的交流电压和功率单元的输出交流电压。因此串联电抗上流过的电流

由二者的差值决定。当调整功率单元输出电压的幅值和相位后，就可以改变

即改变功率单元从电网上吸收电流的幅值和相位。通过联合调整

和

也就控制了功率单元吸收和输出功率的性质和大小。通过对10个功率单元的整流

和逆变

的多重化优化调整，从而保证了输入三相交流电的平衡与高的功率因数，输出相同的优质单相交流电。

然后经过整流调相的电能送到由单个功率开关元件及相应的反向续流二极管组成的逆变模块。

(3)逆变模块

参见图4，示出了根据本发明的逆变模块原理路。

逆变模块在相应的控制模块作用下有五种工作状态：

正向工作状态K1、K3闭合，输出正向电压，5端为正

反向工作状态K2、K4闭合，输出反向电压，6端为正

等待工作状态K2、K3闭合，输出端被短路，允许双向电流通过。

储能工作状态K1、K2闭合，逆变桥短路，电抗器充电储能。

能量回馈工作状态使逆变器工作在整流状态，整流回路转变为逆变工作状态。

逆变模块的五种工作状态在控制模块作用下可以进行高速切换。切换时间最快为120us。各开关的开、关规律根据负载要求，按照软件预先设定的程序进行工作。

在逆变模块的五种工作状态中，正向工作状态和反向工作状态是逆变模块常用的工作状态，结合开关的开、关时间控制，实现输出所需要的交流波形。等待工作状态是为了调整各个功率单元的不同开启时间，充分使用多重叠加的优势，降低系统对输入输出电能的谐波污染。储能工作状态，K1、K2闭合，逆变桥短路，电抗器(可以通过变压器的漏抗实现)充电储能，是实现前面介绍的输入电压

和输出电压

调相功能的重要环节。

为防止输出端有过电压出现，危及功率开关元件的安全，在输出端并联了过电压限制器，一旦有过电压出现则使过过压限制器动作，立即发出互锁指令给逆变模块的控制模块，使逆变模块进入等待状态，输出端被短路，允许双向电流通过，从而消除过电压的影响。

以上介绍的是由电网向接触网供电时功率单元逆变模块的基本工作原理，但是对于电气化铁路牵引供电来说，还有一种特殊的工作状况，那就是接触网向电网的能量回馈。

(4)能量回馈

当电力机车由于制动等原因造成接触网能量回馈时，本系统对外输出电流逐渐减小并发展到接触网向系统输入电流。当系统检测到该现象发生后，将把逆变模块的四个开关(GTO)按整流状态工作，而整流部分的开关根据与输入变压器相位的比较，产生两种工作方式：对电网输出电流和对电感充电。下面三个图5A，5B，和5C分别是系统对接触网正常供电的整流单元回路图、接触网对输入变压器输送电流的整流单元回路图和电感放电的整流单元回路图的部分示例。

切分技术和功率转换技术的应用摒弃了传统的整体变换模式，而对各个电位相互独立的切分单元分别进行变换。解决了在高电压下进行变换时要求元件承受高耐压和元件串、并联带来的均压、均流的困难，因而从根本上解决了高压电力变换中的一个关键难题，为更高压等级下的电力变换提供了可靠的保证。

3、堆波技术(积分)

输入变压器有三组输出(A组、B组、C组)，其中B组、C组又各包括5个电位相互独立的切分单元，切分单元之间没有电方面的直接联系，当与之相应的相邻功率单元之间的逆变模块输出顺次相连时，可以产生输出叠加的效果。

这种方式称为堆波技术，其示意图如图6所示，其中示出了模块叠加示意图。

(1)堆波技术

由于模块1的下端和模块2的上端是等电位的，因此这种连接方式是可行的。输出端A’a’的电压幅值为5个逆变模块输出电压之和。控制各逆变模块输出时间的长短，经叠加后就可得到一个接近正弦的多阶梯波。

参见图7，其中示出了叠加后的输出电压示意图。

当以相同的比例改变逆变模块的输出电压宽度时，即可改变本组输出电压的频率。输入变压器一组输出所对应的5个切分单元叠加后作为一组输出，成为一个叠加柱。输出电压的所有改变，均是通过逆变模块各开关的开、关规律实现的。开关的动作则是由和逆变模块相对应的控制模块通过软件编程实现的。

软件所实现的功能有：

●控制每个叠加柱开通的切分单元个数来控制输出电压的幅值。

●控制每个切分单元输出电压的平均值来控制输出电压的幅值。

●通过控制各切分单元开通的个数和输出电压平均值的大小，改善输出电压的波形。

●通过控制各个切分单元的开通时间，实现各个切分单元输出功率的一致，保证了各个切分单元工作均衡。(轮换)

●通过按比例控制切分单元逆变模块电压输出的时间，可以控制输出电压的频率。

●通过控制各个切分单元逆变模块的工作状态，可以控制输出电压的方向，即正输出还是负输出。

(2)优化正弦波技术

对逆变模块的输出配以局部的、适当的PWM控制，可以做到输出电压A’a’逼真为完美的正弦波。

叠加后输出电压的示意图如图8所示，其中示出了局部施加PWM控制后输出波形示意图。

参见图9，示出了等功率输出技术与冗余技术示意图。

(3)等功率输出技术

在切分单元串联叠加技术中，如何保证各个切分单元的输出功率一致、工作状态一致、发热一致，从而保证系统长期稳定可靠的工作，便于备品备件的管理，减小运营管理和维修的成本与工作量，是考核这项技术使用成熟度的一个重要指标。本系统采用切分单元输出轮换的机制，真正解决了堆波技术中的各个切分单元输出功率相同的技术难题。

(4)冗余技术

电气化铁路牵引供电的可靠性是最重要的要求，所以单纯靠提高元器件性能指标的方法不仅会大幅度提高系统的成本，而且可靠性也不能满足牵引供电的相应要求。在本系统中，由于采用了切分技术，使得只要增加很少的成本，就实现了切分单元的热冗余，就是在输入变压器的A相、C相中各增加一个切分绕组及对应的整流、调相和逆变模块，利用逆变模块的等待工作状态和堆波技术中的轮换机制，实现切分单元的热冗余，使得系统的可靠性得到成倍提升，以实现天窗时间的计划性维修更换。

堆波技术的应用实现了真正意义的直接高-高电力变换，即高电压输入、高电压输出。中间无需降压、升压。这就大大降低了装置的损耗，减少了对环境的污染(噪音低，不产生臭氧等)，减小了装置的体积、重量和占地面积，提高了可靠性，降低了造价。

堆波技术的应用解决了高电压电力变换的困难，使得高电压的输出，不论是否需要变频都十分方便。

堆波技术的应用使得本系统实现本质正弦，消除负序、谐波对电网、对负载的影响。

4、控制技术

(1)总体方案设计

三相串联电压源型对称变换系统是一种高度精密的设备，时常要在环境条件比较恶劣的工业现场上应用。因而，要求设备一方面要有非常高的控制精度，控制的实时性要强；另一方面又要求设备有较高的抗干扰性和可靠性。故此运行状态的监控又非常重要。因本系统电气系统的复杂性及运行状态的复杂性，需检测的量很多，实时性要求也很高，既要完成复杂控制的实时输出，又要保证复杂的检测信号的实时处理，因此我们采用工控机+主控制板(ARM7+DSP)+下位机控制单元(DSP+FPGA)的三层控制结构来实现系统控制。

参见图10，示出了根据本发明的控制系统的结构框图。

工控机的人机交互界面接受操作人员的指令，通过串口向主控制板传达控制指令，并通过串口接受主控制板上传的监控数据。主控制板解析下达的控制命令，通过总线单元向下位机控制单元发出控制指令，并接收监测数据，分析处理后上报工控机。下位机控制单元执行接收到的指令完成功率单元的操作，监测功率单元的运行状态并将有关数据上报主控制板。

本系统入线、出线的额定电压分别为110KV和27.5KV，尽管采用了堆波技术，但单元模块中最高点的对地电压也有近10KV，采用常规的强弱电隔离手段进行控制信号的隔离较难实现，本系统中采用光纤进行控制信号及检测信号的隔离传输从而解决了此项问题。同时，采用光纤传输还解决了控制信号的远距离传输中的损耗问题以及传输过程中的抗干扰问题，可谓一举多得。

本系统运行状态的监控是保证系统正常、安全运行的关键之一。本系统设置了输入/输出的电压/电流检测及显示、输出频率检测及显示，各单元模块故障检测、各部位温度、风压的检测等，并配以完善的软、硬件的故障处理及保护措施，保证了系统的安全、正常工作，使系统的可靠性大大提高。

由于本系统在电气化铁路运输中的关键地位，要求系统能够无故障连续运转，在正常运转过程中保证不停机，而系统本身又是很精密的设备，各种恶劣的环境条件或负载工作状态的突然变化有可能出现部分单元或部件的损坏，从而降低了设备运行的可靠性。因此，系统设置了硬件冗余，当主电路中有一个模块出现故障时，系统可以马上检测出来，反馈回主控单元后，将故障模块旁路，通过适当的算法，使其余功率单元继续轮转工作(此部分工作完成由工控机完成，而无需人工介入或停机)，从而保证系统在部分模块出现故障时能够连续运行，输出不受任何影响，在天窗时间中完成维修工作。

系统人机交互的界面比较友好，根据现场要求，可以采用CRT显示器、各类打印机、LED显示器、LCD显示器、各种数字/模拟显示仪器等方式进行输出。输入的方式也可以有键盘、按键、触摸屏、开关、串、并行通讯等多种方式，根据现场需要选用。

为方便设备的维护、维修、运行控制、故障判断处理、运行参数的收集、整理和各种参数的重新设定、控制方法的升级，系统还设置了远程通讯功能，可以通过互联网等实现与远地服务器的通讯。

反馈单元实现了对各种被控量的检测、转换与处理，从而实现了闭环控制。

参见图11，示出了根据本发明的控制系统的功能模块图。其中各部分实现的功能如下：

(A)工控机

工控机主要负责人机交互与远程服务器通讯等任务。主要模块包括：人机界面、历史数据存储、远程通讯、主控单元通讯四大模块。

(a)人机界面：

根据现场情况和用户要求配以相应的显示(CRT显示器、CED显示器、LCD显示器、指示灯等)、打印设备，将各种运行的状态、参数等信号、各种故障信息(电流、电压、温度等)显示出来以利于现场监控，还可通过键盘、触摸屏、按键等输入设备将一些控制命令输入到主控单元中。

(b)历史数据存储：

将底层监测单元传来的监测数据存入数据库中，方便对设备运行状态的分析。

(c)远程通讯：

远程通讯模块的作用是实现本系统主控单元与远地服务器之间的通讯，应远地服务器的要求传送各种故障信息，运行状态信息，运行参数等，并接收传输器传送来的控制指令，设定参数、密码、控制程序等，并可实现由远地服务器直接控制本地系统的运行，从而在远地即可实现对本地系统故障诊断、参数设定、设备调试等功能。为实现远距离集中控制，减少值班人员创造了条件。

(d)与主控单元通讯：

工控机通过RS232串口与主控单元进行通信，进行控制命令的传送与监控数据的接收。

(B)主控单元

由于系统运算量较大，且功能复杂。单独的一片DSP或单片机都无法胜任其工作，为此选用DSP+ARM的解决方案，以满足复杂的工作，与巨大的计算量之间的矛盾。

主控制芯片采用TI公司的工业控制领域的成熟产品TMS320LF2407A(DSP2407)。TMS320LF2407A是专为电机类负载控制、功率电子器件控制量身定做，不但提供了功能强大的计算处理模块及硬核乘法器，同时提供了丰富的外设接口。

ARM7是现今流行的可靠的工业级单片机，其32位宽的处理能力，及丰富的外设功能，使其在控制顶层和逻辑处理方面，以及人机交互方面有着得天独厚的优越条件，特别是可移值μC/OS II嵌入式实时操作系统，这使得系统的容错能力加强，对复杂控制策略的完成，有了质的飞越。

参见图12，示出了根据本发明的主控制板的功能模块图。

主控制板完成的功能包括：

(a)与主机通信：

主板与主机通信(采用标准串口，通过工控机的COM口完成与主控板上ARM7的标准异步串行口单元的信息交互)。

(b)主从通信(采用ARM7的标准异步串行口与下位机通信)。

(c)控制策略单元。

(d)静态自检。

(e)控制命令处理。

(f)故障检测处理。

(g)系统状态控制。

(h)DSP、ARM通过数据总线，共享RAM区完成数据信息的交互。

(i)主从板时钟同步单元。

(j)外部环境监控。

(k)算法处理单元(ARM7计算能力较弱，但逻辑能力强。DSD则相反，因此决定将ARM控制过程中大量繁重的数据处理任务交由DSP完成，只返回算法关心的最终结果，以加快数据的处理速度，减少处理周期，达到实时处理的目的)。

(l)主板间时钟较准信号。

(m)控制周期与输入电源的同步。

(n)必要时接管输出控制单元的输出。

(C)输出控制单元(下位机)

输出控制单元采用高性能DSP TMS320LF2407A+作为控制核心，外扩部分输入输出接口芯片，及光纤驱动电路，数据、程序存储器，译码电路等，它是装置输出控制的直接执行者，主要完成以下工作：

(a)串口通信

完成上位机与下位机的通信。

(b)电流、电压监控单元

每个功率单元配有五个电流、电压传感器，系统需对其进行监控，并产生相应的控制策略。

(c)温度传感器

每个功率单元提供14路温度传感信号，当温度超过设定值时回传至主控制板，提供异常报警的位置数据。

(d)电路板编号管理

占用8路I/O口，设置板编号。以此编号作为网络ID，响应主板的地址信号。并产生相应的控制方法。

(e)时钟同步单元

时钟同步是保证系统输出波形相位同步的根本，是全局控制策略成败的关键，也是项目的难点。本单元采用捕获器和计数器完成。

(2)信号传输与驱动电路

本部分电路的主要任务是完成系统主控单元和输出控制单元输出的控制信号的隔离和驱动，其基本结构如图13所示。

参见图13，示出了根据本发明的电光转换及光纤隔离传输原理框图。

将主控制板发出的控制信号转换为光信号，利用光纤将控制信号输送给驱动电路。利用光纤实现信号传输与转换，可以实现以主控制板为核心的控制部分与高电压大电流的主回路间的强弱电隔离。由于光纤的良好传输特性，还可以防止远距离传输过程中的信号衰减，同时也可以有效地避免在传输过程中可能受到的电磁干扰，提高了系统的可靠性。

它主要实现以下功能：

(a)光电转换

将由主控制板发出、由光纤送来的光信号转换为电压信号。

(b)延时互锁

对上述回路控制信号进行延时互锁，以防止主回路元件误动作，导致逆变失败。

(c)光耦隔离驱动

利用光耦实现控制电路与主回路间的强弱电隔离，并驱动主回路的开关元件。

(d)过流检测与保护

对开关元件的瞬时过电流进行检测，并及时采取相应的保护措施。

(3)主电路

主电路的原理和结构在前面已有详细论述，在此不再多加说明。

(4)单元检测模块

单元检测模块用来检测每个单元模块的各部分工作是否正常，并根据情况做出相应判断处理，如出现较严重的故障，致使本单元模块无法正常工作，则输出故障信号，通知主控单元启用冗余模块。

(5)运行状态检测模块

运行状态检测模块用来检测系统运行中的一些参数，如变压器铁芯温度，主电路散热器温度，各散热风机工作状态，系统输入电压/电流，系统输出电压/电流，过压信号，过流、过载信号等，并将这些信号区别不同情况进行相应处理。

(6)输出检测及反馈控制模块

输出检测及反馈控制模块的任务是根据各种不同的现场条件和要求将被控的输出实时采用各种检测器件检测出来，并转换成数字或模拟(电流/电压)信号送到主控单元中，由主控单元根据各种算法，进行相应的计算和处理。

5、系统监控技术

(1)监控系统软件的总体方案设计

由于本套系统的特点和性质决定了本监控系统特点为控制精度高，实时性强，控制手段复杂，系统安全性、可靠性要求高。

监控系统的工作状态和控制都很复杂，软件设计中需要考虑的因素较多，应付的状况也是错综复杂的，因而设计中必须明确系统的工作状态，各种状态所需完成的工作以及状态之间的各种正确切换的次序，另外，在各工作状态下，主控单元都需要完成相应的人-机对话和通讯的功能。

系统上电复位后进入初始化状态，在该状态下执行整个系统的初始化工作。

系统进入参数计算和参数设定状态后，对各种运行参数、运行状态参量进行设定，可以由系统外部输入(本地/远地两种方式)，也可采用系统内置的默认值(或设定值)。然后，依据设定的运行参数指标进行必要的运行数据的计算与传输，之后系统即进入等待状态，等待开机指令输入后即进入运行状态，依据系统设定情况，也可以不等待开机指令，在完成参数设定计算和传输后直接进入运行状态。

在系统正常运行状态中，监控系统主要完成系统状态监视的工作。将系统运行状态中的重要参数与数据报告给操作人员。并时刻分析下层控制系统传来的数据，一旦发现故障，迅速通知监控人员并将系统转为故障运行状态。

故障运行状态下，主控单元依故障的类型和严重程度采取相应措施，如启动备用模块、通知操作人员准备更换故障模块，并接管控制单元的输出等。保证系统在有部分功率单元出现故障的情况下，仍能正常输出，并提醒操作人员进行相应的故障排除的工作。同时主控单元维持与操作人员以及与远地服务器的通讯，将故障信息输出并接收控制信号。如需继续运行则须依控制信息和故障的状态重新进行参数的设定、计算和调整以保证系统重新进入最佳运行状态。

系统停机：监控系统按指令序列发布指令，使系统安全停机。

远程监控：系统具备远程监控能力，可通过互联网实现远程监控。

(2)软件设计方案的具体实现

系统的软件编制中采用了模块化的结构设计方案，它的优点是易于修改，编写和调试方便，容易维护和管理，结构清晰，结合本系统的运行状态，我们将软件划分为几个功能模块，各模块的划分、功能以及它们相互间的调用关系如图14所示。

各模块实现功能如下：

(A)运行模块(主模块)

该模块是系统正常运行(或带故障运行)时的工作模块，也是系统工作的核心模块。在该模块中完成：

系统运行状态的监控；

与现场、服务器、输出控制单元的通讯；

数据显示和必要的数据输出；

必要的参数计算；

需要时进行参数重新设置、优化；

系统自检；

出现故障时的判断处理；

调用冗余算法模块，对系统资源进行重新配置，启用备用设备，保证正常输出；

监视各部分工作状态等。

(B)PC机初始化模块

完成主控单元自身的一些初始工作，如通讯接口、各输入输出状态的初始化等。

(C)静态自检模块

由主控单元、输出控制单元、单元检测模块、运行状态检测单元等协调配合，共同完成在系统启动运行前的主电路、各部分控制电路的工作状况的检测，并整理和存储故障信息，同时区别不同情况或通讯、或输出、或重新调整参数，保证系统正常运行。

(D)系统初始化模块

当系统开机后，或在正常停机(或故障停机)之后，于重新运行前，完成系统静态自检。允许启动时，对系统的各输入输出设备、各单元进行状态初始化，为设备启动做准备。

(E)参数设定模块

完成系统正常运行中的一些运行参数，也可以存储多组运行参数。在每次运行时调用，亦可设置一组默认参数值，在系统上电后直接调用。

设定方式上，可以采用手动输入(按键、键盘)，媒体输入(软磁盘、硬盘、光盘)、远程通讯设定等，还可以设置一种查询状态，如无状态输入则直接调用默认参数设定值，启动系统。

在系统正常运行时亦可由主模块根据运行的状态和故障信息重新调用本模块，重新进入参数设定，以保证系统一直工作在最佳的工作状态。

(F)参数计算模块

该模块的功能是根据参数设定的情况，对系统工作的一些数据，如输出电压(即开关控制信号)、延时时间信号等进行计算，将相应结果存入指定位置并传送给输出控制单元，使系统依照这些数据运行。

(G)通讯模块

该模块完成主控单元与远程服务器之间，主控单元与输出控制单元间的通讯功能。

(H)运行状态检测及处理模块

该模块完成系统各部分工作状况以及一些运行参数的检测与转换，并将结果整理后存储，随时备主模块调用，依各种状态不同亦可主动提请主模块进行相应的判断处理。

(I)人机对话接口模块

按系统的设定要求和服务器及现场操作人员的要求，将必要的信息采用一定的手段显示和输出，同时可以接收现场操作人员各种形式的输入信号，输入采用方便、完善、友好的人机交互界面。对操作人员的安全等级进行划分，并记录操作人员的操作动作。

(J)冗余算法模块

系统的冗余设计是软硬件协同实现的。在系统工作正常时，通过功率单元轮换工作机制，保证每个功率单元在一定的时间内输出功率和发热一致。当主电路某一单元模块出现故障，无法继续正常使用时，由单元检测模块将故障信息送入主控单元，由主控模块进行处理，调用冗余算法模块，对运行数据进行修改，停用故障模块，将故障模块旁路，以使系统能够正常输出。

三、应用技术

本系统在现场应用时，采用与原有牵引供电系统并行布局的形式，通过与原有进线和出线调整并接的方式，按相关的国家标准和行业规范设计施工。

通过应用本发明，可以实现下述系统应用与性能：

本系统用于电气化铁路牵引供电，能够提高牵引供电系统的功率因数，使cosφ＞0.95；同时降低牵引供电系统对输入电网的谐波污染，使之满足GB/T14548-03《电能质量-公用电网谐波》国家标准对电能质量的要求；并且减小牵引供电系统对输入电网的负序污染，使之满足GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》国家标准对电能质量的要求。从而实现电气化铁路同相供电。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于三相串联电压源型对称变换的铁路交流牵引同相供电装置，其特征在于包括：

牵引变压器，该变压器的原边绕组接高压公用电网，变压器输入绕组为三角型或延边三角形接法，该变压器的次边有三组单相交流输出，其中三组中的2组或3组，每组有m个切分绕组，形成2×m或3×m个切分绕组，每个切分绕组的单相交流输出至相应的功率转换系统；和

功率转换系统，接收来自相应的每个切分绕组的单相交流输出，经整流、储能、逆变变换成同相单相交流电，并在形成3×m个切分绕组时，同极性串联叠加后输出；或者在形成2×m个切分绕组时，与只有一个绕组线圈的剩余1组单相交流组直接输出的同相单相交流同极性叠加串联后输出，为铁路交流牵引同相供电源。

2.根据权利要求1所述的供电装置，其中所述牵引变压器为三相——三组单相变压器。

3.根据权利要求1所述的供电装置，还包括控制系统，所述功率转换系统通过控制系统对电力电子器件的控制产生一个幅值与相位可调、频率与电网相同的交流输出为铁路交流牵引同相供电源。

4.根据权利要求3所述的供电装置，其中：

控制系统根据预先设定的要求和条件输出控制信号，控制各部分协调工作，同时实现监视系统工作状态，完成系统工作状态检测、故障处理功能，并与上一级的控制中心实现实时通讯。

5.根据权利要求4所述的供电装置，其中：

所述上一级的控制中心为本地控制中心或远地控制中心。

6.根据权利要求1所述的供电装置，其中：

所述的功率转换系统中2×m或3×m个整流单元采用单相全控整流桥。

7.根据权利要求1所述的供电装置，其中：

所述的功率转换系统中整流部分和逆变部分中间有一储能电容。

8.根据权利要求1所述的供电装置，其中：

所述的功率转换系统中每组的m个功率单元采用轮换或波形调整工作，所述波形调整为脉冲宽度调制(PWM)。

9.一种交流牵引变电系统，其特征在于包括：

至少一个主交流牵引变电所，包括两个如权利要求1-8所述的供电装置；以及

若干个辅助交流牵引变电所，作为主交流牵引变电所的备份，

所述的若干个辅助交流牵引变电所中有1个为双供电装置，它为其它辅助交流牵引变电所提供备份，同时其余辅助交流牵引变电所互为备份。

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