CN103481799B - 一种牵引供电控制设备和牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牵引供电控制设备和牵引供电系统。其中，牵引供电系统包括牵引供电控制设备、多个整流机组和多个直流刀开关，每个整流机组在牵引供电控制设备的控制下，将输入的交流电压转换成指定的直流电压进行输出；多个直流刀开关设置在多个整流机组的输出端，在牵引供电控制设备的控制下进行开合，使多个整流机组的输出端实现不同形式的串并联组合，进而使整套供电系统能够输出不同电压等级的直流电压，提供给用电负载。与现有技术不同的是，本发明牵引供电系统中，全部的整流机组能够同时参与供电，输出直流电压，系统利用率高，且输出直流电压的范围更广，尤其能够满足国内外各种电压等级直流机车的用电需求。

Description

一种牵引供电控制设备和牵引供电系统

技术领域

本发明涉及交直流转换供电技术，特别是关于一种可用于轨道机车试验的牵引供电控制设备和牵引供电系统。

背景技术

大规模的城市轨道交通建设促进了我国轨道交通技术的发展，对轨道交通试验能力也提出了更加严格的要求，因此提升我国轨道机车试验线路试验能力迫在眉睫。目前，世界各国城市轨道交通的直流牵引供电电压等级繁多，主要集中在550V至1500V之间。国际电工委员会IEC拟定的直流电压供电标准分别为：600V、750V和1500V三种。我国制定的国家标准也规定城轨供电电源的直流电压等级为750V和1500V，其中，三轨式采用750V直流电压，架空接触网式采用1500V直流电压。然而，德国西门子、法国阿尔斯通、日本川崎和三菱等公司的高速列车动车组使用的牵引变流器的容量一般在1200kVA到2000kVA之间，直流输出电压在1800V到3800V之间。随着我国城市轨道交通技术的日益成熟，我国生产的轨道机车不仅要满足国内市场的需求，还要满足国际市场的需求，因此，亟需一种新的牵引供电设备，能够高效地提供更多的电压制式，更广的电压范围满足各种类型轨道机车的用电需求。

目前，现有的城轨试验线电源供电系统主要采用以下两种供电方式：

1)输出DC750V/DC1500V两种电压制式：采用两条DC750V的整流器支路通过并联的方式输出DC750V电源，通过串联的方式输出DC1500V电源，这种供电方式结构简单、成本低廉，但是已经不能满足我国轨道交通国际化的需求；

2)输出DC750/DC1500V/DC3000V三种电压制式：其供电电源由两条DC750V整流器支路和一条DC3000V整流器支路构成，将两条DC750V的整流器支路通过并联的方式输出DC750V电源，通过串联的方式输出DC1500V电源，利用一条DC3000V整流器支路直接输出DC3000V电源。由于在输出DC750/DC1500V两种电压等级时，DC3000V整流器支路并不参与系统的供电；反之，亦同，因此这种供电方式没有充分发挥出系统的总功率，存在资源浪费的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高效的牵引供电控制设备和牵引供电系统，在牵引供电控制设备的控制下，牵引供电系统中所有的整流机组能够全部或者部分参与供电，输出直流电压。

本发明提供一种牵引供电控制设备，其特征在于，包括：

中央控制模块，用于发送包括调压指令和开关指令的控制指令；

多个调压控制模块，每个所述调压控制模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组之间，用于根据所述中央控制模块传来的调压指令，调节所述整流机组输出的直流电压；

开关控制模块，其耦接在所述中央控制模块和多个直流刀开关之间，用于根据所述中央控制模块传来的开关指令，控制多个所述直流刀开关开合，以使多个整流机组的输出端实现不同形式的串并联组合。

上述牵引供电控制设备还可以包括：

多个断路控制与保护模块，每个所述断路控制与保护模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的断路器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第一控制指令，控制所述断路器开合，以切断或者恢复交流电压输入整流机组；

多个变压器检测保护模块，每个所述变压器检测保护模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的变压器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第二控制指令，检测与保护所述变压器的运行状态；

多个整流器检测保护模块，每个所述整流器检测保护模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的整流器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第三控制指令，检测与保护所述整流器的运行状态；

多个整流器控制模块，每个所述整流器控制模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的整流器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第四控制指令，控制所述整流器的运行。

另一方面，本发明还提供一种牵引供电系统，其特征在于，包括：

多个整流机组；

多个直流刀开关，其设置在多个所述整流机组的输出端；以及

牵引供电控制设备，其包括：

中央控制模块，用于发送包括调压指令和开关指令的控制指令；

多个调压控制模块，每个所述调压控制模块耦接在所述中央控制模块和一所述整流机组之间，用于根据所述中央控制模块传来的调压指令，调节所述整流机组输出的直流电压；

开关控制模块，其耦接在所述中央控制模块和多个所述直流刀开关之间，用于根据所述中央控制模块传来的开关指令，控制多个所述直流刀开关开合，使多个整流机组的输出端实现不同形式的串并联组合，进而使整套供电系统能够输出不同电压等级的直流电压；其中

多个所述整流机组能够全部或者部分同时参与供电，输出直流电压。

根据本发明一个实施例，上述多个整流机组的输出端各自通过所述直流刀开关并联地接在供电输出用的直流电源线上，同时多个所述整流机组的输出端还依次通过所述直流刀开关串联连接。

根据本发明一个实施例，整流机组可以为四个，每个所述整流机组输出400V～1200V的直流电压，通过所述直流刀开关的开合，整套供电系统能够输出400V～1200V、800V～2400V和1600V～4800V三个电压等级的直流电压。

优选地，每个整流机组可以包括：

有载调压变压器，其耦接与所在的整流机组相对应的调压控制模块，用于在所述调压控制模块的控制下，将输入的交流电压转换为预定的交流电压进行输出；

整流器，其电连接所述有载调压变压器，用于将所述有载调压变压器输出的交流电压整流成直流电压进行输出。

此外，每个所述整流机组还可以包括断路器，其电连接在交流电网和所述有载调压变压器之间，用于切断或恢复交流电压输入所述有载调压变压器。

进一步地，上述牵引供电系统还包括上位机，其内设置有人机交互模块，所述人机交互模块耦接所述中央控制模块，以实现人机交互功能。

本发明提供的牵引供电系统带来的有益效果是：通过在整流机组的输出端设置直流刀开关，配以牵引供电控制设备的控制，能够使全部的整流机组同时参与供电，输出直流电压，系统利用率高，且输出直流电压的范围更广，可以输出400V～4800V的直流电压，尤其能够满足国内外各种电压等级直流机车的用电需求。

附图说明

图1是本发明的牵引供电系统结构示意图；

图2是本发明的经扩展的牵引供电控制设备结构示意图。

图3是本发明实施例一的牵引供电系统结构示意图；

图4是本发明实施例一的直流刀开关设置示意图；

图5是本发明实施例二的牵引供电系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种牵引供电系统，其包括：

多个整流机组10，每个整流机组10用于将输入的交流电压(例如10KV，50Hz的交流电压)转换为直流电压进行输出；

多个直流刀开关20，其设置在多个整流机组10的输出端；

牵引供电控制设备30，其包括：

中央控制模块31，用于发送包括调压指令和开关指令的控制指令；

多个调压控制模块32，每个调压控制模块32耦接在中央控制模块31和一整流机组10之间，用于根据中央控制模块31传来的调压指令，调节整流机组10输出的直流电压；

开关控制模块33，其耦接在中央控制模块31和多个直流刀开关20之间，用于根据中央控制模块31传来的开关指令，控制多个直流刀开关20开合，以使多个整流机组10的输出端实现不同形式的串并联组合，进而使整套供电系统能够输出不同电压等级的直流电压，提供给例如工作在不同电压等级下的试验机车。

与现有的轨道机车用的牵引供电系统不同的是，本发明提供的牵引供电系统中，所有的整流机组10能够同时参与供电，输出直流电压，整套供电系统的利用率高，能够充分发挥供电系统的功效。

相应地，该牵引供电系统的控制方法，可以包括以下步骤：

S101：控制多个直流刀开关开合，使多个整流机组的输出端按照指定的形式实现串并联组合，参与供电；

S102：调节参与供电的整流机组输出的直流电压，以使整套供电系统输出的直流电压满足例如试验机车等负载的用电需求。

需要注意的是，通常在整流机组空载状态下执行步骤S101，但是可以在整流机组负载状态下执行步骤S102。

如图2所示，为了对牵引供电系统的工作状态进行实时监控与保护，实现更多的例如报警、跳闸、隔离开关等自动控制功能，本发明的牵引供电控制设备30还可以进一步地扩展，为每个整流机组增设例如断路控制与保护模块34、变压器检测保护模块35、整流器检测保护模块36和整流器控制模块37之类的功能模块。这些功能模块在中央控制模块31的控制下分别对整流机组10中的断路器11、变压器12和整流器13等装置进行检测、保护和控制，其中：

断路控制与保护模块34，其耦接在中央控制模块31和对应的整流机组10的断路器11之间，用于根据中央控制模块31传来的第一控制指令，控制断路器11开合，以切断或者恢复交流电压输入整流机组10；

变压器检测保护模块35，其耦接在中央控制模块31和对应的整流机组10的变压器12之间，用于根据中央控制模块31传来的第二控制指令，检测与保护变压器12的运行状态；

整流器检测保护模块36，其耦接在中央控制模块31和对应的整流机组10的整流器13之间，用于根据中央控制模块31传来的第三控制指令，检测与保护整流器13的运行状态；

整流器控制模块37，其耦接在中央控制模块31和对应的整流机组10的整流器13之间，用于根据中央控制模块31传来的第四控制指令，控制整流器13的运行。

上述检测与保护的具体内容主要是检测整流机组的状态信息、故障信息，以及执行报警、跳闸等保护动作，这些均为现有技术，此处不再详述。

上述牵引供电控制设备30中，中央控制模块31可以设置在中央控制平台内；其他的功能模块可以设置在检测、保护和控制的具体对象处，实行本地控制。当然，中央控制模块31和其他的功能模块也可以设置在一起，如设置在中央控制平台内，对整流机组10实行远程控制，此处不做限制。

下面结合附图，以一个含有四个整流机组的牵引供电系统为例对本发明的组成连接和工作原理作进一步的说明。

如图3所示，一个牵引供电系统主要由四个整流机组10、十一个直流刀开关20和牵引供电控制设备30组成。优选地，每个整流机组10中的变压器12采用有载调压变压器，整流器13采用二极管整流器，其中：

有载调压变压器是指带有有载调压开关121的变压器122，有载调压开关121耦接牵引供电控制设备30的调压控制模块32，在调压控制模块32的控制下调节变压器122输出给二极管整流器13的交流电压的大小；然后，二极管整流器13将变压器122提供的交流电压整流成直流电压进行输出。

一般而言，为了提高直流供电质量，降低直流电源脉动量，通常上述四个整流机组中，每个整流器输出十二脉波；第一个整流机组的变压器与第二个整流机组的变压器之间相位相差30°，组成二十四脉波；第三个整流机组的变压器与第四个整流机组的变压器之间相位相差30°，组成二十四脉波；且第一个整流机组的变压器与第三个整流机组的变压器相位相同，第二个整流机组的变压器与第四个整流机组的变压器相位相同。由此，除了单个整流机组输出模式为十二脉波之外，其余的输出模式均为二十四脉波。

单元之间控制方式不同并不带来什么问题。而当多个换流组并联运行时，不仅要求控制方式一致，而且为了平衡各自输出电压瞬时值的差异，必须配备额定电压和工作频率都符合电路要求的平衡电抗器。

如图4所示，十一个直流刀开关20，分别记为S1…S11，设置在四个整流机组10的输出端。具体地，四个整流机组的输出端各自通过两个直流刀开关并联地接在供电输出用的直流电源线上，同时四个整流机组的输出端还依次通过一个直流刀开关串联连接。这十一个直流刀开关S1…S11在牵引供电控制设备30的开关控制模块33的控制下进行开合，具体情况可以如下：

1)闭合直流刀开关S1、S2、S4、S5、S7、S8、S10、S11，使四个整流机组的输出端相互并联；

2)闭合直流刀开关S1、S3、S5、S7、S9、S11，使四个整流机组的输出端两串两并，即第一个整流机组与第二个整流机组的输出端相互串联，第三个整流机组与第四个整流机组的输出端相互串联，然后两串联支路再相互并联；

3)闭合直流刀开关S1、S3、S6、S9、S11，使四个整流机组的输出端相互串联。

当上述每个整流机组能够输出400V～1200V的直流电压时，通过直流刀开关S1…S11开合，整套供电系统能够输出400V～1200V、800V～2400V和1600V～4800V三个电压等级的直流电压，从而能够为工作在以下四种电压等级的试验车辆进行供电：

①直流600V等级城市轨道机车，网压波动范围400～900V；

②直流750V等级城市轨道机车，网压波动范围400～900V；

③直流1500V等级城市轨道机车，网压波动范围900～2000V；

④直流3000V等级城市轨道机车或大铁路机车，网压波动范围2000～4500V。

与现有的轨道机车用的牵引供电系统相比，本实施例提供的牵引供电系统输出400V～4800V的直流电压，能够满足国内外各种电压等级直流机车的试验需求。

需要说明的是，上述实施例仅为本发明一个优选的实施例，本发明也可以采用其他形式的整流机组配以直流刀开关和牵引供电控制设备构成牵引供电系统。如图5所示，是本发明牵引供电系统的又一实施例，其同样包括四个整流机组10和十一个直流刀开关20，以及牵引供电控制设备30。与前一个实施例不同的是，每个整流机组10中的变压器12采用普通变压器，整流器13采用晶闸管整流器，其中：

变压器12将输入的交流电压转换为适合晶闸管整流器13的交流电压，输出给晶闸管整流器13；然后，晶闸管整流器13对变压器12提供的交流电压进行整流，并在调压控制模块32的控制下，对整流输出的直流电压的大小进行调节。这种方式虽然易于实现，但是需要大量的触发和控制电路，系统运行的可靠性较低，同时，由于系统调节电压的范围较大(几百伏到几千伏)，因此系统的谐波较大，容易对线路上的其他电气设备产生干扰。

虽然上述两个实施例中，牵引供电控制设备30中所有的整流机组10同时参与了供电，输出直流电压，但是本领域的技术人员应当明白不限于此。根据试验车辆所需功率的大小，也可以只开启所有整流机组中的部分整流机组，同时参与供电，输出直流电压。

此外，为了实现“一键控制”，本发明的牵引供电系统中还可以设置一上位机(图中未示出)，其中设置人机交互模块，该模块耦接牵引供电控制设备的中央控制模块，以便操作人员设置和操作牵引供电系统。例如，操作人员可以根据试验车辆的电压及功率需求，通过人机交互模块选择所需的电压等级，从而使牵引供电控制设备的中央控制模块自动地发出相应的开关指令给开关控制模块，控制直流刀开关开合，发出相应的调压指令给调压控制模块，控制有载调压变压器调节整流机组输出的直流电压。此外，操作人员还可以通过人机交互模块观测牵引供电系统的工作状态，进行实时监控。

本领域的技术人员应该明白，上文中所记载的内容只是为了便于理解本发明而采用的具体实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种牵引供电控制设备，其特征在于，包括：

中央控制模块，用于发送包括调压指令和开关指令的控制指令；

多个调压控制模块，每个所述调压控制模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组之间，用于根据所述中央控制模块传来的调压指令，调节所述整流机组输出的直流电压；

开关控制模块，其耦接在所述中央控制模块和多个直流刀开关之间，用于根据所述中央控制模块传来的开关指令，控制多个所述直流刀开关开合，以使多个整流机组的输出端实现不同形式的串并联组合。

2.如权利要求1所述的牵引供电控制设备，其特征在于，还包括：

多个断路控制与保护模块，每个所述断路控制与保护模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的断路器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第一控制指令，控制所述断路器开合，以切断或者恢复交流电压输入整流机组；

多个变压器检测保护模块，每个所述变压器检测保护模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的变压器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第二控制指令，检测与保护所述变压器的运行状态；

多个整流器检测保护模块，每个所述整流器检测保护模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的整流器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第三控制指令，检测与保护所述整流器的运行状态；

多个整流器控制模块，每个所述整流器控制模块耦接在所述中央控制模块和对应的整流机组的整流器之间，用于根据所述中央控制模块传来的第四控制指令，控制所述整流器的运行。

3.一种牵引供电系统，其特征在于，包括：

多个整流机组；

多个直流刀开关，其设置在多个所述整流机组的输出端；以及

牵引供电控制设备，其包括：

中央控制模块，用于发送包括调压指令和开关指令的控制指令；

多个调压控制模块，每个所述调压控制模块耦接在所述中央控制模块和一所述整流机组之间，用于根据所述中央控制模块传来的调压指令，调节所述整流机组输出的直流电压；

开关控制模块，其耦接在所述中央控制模块和多个所述直流刀开关之间，用于根据所述中央控制模块传来的开关指令，控制多个所述直流刀开关开合，使多个整流机组的输出端实现不同形式的串并联组合，进而使整套供电系统能够输出不同电压等级的直流电压；其中

多个所述整流机组能够全部或者部分同时参与供电，输出直流电压。

4.如权利要求3所述的牵引供电系统，其特征在于：多个所述整流机组的输出端各自通过所述直流刀开关并联地接在供电输出用的直流电源线上，同时多个所述整流机组的输出端还依次通过所述直流刀开关串联连接。

5.如权利要求4所述的牵引供电系统，其特征在于：所述整流机组为四个，每个所述整流机组输出400V～1200V的直流电压，通过所述直流刀开关的开合，整套供电系统能够输出400V～1200V、800V～2400V和1600V～4800V三个电压等级的直流电压。

6.如权利要求3所述的牵引供电系统，其特征在于，每个所述整流机组包括：

有载调压变压器，其耦接与所在的整流机组相对应的调压控制模块，用于在所述调压控制模块的控制下，将输入的交流电压转换为预定的交流电压进行输出；

整流器，其电连接所述有载调压变压器，用于将所述有载调压变压器输出的交流电压整流成直流电压进行输出。

7.如权利要求6所述的牵引供电系统，其特征在于：每个所述整流机组还包括断路器，其电连接在交流电网和所述有载调压变压器之间，用于切断或恢复交流电压输入所述有载调压变压器。

8.如权利要求3所述的牵引供电系统，其特征在于，还包括：

上位机，其内设置有人机交互模块，所述人机交互模块耦接所述中央控制模块，以实现人机交互功能。