CN106712314B - 一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，包括非拉接线缆隔离式取电单元、直接功率变换单元、充电单元、电能存储装置和放电单元。所述系统通过安装在两个扼流变压器之间的非拉接线缆隔离式取电单元，实现无线电能获取；经过整流及电气控制，形成稳定可靠的电源供给负载。本发明充分利用电气化铁路自身设备，实现无线能量获取，无需拉接线缆且无需改造现有设备，当有电气化机车经过时，就可获取能量，可以全天候工作；也无需拉接电力电缆供电，安装方便、结构简单、可靠性高成本低、维护少、实用性强。本发明可提高电气化铁路的技术装备能力和铁路系统的灵活性与安全性，具备广阔应用前景与市场空间。

Description

一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统
技术领域
本发明涉及一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，属于铁路电气技术领域。
背景技术
电气化铁路需要对钢轨、路基、接触网及周边环境等进行适当监控并具备通讯能力，特别是有大量的路段环境复杂还需进行防灾监控。在漫长的铁路沿线中，虽有接触网在内的高电压供电设备，却往往没有低压电源提供。而监控及通讯设备通常使用低压电源供电，因此此类设备无法接入，极大地限制了现代化铁路自动化与信息化水平的进一步提高与改善。
非电网供电的电源获取方式有多种，比较常见的有光伏发电、风力发电等。然而此类绿色电源受制于外部天气与气候因素，比如光照强度、雾霾、温度、风力、雨雪等等，具有间歇性、随机性发电的特点。由于光伏及风电自身弱点，因而如需提供优质可靠的电源尚需采取大量措施进行弥补。光伏或风电等绿色电源的非电网供电的电源获取方式受当地环境及气候影响很大，而铁路覆盖地区幅员广阔，地理环境复杂，甚至没有条件实施此类绿色能源的安装与使用。
公告号CN203537081公开了一种非接触式供电系统，采用隔离变压器方案进行能量获取，“解决非接触式供电系统不能提供交流电的问题”，“尤其涉及一种最终可输出设备所需交流电的新型非接触式供电系统”。此专利“包括供电侧电路和取电侧电路”，供电侧电路连接交流电源经隔离变压器后整流(第一整流单元)并逆变(第一逆变单元)为交流电再输出给取电侧电路。取电侧电路通过取电侧变压器与供电侧电路输出连接，并进行后续处理得到需要的交流输出。此专利电路结构复杂，而且从能量取得方式看，需具备交流电的输入源即需拉接电缆获得能量，后续通过变压器进行隔离完成非接触式电能获得，不适用于高电压工作下的电气化铁路进行能量获取。
实际上，电气化铁路有大量电气化设备可以利用获取电能，完全可以由此获得低压电源，以解决电气化铁道沿线低压电源获取的技术问题。不同于风电与光伏等，本发明的取电方案不受天气与气候影响，对电气化铁路沿线的不拉线获取电能提供了一个新思路。
发明内容
本发明的目的是，为了解决电气化铁道沿线全天候获取低压电源的技术问题，本发明提出一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，无需从电网拉接电力线缆供电的新型方案。
实现本发明的技术方案是，本发明一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统包括：
非拉接线缆隔离式取电单元，利用现有电气化铁路设备在无需额外拉接线缆的前提下完成无线电能获取，并将交流整流成直流输出；
直接功率变换单元，将非拉接线缆隔离式取电单元直流电进行功率变换成所需的直流输出给负载；
充电单元，用于对能量存贮装置进行充电；
电能存储装置，存贮能量；
放电单元，将电能存贮装置存贮的电能进行变换得到期望的直流供给负载。
所述系统通过安装在两个现有的电气化铁路设备--扼流变压器之间的中性线上的非拉接线缆隔离式取电单元，实现非接触式能量收集，经过整流及电气控制，形成稳定可靠的电源以供给其它负载。
所述非拉接线缆隔离式取电单元分别连接直接功率变换单元的输入端及充电单元的输入端；充电单元的输出端连接电能存储装置；电能存储装置连接放电单元的输入端；放电单元的输出端连接负载；充电单元、电能存储装置、放电单元串联构成能量存储子系统；能量存储子系统与直接功率变换单元并联；所述直接功率变换单元的输入端与非拉接线缆隔离式取电单元的输出端相连；所述直接功率变换单元的输出端与负载相连。
所述非拉接线缆隔离式取电单元的取电方式，是在扼流变压器组的中性线上加装同型号开口式变匝比第一电流互感器与第二电流互感器，第一电流互感器与第二电流互感器的副边输出连接整流模块，并根据此两互感器输出端连接整流模块的数量与形式不同，分为单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路与双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路两种。
所述单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路，将第一电流互感器与第二电流互感器的副边按照输出电压顺向串联连接，再连接整流模块的输入端，整流模块的输出为本单元输出UC。
所述双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路，将第一电流互感器的副边经第一整流模块整流输出，第二电流互感器的副边经第二整流模块整流输出，并将此两个整流输出顺向串联得到双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元的输出UC。
本发明电路的非拉接线缆隔离式取电单元利用电气化铁路中由接触网、机车、钢轨、扼流变压器和回流线等构成的牵引回路中流过的大电流，通过安装在两个扼流变压器之间的中性线上的开口式电流互感器，实现非接触式能量收集，同时该装置在电路上对原有轨道电路没有任何影响。从开口式电流互感器端口获得电能，再进行电气控制之后，形成稳定可靠的电源以供给其它负载。
所述非拉接线缆隔离式取电单元可采用两种电路，其能量获取原理相同，整流输出的方式有差异，分别为单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路与双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路两种。单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路的成本更低，需进行辨别开口式电流互感器的同名端，且有利于低电压的能量获取；双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路成本稍高但无需进行辨别开口式电流互感器的同名端；实际所用电路可选择其中一种。
本发明电路的直接功率变换单元，将非拉接线缆隔离式取电单元的直流输入转化成所需的直流电供给负载，此负载一般为低压电子电气负载。
本发明电路的充电单元，完成给电能存储装置充电的功能，其输入端与非拉接线缆隔离式取电单元的输出端相连接。
本发明电路的电能存储装置采用超级电容或是蓄电池或者两者的结合，其同时与充电单元输出端及放电单元的输入端相连。
本发明电路的放电单元，将电能存储装置存储的能量转化成希望的直流输出，由于电能存储装置的电压变化范围较大，可以采用宽电压输入范围的电路拓扑，比如反激式电路拓扑，为了系统可以有较高效率，可采用同步整流方式。具体根据实际应用确定，其设计与一般开关电源方案类似，此处不再给出具体电路。
本发明的有益效果是，本发明一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统；此低压电源系统充分利用电气化铁路自身设备，实现无线能量获取，无需拉接线缆且无需改造现有设备，当有电气化机车经过时，就可获取能量，可以全天候工作；同时系统具备充电与储能能力，以确保系统没有能量输入的情况下仍能持续工作。此低压电源系统结构简单、可靠、实用。低压电源系统具备高可靠性与高效率，解决了目前电气化铁路沿线不拉接电缆而获得低压电源的问题。系统好地提供优质直流电源供给电气与电子设备使用，并通过这类设备的投入运行进而大大提高电气化铁路系统整体可靠性与信息化水平，控制与监控手段也将更灵活。
本发明的应用并不仅限于得到直流电源，也可以用于获得稳定的交流电源，本发明不限于电气化铁路系统应用，还可应用于其它类似场合。
附图说明
图1为电气化铁路关联设备工作原理示意图；
图2为本发明单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路工作原理图；
图3为本发明双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路工作原理图；
图4为本发明一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统的原理框图；
图中，非拉接线缆隔离式取电单元、直接功率变换单元、充电单元、电能存储装置、放电单元构成本发明基于电气化铁路设备的非接触式取电低压电源系统；充电单元、电能存储装置、放电单元构成能量存储子系统；能量存储子系统与直接功率变换单元并联，其输入端与非拉接线缆隔离式取电单元输出端连接，其输出端与负载连接。
具体实施方式
本发明实施例结合附图进一步说明。
图1是电气化铁路关联设备工作原理示意图。
在电气化牵引区段，为了保证牵引电流顺利流过绝缘节，在轨道电路的发送端、接受端设置扼流变压器，轨道电路设备通过扼流变压器接向轨道，并传递信号信息。扼流变压器对牵引电流的阻抗很小，而对信号电流的阻抗很大，沿着两钢轨流过的牵引电流在轨道绝缘节处，因上、下线圈中产生的磁通相等但方向相反，总磁通等于零，其对次级线圈的信号设备没有任何影响。第一扼流变压器与第二扼流变压器构成一组扼流变压器组。
当电气化机车在某段钢轨上运行时，机车从接触网上获得牵引电流并流入两根钢轨，并且i1经第一扼流变压器的原边1-3端口，i2经扼流变压器1的原边2-3端口经中间连接线，一面流入另一个第二扼流变压器的原边3-1端口和原边3-2端口后经钢轨回流，另一面流入N经回流线回流。第一扼流变压器、2的副边4-5均用于轨道电路，与本发明相关电路无关。
图2为单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路工作原理图。
图3为双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路工作原理图。
图2图3均为非拉接线缆隔离式取电单元电路，其能量获取原理相同，而整流输出联结方式有差别，使用中可选择其中一种。
本发明实施例利用电气化铁路的已有设备获取能量，接触网、机车、钢轨、扼流变压器和回流线等构成的牵引回路中流过的大电流，通过安装在两个扼流变压器之间的中性线上开口式电流互感器CT，实现牵引回流的非接触式能量收集，同时该装置在电路上对原有轨道电路没有任何影响。从电流互感器CT端口获得电能，再进行电气控制之后，形成稳定可靠的电源以供给其它负载。
当电力机车经过铁路沿线，对于第一扼流变压器将有电流i1流过原边上侧端口1→原边中心点3→扼流变压器组的中性点N、电流i2流过原边下侧端口2→原边中心点3→扼流变压器组的中性点N，因而在扼流变压器中性线将有电流i＝i1+i2流过，在第一扼流变压器中性线上加装开口式电流互感器CT1获取电能。与此类似，在第二扼流变压器中性线将有电流i’＝i’1+i’2流过，在第二扼流变压器中性线上加装开口式电流互感器CT2获取电能。i与i’电流方向相反。
对于单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路，将第一电流互感器CT1与第二电流互感器CT2的副边按照输出电压顺向串联连接，再连接整流模块的输入端，整流模块的输出为本单元输出UC。
对于双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路，将第一电流互感器CT1的副边经第一整流模块整流输出，第二电流互感器CT2的副边经第二整流模块整流输出，并将此两个整流输出顺向串联得到双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元的输出UC，第一整流模块与第二整流模块采用相同设计。
所述整流模块均由全桥整流桥及LC低通滤波器构成，整流模块的输出UC即为非拉接线缆隔离式取电单元的输出。具备相关专业能力的技术人员均能设计整流模块，此处不再给出具体电路。第一电流互感器CT1与第二电流互感器CT2均为开口式电流互感器且采用相同设计或选用相同型号。
需要指出的是，注入扼流变压器的电流大小因列车与其距离的变化而变化，且电流大小还受到当时列车受电电流及钢轨、回流线和道床等多种因素影响，因而在电流互感器CT副边的出口电压是变化量。电流互感器CT采用变匝比方案，以抑制出口电压变化范围，随着电流i增加，减小副边/原边的匝数比以使输出电压变化小些，即第一电流互感器CT1与第二电流互感器CT2均为变匝比开口式电流互感器。
图4是本发明一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统的原理框图。
本实施例低压电源系统实际可分为三个部分，非拉接线缆隔离式取电单元、直接功率变换单元与能量存储子系统，其中能量存储子系统由充电单元、电能存储装置、放电单元构成。非拉接线缆隔离式取电单元利用电气化铁路自身设备获取能量并进行整流滤波；直接功率变换单元进行直接功率变换以提供负载能量；能量存储子系统进行能量存储并在无能量输入时给负载提供能量，它与直接功率变换子系统相互独立工作，相互冗余，提高系统可靠性。
非拉接线缆隔离式取电单元的输出电压变化范围较大，为了得到稳定的电压输出，系统在进行整流后需进行后续处理，其中包括直接功率变换单元与能量存储子系统。由于电流i变化范围较大，从零到数百安培甚至上千安培，因而电流互感器CT虽然采用了变匝比方案但其变化范围仍然较大，故整流得到的直流电压也是变化值。
直接功率变换单元是非拉接线缆隔离式取电单元的后续单元，将输入电压转化为负载所需的稳定直流电压输出。由于其为宽电压输入，因而此单元需选择适合宽电压输入的电路拓扑，考虑到能量获取的不易，提高系统效率，采用高效率拓扑，最终选择反激式同步整流电路。
充电单元与直接功率变换单元相同，充电单元也有宽电压输入条件下的电压输出控制问题并考虑系统效率，需选择合适的电路拓扑，比如反激式同步整流电路。
电能存储装置可以选用超级电容或蓄电池或超级电容+蓄电池，鉴于本电源系统实际工作需求特别是考虑到低温工作及快速充电需要，优先选用超级电容，其次选用蓄电池。
放电单元完成将电能存储装置的能量变换成负载所需输出电压的任务。当没有电力机车途经沿线时或其它原因导致直接功率变换电路不能满足负载功率需求时，将电能储存装置的能量进行释放，提供稳定直流电源。出于相同考虑，放电单元采用反激式同步整流电路。
充电单元、电能存储装置、放电单元构成能量存储子系统。电能存储装置的端口电压会随着工况的不同而变化，当充电时，电压上升，当放电时，电压下降。由于超级电容或蓄电池的过充或过放电将会严重影响其寿命，故加入过压保护以免过充；加入荷电容量状态SOC过低保护或低电压保护以免过放，如采用超级电容作为电能存储装置，当超级电容端口电压低于50％的自身额定电压时进行保护，当然可根据实际需要进行修正电压保护值。

Claims (4)

1.一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，包括充电单元、电能储存装置、放电单元和直接功率变换单元，其特征在于，所述系统还包括非拉接线缆隔离式取电单元，所述非拉接线缆隔离式取电单元的取电方式，是在扼流变压器组的中性线上加装同型号开口式变匝比第一电流互感器与第二电流互感器，第一电流互感器与第二电流互感器的副边输出连接整流模块，并根据所述第一电流互感器和第二电流互感器输出端连接整流模块的数量与形式不同，分为单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路与双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路两种；
所述非拉接线缆隔离式取电单元分别连接直接功率变换单元的输入端及充电单元的输入端；充电单元的输出端连接电能存储装置；电能存储装置连接放电单元的输入端；放电单元的输出端连接负载；充电单元、电能存储装置、放电单元串联构成能量存储子系统，能量存储子系统与直接功率变换单元并联，所述直接功率变换单元的输入端与非拉接线缆隔离式取电单元的输出端相连；所述直接功率变换单元的输出端与负载相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，其特征在于，所述单一整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路，将第一电流互感器与第二电流互感器的副边按照输出电压顺向串联连接，再连接整流模块的输入端，整流模块的输出为非拉接线缆隔离式取电单元的输出UC。
3.根据权利要求1所述的一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，其特征在于，所述双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元电路，将第一电流互感器的副边经第一整流模块整流输出，第二电流互感器的副边经第二整流模块整流输出，并将此两个整流输出顺向串联得到双整流模块的非拉接线缆隔离式取电单元的输出UC。
4.根据权利要求1所述的一种基于电气化铁路设备的无线取能低压电源系统，其特征在于，所述非拉接线缆隔离式取电单元，利用现有电气化铁路设备在无需额外拉接线缆的前提下完成隔离式的电能获取，并将交流整流成直流输出；
所述直接功率变换单元，将非拉接线缆隔离式取电单元直流电进行功率变换成所需的直流输出给负载；
所述充电单元，用于对能量存贮装置进行充电；
所述电能存储装置，用于存贮电能；
所述放电单元，将电能存贮装置存贮的电能进行变换得到期望的直流供给负载；
所述充电单元、电能存储装置、放电单元构成能量存储子系统，能量存储子系统与直接功率变换单元并联。
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