CN106809060A - 轨道交通系统的牵引电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通系统的牵引电源系统及其控制方法，所述方法包括以下步骤：在接收到列车的启动信号后，获取储能单元的荷电状态并对其进行判断；如果储能单元的荷电状态处于预设范围内，则允许列车启动运行，并在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，并控制双向整流器以恒定直流电流模式运行，以通过双向整流器给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器对列车进行制动功率回收，其中，双向整流器的恒流目标值等于列车的工作电流值。该方法通过控制储能单元的输出电流为0，能够保证直流接触网的电压恒定，而且，双向整流器以恒定直流电流模式运行，动态响应速度快、输出电压波动范围小。

Description

轨道交通系统的牵引电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及牵引系统技术领域，特别涉及一种轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法、一种轨道交通系统的牵引电源系统以及一种具有该电源系统的轨道交通系统。

背景技术

伴随着不可再生能源的日益枯竭，以及环境污染的日益严重，城市轨道交通得以迅速发展。目前，城市轨道交通采用直流牵引供电方式，采用12脉波或者24脉波不可控整流器提供电压等级为DC750V和DC1500V两种直流电，给列车供电。

为了维持直流接触网电压的稳定，同时，由于不可控整流器具有单向流动特性，针对列车制动能量的处理，相关技术中采用电阻消耗型、回馈型以及回馈储能混合型等多种技术方案。其中，电阻消耗型是将列车的制动能量全部通过电阻发热消耗，这将造成能源的极大浪费；回馈储能混合型的系统结构过于复杂，控制难度较大，而且由于是回馈支路和储能支路共同作用才能保障直流接触网的电压稳定，当回馈支路的回馈变流器和储能支路中的DC-DC变换器中任意一个发生故障时，将无法满足列车的供电需求。

另外，由于采用不可控整流器给列车供电，当直流接触网的电压不在设定范围时才开始启动补偿，将导致直流接触网的电压波动大，动态响应速度慢，从而导致供电质量差。

因此，需要对城市轨道交通的电源供电系统进行改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，该方法通过控制储能单元的输出电流为0，能够保证直流接触网的电压恒定，而且，双向整流器以恒定直流电流模式运行，动态响应速度快、输出电压波动范围小。

本发明的另一个目的在于提出一种轨道交通系统的牵引电源系统。

本发明的又一个目的在于提出一种轨道交通系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，所述牵引电源系统包括整流组件和储能单元，所述整流组件包括变压器和双向整流器，所述变压器的原边与交流电网相连，所述变压器的副边与所述双向整流器的交流侧相连，所述双向整流器的直流侧与直流接触网相连，所述储能单元分别与所述双向整流器的直流侧和所述直流接触网相连，所述控制方法包括以下步骤：在接收到列车的启动信号后，获取所述储能单元的荷电状态，并判断所述储能单元的荷电状态是否处于预设范围内；如果所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内，则允许所述列车启动运行，并在所述列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制所述储能单元的输出电流为0以使所述直流接触网的电压保持恒定，并控制所述双向整流器以恒定直流电流模式运行以通过所述双向整流器给所述列车提供牵引功率，或者通过所述双向整流器对所述列车进行制动功率回收，其中，在所述双向整流器以恒定直流电流模式运行时，所述双向整流器的恒流目标值等于所述列车的工作电流值。

根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，在接收到列车的启动信号后，获取储能单元的荷电状态并对其进行判断，如果储能单元的荷电状态处于预设范围内，则允许列车启动运行。在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，从而可以保证直流接触网的电压恒定，同时，控制双向整流器以恒定直流电流模式运行，以通过双向整流器给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器对列车进行制动功率回收，不仅动态响应速度快，而且输出电压波动范围小。

根据本发明的一个实施例，在所述列车启动运行之前，还包括：如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，则通过控制所述双向整流器以使所述储能单元放电至所述交流电网；如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，则通过控制所述双向整流器以使所述交流电网给所述储能单元充电。

根据本发明的一个实施例，当所述列车出现牵引过载时，控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许放电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同给所述列车提供牵引功率。

根据本发明的一个实施例，当所述列车处于正常牵引状态时，如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，则控制所述储能单元放电，所述储能单元和所述双向整流器共同为所述列车提供牵引功率，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内；如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，则控制所述双向整流器为所述列车提供牵引功率的同时给所述储能单元充电，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内。

根据本发明的一个实施例，当所述列车处于紧急制动状态时，控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许充电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同进行制动功率回收。

根据本发明的一个实施例，上述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，还包括：当所述列车处于停止运行阶段时，控制所述双向整流器以恒定交流电流模式运行，以对所述交流电网进行无功补偿。

根据本发明的一个实施例，上述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，还包括：当所述交流电网出现供电中断或者所述双向整流器出现故障时，所述列车的牵引功率由所述储能单元提供、且所述列车的制动功率由所述储能单元吸收；当所述储能单元出现故障且所述储能单元从所述直流接触网断开时，控制所述双向整流器的运行模式由所述恒定直流电流模式切换至恒定直流电压模式，其中，在所述双向整流器以恒定直流电压模式运行时，所述双向整流器的恒压目标值等于所述直流接触网的预设标准电压。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种轨道交通系统的牵引电源系统，包括：整流组件，所述整流组件包括变压器和双向整流器，所述变压器的原边与交流电网相连，所述变压器的副边与所述双向整流器的交流侧相连，所述双向整流器的直流侧与直流接触网相连；储能单元，所述储能单元分别与所述双向整流器的直流侧和所述直流接触网相连；控制单元，所述控制单元分别与所述双向整流器和所述储能单元相连，所述控制单元用于在接收到列车的启动信号后，获取所述储能单元的荷电状态，并判断所述储能单元的荷电状态是否处于预设范围内，其中，如果所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内，所述控制单元则允许所述列车启动运行，并在所述列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制所述储能单元的输出电流为0以使所述直流接触网的电压保持恒定，并控制所述双向整流器以恒定直流电流模式运行以通过所述双向整流器给所述列车提供牵引功率，或者通过所述双向整流器对所述列车进行制动功率回收，其中，在所述双向整流器以恒定直流电流模式运行时，所述双向整流器的恒流目标值等于所述列车的工作电流值。

根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统，在接收到列车的启动信号后，控制模块获取储能单元的荷电状态，并对其进行判断，当储能单元的荷电状态处于预设范围内时，允许列车启动运行，并在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，从而可以保证直流接触网的电压恒定，同时，控制双向整流器以恒定直流电流模式运行，以通过双向整流器给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器对列车进行制动功率回收，不仅动态响应速度快，而且输出电压波动范围小。而且该系统采用的是全控型双向整流器+储能结构，无回馈支路，储能单元中也无双向DC-DC变换器，储能单元直接与直流接触网相连，结构简单、维护方便。

根据本发明的一个实施例，在所述列车启动运行之前，如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，所述控制单元则通过控制所述双向整流器以使所述储能单元放电至所述交流电网；如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，所述控制单元则通过控制所述双向整流器以使所述交流电网给所述储能单元充电。

根据本发明的一个实施例，当所述列车出现牵引过载时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许放电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同给所述列车提供牵引功率。

根据本发明的一个实施例，当所述列车处于正常牵引状态时，如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，所述控制单元则控制所述储能单元放电，所述储能单元和所述双向整流器共同为所述列车提供牵引功率，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内；如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，所述控制单元则控制所述双向整流器为所述列车提供牵引功率的同时给所述储能单元充电，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内。

根据本发明的一个实施例，当所述列车处于紧急制动状态时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许充电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同进行制动功率回收。

根据本发明的一个实施例，当所述列车处于停止运行阶段时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器以恒定交流电流模式运行，以对所述交流电网进行无功补偿。

根据本发明的一个实施例，当所述交流电网出现供电中断或者所述双向整流器出现故障时，所述列车的牵引功率由所述储能单元提供、且所述列车的制动功率由所述储能单元吸收；当所述储能单元出现故障且所述储能单元从所述直流接触网断开时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器的运行模式由所述恒定直流电流模式切换至恒定直流电压模式，其中，在所述双向整流器以恒定直流电压模式运行时，所述双向整流器的恒压目标值等于所述直流接触网的预设标准电压。

此外，本发明的实施例还提出了一种轨道交通系统，其包括上述的轨道交通系统的牵引电源系统。

本发明实施例的轨道交通系统，通过上述的轨道交通系统的牵引电源系统，在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，保证直流接触网的电压恒定，而且双向整流器以恒定直流电流模式运行，动态响应速度快、输出电压波动范围小，能够保证列车的安全、稳定可靠运行。

附图说明

图1是根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统的方框示意图；

图2是根据本发明一个实施例的轨道交通系统的牵引电源系统的方框示意图；

图3是根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法、轨道交通系统的牵引电源系统以及具有该电源系统的轨道交通系统。

图1和图2是根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统的方框示意图，图3是根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法的流程图。

如图1所示，牵引电源系统可包括整流组件和储能单元，整流组件包括变压器和双向整流器，变压器的原边与交流电网相连，变压器的副边与双向整流器的交流侧相连，双向整流器的直流侧与直流接触网相连，储能单元分别与双向整流器的直流侧和直流接触网相连。

具体地，变压器可采用传统的大功率电力变压器。双向整流器可采用能量能够双向流动的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)全控型双向整流型拓扑，可选择两电平、三电平或多电平结构。储能单元可以为蓄电池组，蓄电池组可由锂电池、钒电池或者铅酸电池等可重复充电电池构成。为了方便对蓄电池组的管理，如图2所示，牵引电源系统还可以包括电池管理器，由电池管理器采样蓄电池组的荷电状态、电压、电流以及温度等信息，并负责蓄电池组的启停、均衡以及保护等功能，并且，电池管理器还经通讯线路与控制单元相连，以将采样的蓄电池组的信息和工作状态发送至控制单元。

控制单元实时监测双向整流器的交直流电压电流信息、直流接触网的电压以及储能单元的工作状态、输出电流和荷电状态，并综合判断处理以产生控制信号驱动双向整流器工作，实现交直流电压的转换。其中，控制单元可采用全控型PWM整流方式对双向整流器的输出电压和电流进行闭环主动控制，相比较于不可控整流方式，能够显著提高电压的动态响应速度、减小电压的波动范围。

如图3所示，该轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法可包括以下步骤：

S1，在接收到列车的启动信号后，获取储能单元的荷电状态，并判断储能单元的荷电状态是否处于预设范围内。

具体而言，为满足列车牵引及制动全工况运行时直流接触网的电压要求，需要对储能单元的容量及初始荷电状态进行合理选择和设定，保证储能单元的荷电状态在某一小范围内时，储能单元的电压基本保持恒定，并且该电压与直流接触网的电压相匹配。也就是说，当储能单元的荷电状态处于某一预设范围时，储能单元的电压保持在DC750V或者DC1500V基本不变。

S2，如果储能单元的荷电状态处于预设范围内，则允许列车启动运行，并在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0以使直流接触网的电压保持恒定，并控制双向整流器以恒定直流电流模式运行以通过双向整流器给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器对列车进行制动功率回收，其中，在双向整流器以恒定直流电流模式运行时，双向整流器的恒流目标值等于列车的工作电流值。

具体地，对于牵引电源而言，最重要的要求是在任何时候都能够维持直流接触网电压稳定，保证列车正常运行。在本发明的实施例中，通过双向整流器和储能单元相互配合，以实现直流接触网电压稳定的目的。

具体而言，根据电池特性，当电池作为电压源，在未进行充放电时，其输出电压将保持稳定。因此，可以通过控制储能单元(如蓄电池组)的输出电流为0来保证其输出电压恒定，并且该输出电压与直流接触网所需电压一致。另外，根据基尔霍夫电流定律可知，列车的工作电流值＝储能单元的输出电流+双向整流器的输出电流，如果保持储能单元的输出电流为0，那么双向整流器的输出电流将等于列车的工作电流值，即由储能单元来保证直流接触网的电压稳定，同时由双向整流器负责给列车提供牵引功率以及对列车的制动功率进行回收。

由于恒定直流电流模式是指通过一定的算法控制使得双向整流器的输出电流达到预期的电流值，例如，可采用传统的PI(Proportional Integral，比例积分)双环控制，配合重复控制算法等进行调节以获得调节输出量，然后通过SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulation，正弦脉冲宽度调制)或SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)等调制算法对调节输出量进行调节，得到调制波信号，通过该调制波信号驱动双向整流器得到预期的电流值。因此，双向整流器将以恒定直流电流模式运行，并且以恒定直流电流模式运行时的恒流目标值等于列车的工作电流值。从而保证列车安全、可靠的运行。

进一步地，作为一个具体示例。在接收到列车的启动信号后，控制单元通过电池管理器获取蓄电池组的荷电状态，并判断蓄电池组的荷电状态是否处于预设范围内，即判断蓄电池组的输出电压是否满足直流接触网的电压要求。如果满足，允许列车开始启动运行。

在允许列车开始启动运行后，列车首先进入牵引启动加速状态，列车所需牵引功率逐渐增大，控制单元将控制双向整流器的恒流目标值跟随列车的工作电流值，以实现列车的牵引功率由双向整流器提供，而蓄电池组基本不输出功率，在此过程中，直流接触网电压稳定。当列车处于牵引均速状态时，列车所需牵引功率较小且基本保持恒定，列车所需牵引功率完全由双向整流器提供，在此过程中，直流接触网电压稳定。当列车处于正常减速制动状态时，能量由列车反向流动到直流接触网，直流接触网的电压将升高，此时双向整流器的恒流目标值等于列车的工作电流值，列车的制动能量全部通过双向整流器回馈至交流电网，而蓄电池组不吸收制动能量，在此过程中，直流接触网电压稳定。

因此，根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，从系统的整体结构来看，采用的是全控型双向整流器+储能结构，无回馈支路，储能单元中也无双向DC-DC变换器，储能单元直接与直流接触网相连，结构简单、维护方便；从控制方法来看，在正常牵引和制动状态，储能单元的输出电流为0，可以保证直流接触网的电压恒定，而且，双向整流器以恒定直流电流模式运行，动态响应速度快、输出电压波动范围小。

进一步地，根据本发明的一个实施例，在列车启动运行之前，还包括：如果储能单元的荷电状态高于预设范围的上限值，则通过控制双向整流器以使储能单元放电至交流电网；如果储能单元的荷电状态低于预设范围的下限值，则通过控制双向整流器以使交流电网给储能单元充电。

也就是说，在接收到列车的启动信号后，首先对储能单元进行充放电，以使储能单元的输出电压与直流接触网的电压一致。

具体而言，在接收到列车的启动信号后，首先进入牵引电源启动阶段，即，判断储能单元的荷电状态是否处于预设范围内。如果储能单元的荷电状态高于预设范围的上限值，则通过控制双向整流器以使储能单元放电至交流电网，直至储能单元的荷电状态处于预设范围内，牵引电源启动完成，允许列车启动运行；如果储能单元的荷电状态低于预设范围的下限值，则通过控制双向整流器以使交流电网给储能单元充电，直至储能单元的荷电状态处于预设范围内，牵引电源启动完成，允许列车启动运行。从而在储能单元的输出电压与直流接触网的电压一致时，才允许列车启动运行，保证列车运行的可靠性。

另外，考虑到列车牵引会存在一定的过载现象，例如，当列车的实载量较大时，在列车启动以及爬坡时，容易出现过载现象，此时仅由双向整流器给列车提供牵引功率，很有可能无法满足列车所需牵引功率需求。因此，当双向整流器以最大允许放电电流运行仍然无法满足列车的牵引功率需求时，双向整流器将以最大允许放电电流作为恒流目标值运行于限流模式，同时储能单元的输出电流增大，以给列车自动提供不足功率。

即言，在本发明的一个实施例中，当列车出现牵引过载时，控制双向整流器以双向整流器的最大允许放电电流作为恒流目标值运行，以通过交流电网和储能单元共同给列车提供牵引功率。在此过程中，直流接触网的电压会有一定降低，然后恢复至预设范围内。

进一步地，列车也会存在紧急制动的情况，根据本发明的一个实施例，当列车处于紧急制动状态时，控制双向整流器以双向整流器的最大允许充电电流作为恒流目标值运行，以通过交流电网和储能单元共同进行制动功率回收。

具体而言，当列车处于紧急制动状态时，瞬间反向功率远大于额定功率，列车的工作电流值将大于双向整流器的最大允许充电电流，超出双向整流器的输出能力，因而无法将制动能量完全回馈到交流电网。此时，双向整流器将以最大允许充电电流作为恒流目标值运行于限流模式，剩余部分能量会被储能单元自动吸收。从而通过储能单元和双向整流器配合完成制动能量的回收。在此过程中，直流接触网的电压相对于正常运行时的电压会略微上升，但仍在正常允许范围内。

从上述分析可知，列车运行过程中，会出现牵引过载状态和紧急制动状态，而在牵引过载状态下，储能单元参与列车的牵引，在紧急制动状态下，储能单元参与列车的制动能量回收，因此储能单元的荷电状态会有所变化，通常情况下，储能单元的荷电状态仍在正常运行范围内，但是不排除一些特殊情况以及其它情况等。因此，在列车运行过程中，还实时判断储能单元的荷电状态是否处于预设范围内，如果不在预设范围内，则需要在保证列车正常运行的条件下对储能单元的荷电状态进行调节。

在本发明的一个实施例中，当列车处于正常牵引状态时，如果储能单元的荷电状态高于预设范围的上限值，则控制储能单元放电，储能单元和双向整流器共同为列车提供牵引功率，直至储能单元的荷电状态处于预设范围内；如果储能单元的荷电状态低于预设范围的下限值，则控制双向整流器为列车提供牵引功率的同时给储能单元充电，直至储能单元的荷电状态处于预设范围内。

具体而言，当列车处于正常牵引状态时，如果检测到直流接触网电压及储能单元的荷电状态均超出预设范围时，可以通过主动改变双向整流器的恒流目标值来改变储能单元的充放电状态，以使直流接触网电压及储能单元的荷电状态恢复到正常预设范围。

例如，当储能单元的荷电状态高于预设范围的上限值时，双向整流器的恒流目标值＝列车的工作电流值-ΔI，即列车的牵引功率由双向整流器单独提供变为双向整流器和储能单元共同提供，储能单元放电，其放电电流为ΔI；当储能单元的荷电状态低于预设范围的下限值时，双向整流器的恒流目标值＝列车的工作电流值+ΔI，即双向整流器的输出功率在满足列车所需牵引功率的基础上，还需要向储能单元补充电能，储能单元充电，其充电电流为ΔI。从而保证整个运行过程中直流接触网的电压基本恒定，保证列车安全可靠运行。

特别的，当列车处于正常减速制动状态时，也可以通过修改双向整流器的恒流目标值小于列车的工作电流值，以将系统配置为大部分制动能量通过双向整流器回馈到电网，而剩余很少一部分能量由储能单元吸收，以在储能单元的荷电状态稍微有所下降时，进行电量的及时补充，保证直流接触网电压的稳定。

图4是根据本发明一个实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法的流程图。如图4所示，该轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法可包括以下步骤：

S101，接收到启动运行信号。

S102，判断蓄电池组的荷电状态SOC是否处于预设范围内。如果是，执行步骤S105；如果高于预设范围的上限值，则执行步骤S103；如果低于预设范围的下限值，则执行步骤S104。

S103，双向整流器的恒流目标值为正，即由交流电网给蓄电池组充电。

S104，双向整流器的恒流目标值为负，即将蓄电池组的多余电量反馈至交流电网。

S105，牵引电源启动完成，允许列车启动运行。当列车正常牵引与制动：双向整流器以恒定直流电流模式运行，其恒流目标值＝列车的工作电流值。

S106，列车牵引过载：双向整流器的恒流目标值＝最大允许放电电流，不足功率由蓄电池组补充。

S107，列车紧急制动：双向整流器的恒流目标值＝最大允许充电电流，多余制动功率由蓄电池组吸收。

因此，根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，在列车启动运行之前，通过交流电网对储能单元充电，或者将储能单元多余的电量回馈至交流电网，以使储能单元的荷电状态处于预设范围内时，才允许列车启动运行，保证列车的安全可靠的启动。并且，在列车处于牵引过载状态、紧急制动状态以及正常牵引状态时，通过储能单元和双向整流器的相互配合，使得列车能够安全可靠运行。

进一步地，根据本发明的一个实施例，当列车处于停止运行阶段时，控制双向整流器以恒定交流电流模式运行，以对交流电网进行无功补偿。

具体而言，当列车处于夜间停止运行时段时，可以根据交流电网电压情况，通过双向整流器进行交流电网无功功率的补偿，此时，双向整流器的工作模式由恒定直流电流模式切换为恒定交流电流模式，其中，在双向整流器以恒定交流电流模式运行时，交流电流目标值可通过通讯系统获取。

由于轻轨交通相较于地铁列车而言，区间存在有大量的高架桥，当交流电网断电时，如果列车正处于高架桥上，乘客难以疏散，容易引发群体性恐慌事件，为了缓解乘客恐慌情绪，需要列车能够继续行驶至安全区域，因此轻轨交通对于牵引电源的供电可靠性有着很高的要求。

根据本发明的一个实施例，当交流电网出现供电中断或者双向整流器出现故障时，列车的牵引功率由储能单元提供、且列车的制动功率由储能单元吸收；当储能单元出现故障且储能单元从直流接触网断开时，控制双向整流器的运行模式由恒定直流电流模式切换至恒定直流电压模式，其中，在双向整流器以恒定直流电压模式运行时，双向整流器的恒压目标值等于直流接触网的预设标准电压。

其中，恒定直流电压模式是指通过一定的算法控制使得双向整流器的输出电压达到预期的电压值，例如，可采用传统的PI双环控制，配合重复控制算法等进行调节以获得调节输出量，然后通过SPWM或SVPWM等调制算法对调节输出量进行调节，得到调制波信号，通过该调制波信号驱动双向整流器得到预期的电压值。

具体而言，当交流电网因各种恶劣条件出现供电中断，或者双向整流器出现故障无法正常运行时，列车牵引所需功率完全由储能单元提供，列车制动能量也完全由储能单元吸收，并且，根据列车启停工况，储能单元被动释放或者吸收功率。因此，在对储能单元的容量进行配置时，在满足正常工况下牵引和制动能量吸收的前提下，可以根据特殊工况下实际需求选配大容量的储能单元，以延长交流电网停电时列车运行时间。

当储能单元出现异常并从直流接触网断开后，迅速将双向整流器的工作模式由恒定直流电流模式切换到恒定直流电压模式，即从恒定储能单元输出端电流模式切换到恒定双向整流器直流输出端电压，此时，双向整流器负责稳定直流接触网电压，恒压目标值为直流接触网的预设标准电压，如750V或1500V。当列车处于牵引状态时，能量从交流电网流向直流接触网；当列车处于制动状态时，能量从直流接触网回馈到交流电网。

需要说明的是，在储能单元故障情况下，双向整流器能够保障列车的基本运行功能，但在供电性能上有所降低，即在列车启动和制动过程中，直接接触网的电压波动会加大。因此，可以作为应急使用以保障城市交通，等待夜间或者客流量低谷期再进行设备维修。

因此，根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，当单模块损坏时，电源系统仍然能够正常运行一段时间。例如，当双向整流器故障时，仍然能够通过储能单元输出功率带动列车运行，避免在恶劣情况下乘客出现进一步恐慌，进一步提高轨道交通可靠性和适应性；当储能单元故障时，可由双向整流器独立牵引和回馈制动能量，提高系统的适应性。

综上所述，根据本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，在接收到列车的启动信号后，获取储能单元的荷电状态并对其进行判断，如果储能单元的荷电状态处于预设范围内，则允许列车启动运行。在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，从而可以保证直流接触网的电压恒定，同时，控制双向整流器以恒定直流电流模式运行，以通过双向整流器给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器对列车进行制动功率回收，不仅动态响应速度快，而且输出电压波动范围小。

下面来详细描述本发明实施例提出的轨道交通系统的牵引电源系统。

如图1所示，该轨道交通系统的牵引电源系统可包括：整流组件10、储能单元20和控制单元30。

其中，整流组件10包括变压器11和双向整流器12，变压器11的原边与交流电网相连，变压器11的副边与双向整流器12的交流侧相连，双向整流器12的直流侧与直流接触网相连。储能单元20储能单元20分别与双向整流器12的直流侧和直流接触网相连。控制单元30分别与双向整流器12和储能单元20相连，控制单元30用于在接收到列车的启动信号后，获取储能单元20的荷电状态，并判断储能单元20的荷电状态是否处于预设范围内。

如果储能单元20的荷电状态处于预设范围内，控制单元30则允许列车启动运行，并在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元20的输出电流为0以使直流接触网的电压保持恒定，并控制双向整流器12以恒定直流电流模式运行以通过双向整流器12给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器12对列车进行制动功率回收，其中，在双向整流器12以恒定直流电流模式运行时，双向整流器12的恒流目标值等于列车的工作电流值。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，储能单元20可以为蓄电池组21，牵引电源系统还可以包括电池管理器22，电池管理器22用于采样蓄电池组21的荷电状态、电压、电流以及温度等信息，并负责蓄电池组21的启停、均衡以及保护等功能，并且，电池管理器22还经通讯线路与控制单元30相连，以将采样的蓄电池组21的信息和工作状态发送至控制单元30。

根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统，从系统整体结构来看，采用的是全控型双向整流器+储能结构，无回馈支路，储能单元中也无双向DC-DC变换器，储能单元直接与直流接触网相连，结构简单、维护方便；从控制策略来看，在正常牵引和制动状态，储能单元的输出电流为0，可以保证直流接触网的电压恒定，而且，双向整流器以恒定直流电流模式运行，动态响应速度快、输出电压波动范围小。

根据本发明的一个实施例，在列车启动运行之前，如果储能单元20的荷电状态高于预设范围的上限值，控制单元30则通过控制双向整流器12以使储能单元20放电至交流电网；如果储能单元20的荷电状态低于预设范围的下限值，控制单元30则通过控制双向整流器12以使交流电网给储能单元20充电。

根据本发明的一个实施例，当列车出现牵引过载时，控制单元30还用于控制双向整流器12以双向整流器12的最大允许放电电流作为恒流目标值运行，以通过交流电网和储能单元20共同给列车提供牵引功率。

根据本发明的一个实施例，当列车处于紧急制动状态时，控制单元30还用于控制双向整流器12以双向整流器12的最大允许充电电流作为恒流目标值运行，以通过交流电网和储能单元20共同进行制动功率回收。

根据本发明的一个实施例，当列车处于正常牵引状态时，如果储能单元20的荷电状态高于预设范围的上限值，控制单元30则控制储能单元20放电，储能单元20和双向整流器12共同为列车提供牵引功率，直至储能单元20的荷电状态处于预设范围内；如果储能单元20的荷电状态低于预设范围的下限值，控制单元30则控制双向整流器12为列车提供牵引功率的同时给储能单元20充电，直至储能单元20的荷电状态处于预设范围内。

根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统，在列车启动运行之前，通过交流电网对储能单元充电，或者将储能单元多余的电量回馈至交流电网，以使储能单元的荷电状态处于预设范围内时，才允许列车启动运行，保证列车的安全可靠的启动。并且，在列车处于牵引过载状态、紧急制动状态以及正常牵引状态时，通过储能单元和双向整流器的相互配合，使得列车能够安全可靠运行。

根据本发明的一个实施例，当列车处于停止运行阶段时，控制单元30还用于控制双向整流器12以恒定交流电流模式运行，以对交流电网进行无功补偿。

根据本发明的一个实施例，当交流电网出现供电中断或者双向整流器12出现故障时，列车的牵引功率由储能单元20提供、且列车的制动功率由储能单元20吸收；当储能单元20出现故障且储能单元20从直流接触网断开时，控制单元30还用于控制双向整流器12的运行模式由恒定直流电流模式切换至恒定直流电压模式，其中，在双向整流器12以恒定直流电压模式运行时，双向整流器12的恒压目标值等于直流接触网的预设标准电压。

根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统，当单模块损坏时，电源系统仍然能够正常运行一段时间。例如，当双向整流器故障时，仍然能够通过储能单元输出功率带动列车运行，避免在恶劣情况下乘客出现进一步恐慌，进一步提高轨道交通可靠性和适应性；当储能单元故障时，可由双向整流器独立牵引和回馈制动能量，提高系统的适应性。

需要说明的是，在本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统中未披露的细节，请参见本发明实施例的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法中所描述的细节，具体这里不再赘述。

根据本发明实施例的轨道交通系统的牵引电源系统，在接收到列车的启动信号后，获取储能单元的荷电状态并对其进行判断，如果储能单元的荷电状态处于预设范围内，则允许列车启动运行。在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，从而可以保证直流接触网的电压恒定，同时，控制双向整流器以恒定直流电流模式运行，以通过双向整流器给列车提供牵引功率，或者通过双向整流器对列车进行制动功率回收，不仅动态响应速度快，而且输出电压波动范围小。而且，该系统采用的是全控型双向整流器+储能结构，无回馈支路，储能单元中也无双向DC-DC变换器，储能单元直接与直流接触网相连，结构简单、维护方便。

此外，本发明的实施例还提出了一种轨道交通系统，其包括上述的轨道交通系统的牵引电源系统。其中，牵引电源系统在前面已经具体描述，这里不再赘述。

本发明实施例的轨道交通系统，通过上述的轨道交通系统的牵引电源系统，在列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制储能单元的输出电流为0，保证直流接触网的电压恒定，而且双向整流器以恒定直流电流模式运行，动态响应速度快、输出电压波动范围小，能够保证列车的安全、稳定可靠运行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，所述牵引电源系统包括整流组件和储能单元，所述整流组件包括变压器和双向整流器，所述变压器的原边与交流电网相连，所述变压器的副边与所述双向整流器的交流侧相连，所述双向整流器的直流侧与直流接触网相连，所述储能单元分别与所述双向整流器的直流侧和所述直流接触网相连，所述控制方法包括以下步骤：

在接收到列车的启动信号后，获取所述储能单元的荷电状态，并判断所述储能单元的荷电状态是否处于预设范围内；

如果所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内，则允许所述列车启动运行，并在所述列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制所述储能单元的输出电流为0以使所述直流接触网的电压保持恒定，并控制所述双向整流器以恒定直流电流模式运行以通过所述双向整流器给所述列车提供牵引功率，或者通过所述双向整流器对所述列车进行制动功率回收，其中，在所述双向整流器以恒定直流电流模式运行时，所述双向整流器的恒流目标值等于所述列车的工作电流值。

2.如权利要求1所述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，在所述列车启动运行之前，还包括：

如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，则通过控制所述双向整流器以使所述储能单元放电至所述交流电网；

如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，则通过控制所述双向整流器以使所述交流电网给所述储能单元充电。

3.如权利要求1或2所述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，当所述列车出现牵引过载时，控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许放电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同给所述列车提供牵引功率。

4.如权利要求3所述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，当所述列车处于正常牵引状态时，

如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，则控制所述储能单元放电，所述储能单元和所述双向整流器共同为所述列车提供牵引功率，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内；

如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，则控制所述双向整流器为所述列车提供牵引功率的同时给所述储能单元充电，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内。

5.如权利要求1或2所述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，当所述列车处于紧急制动状态时，控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许充电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同进行制动功率回收。

6.如权利要求1所述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述列车处于停止运行阶段时，控制所述双向整流器以恒定交流电流模式运行，以对所述交流电网进行无功补偿。

7.如权利要求1所述的轨道交通系统中牵引电源系统的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述交流电网出现供电中断或者所述双向整流器出现故障时，所述列车的牵引功率由所述储能单元提供、且所述列车的制动功率由所述储能单元吸收；

当所述储能单元出现故障且所述储能单元从所述直流接触网断开时，控制所述双向整流器的运行模式由所述恒定直流电流模式切换至恒定直流电压模式，其中，在所述双向整流器以恒定直流电压模式运行时，所述双向整流器的恒压目标值等于所述直流接触网的预设标准电压。

8.一种轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，包括：

整流组件，所述整流组件包括变压器和双向整流器，所述变压器的原边与交流电网相连，所述变压器的副边与所述双向整流器的交流侧相连，所述双向整流器的直流侧与直流接触网相连；

储能单元，所述储能单元分别与所述双向整流器的直流侧和所述直流接触网相连；

控制单元，所述控制单元分别与所述双向整流器和所述储能单元相连，所述控制单元用于在接收到列车的启动信号后，获取所述储能单元的荷电状态，并判断所述储能单元的荷电状态是否处于预设范围内，其中，如果所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内，所述控制单元则允许所述列车启动运行，并在所述列车处于正常牵引状态或正常制动状态时，控制所述储能单元的输出电流为0以使所述直流接触网的电压保持恒定，并控制所述双向整流器以恒定直流电流模式运行以通过所述双向整流器给所述列车提供牵引功率，或者通过所述双向整流器对所述列车进行制动功率回收，其中，在所述双向整流器以恒定直流电流模式运行时，所述双向整流器的恒流目标值等于所述列车的工作电流值。

9.如权利要求8所述的轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，在所述列车启动运行之前，

如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，所述控制单元则通过控制所述双向整流器以使所述储能单元放电至所述交流电网；

如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，所述控制单元则通过控制所述双向整流器以使所述交流电网给所述储能单元充电。

10.如权利要求8或9所述的轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，当所述列车出现牵引过载时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许放电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同给所述列车提供牵引功率。

11.如权利要求10所述的轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，当所述列车处于正常牵引状态时，

如果所述储能单元的荷电状态高于所述预设范围的上限值，所述控制单元则控制所述储能单元放电，所述储能单元和所述双向整流器共同为所述列车提供牵引功率，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内；

如果所述储能单元的荷电状态低于所述预设范围的下限值，所述控制单元则控制所述双向整流器为所述列车提供牵引功率的同时给所述储能单元充电，直至所述储能单元的荷电状态处于所述预设范围内。

12.如权利要求8或9所述的轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，当所述列车处于紧急制动状态时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器以所述双向整流器的最大允许充电电流作为所述恒流目标值运行，以通过所述交流电网和所述储能单元共同进行制动功率回收。

13.如权利要求8所述的轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，当所述列车处于停止运行阶段时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器以恒定交流电流模式运行，以对所述交流电网进行无功补偿。

14.如权利要求8所述的轨道交通系统的牵引电源系统，其特征在于，

当所述交流电网出现供电中断或者所述双向整流器出现故障时，所述列车的牵引功率由所述储能单元提供、且所述列车的制动功率由所述储能单元吸收；

当所述储能单元出现故障且所述储能单元从所述直流接触网断开时，所述控制单元还用于控制所述双向整流器的运行模式由所述恒定直流电流模式切换至恒定直流电压模式，其中，在所述双向整流器以恒定直流电压模式运行时，所述双向整流器的恒压目标值等于所述直流接触网的预设标准电压。

15.一种轨道交通系统，其特征在于，包括如权利要求8-14中任一项所述的轨道交通系统的牵引电源系统。