CN107215245B - 能量自循环的接触网融冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能量自循环的接触网融冰系统，包括N组变电机构，每组所述变电机构包括整流机组和能馈装置，N为大于等于1的任意整数；所述整流机组的两侧分别连接至中压环网与直流接触网，所述能馈装置的两侧分别连接至中压环网与直流接触网；在第一状态下，其中一个变电机构的整流机组、直流接触网的待融冰区段、另一个变电机构的能馈装置，以及中压环网的对应区段形成能量循环，且所述待融冰区段的电流不小于临界融冰电流值。

Description

能量自循环的接触网融冰系统

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种能量自循环的接触网融冰系统。

背景技术

接触网是城市轨道交通牵引供电系统的重要组成部分，它是沿着钢轨上方悬挂的为列车提供电能的输电线路。接触网覆冰是指水滴遇到冷空气后凝结在接触线上，造成大面积接触线被冰包住的现象。

目前常用的轨道交通接触网融冰方法包括：人工除冰法、接触网热滑和化学药剂方法，这些方法耗时费力，且融冰效果差。为此，现有相关技术中，还采用了内置电阻丝加热除冰的方法以及另行外置融冰装置进行热力融冰的方法。

此类方式下，需要在接触网上另行配置电阻丝或融冰装置，用于单独提供热力，为满足所有可能覆冰区段的融冰需求，所配置的电阻丝或融冰装置将覆盖直流接触网的所有区段，成本较高。

发明内容

本发明提供一种接触网融冰系统，以解决成本较高的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种能量自循环的接触网融冰系统，包括N组变电机构，每组所述变电机构包括整流机组和能馈装置，N为大于等于1的任意整数；所述整流机组的两侧分别连接至中压环网与直流接触网，所述能馈装置的两侧分别连接至中压环网与直流接触网；

在第一状态下，其中一个变电机构的整流机组、直流接触网的待融冰区段、另一个变电机构的能馈装置，以及中压环网的对应区段形成能量循环，且所述待融冰区段的电流不小于临界融冰电流值。

可选的，所述直流接触网的待融冰区段包括上行线路的待融冰区段和/或下行线路的待融冰区段。

可选的，所述整流机组的第一侧连接至所述中压环网，所述整流机组的第二侧通过第一开关连接直流接触网的上行线路，所述整流机组的第二侧还通过第二开关连接直流接触网的下行线路；

所述能馈装置的第一侧连接至所述中压环网，所述能馈装置的第二侧通过第一开关连接所述上行线路，所述能馈装置的第二侧通过第二开关连接所述下行线路。

可选的，在第二状态下，所述整流机组还用于将所述中压环网的交流电降压并转化成直流电，并为直流接触网的上行线路或下行线路供应工作直流电源。

可选的，在第三状态下，所述能馈装置还用于将直流接触网的上行线路或下行线路的制动产生的直流电转化为交流电，并传送至所述中压环网。

可选的，所述能馈装置包括逆变器、控制器和空间矢量脉宽调制SVPWM调制模块；

所述控制器用于在第一状态下，根据所述临界融冰电流值获得驱动信号，并向所述SVPWM调制模块发送所述驱动信号；

所述SVPWM调制模块用于在第一状态下，根据所述驱动信号调节所述逆变器的输出功率。

可选的，所述控制器具体用于根据d轴电流环对电流的d轴分量进行闭环控制，从而输出d轴控制电压；通过q轴电流环对电流的q轴分量进行闭环控制，从而输出q轴控制电压；

所述SVPWM调制模块具体用于根据所述d轴控制电压和q轴控制电压调节所述逆变器的输出功率。

可选的，所述逆变器包括三相逆变桥，所述SVPWM调制模块具体用于发送驱动信号至所述三相逆变桥的开关功率器件，以通过所述功率开关器件的通断调节所述逆变器的输出功率。

可选的，所述逆变器还包括三个三相电感，分别连接于所述三相逆变桥的三个输出端。

可选的，每个变电所内设有一个所述变电机构。

本发明提供的接触网融冰系统通过其中一个变电机构的整流机组、直流接触网的待融冰区段、另一个变电机构的能馈装置，以及中压环网的对应区段形成能量循环，为融冰提供了能量，该方案利用接触网本身进行融冰，无需另行配置覆盖直流接触网所有区段的电阻丝或融冰装置，降低了成本。而且，还实现了待融冰区段的针对性融冰，可以有效节约能耗，提高融冰效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一接触网融冰系统的构造示意图；

图2是本发明一能馈装置的构造示意图；

图3是本发明一接触网融冰系统的能量循环示意图；

图4是本发明一逆变器的构造示意图。

附图标记说明：

1-中压环网；

2-直流接触网；21-上行线路；22-下行线路；

3-变电所；

4-整流机组；

5-能馈装置；51-控制器；52-SVPWM调制模块；53-逆变器；531-三相逆变桥；532-三相电感；

6-第二开关；

7-第一开关；

8、9-待融冰区段；

10-能量循环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1是本发明一接触网融冰系统的构造示意图；图3是本发明一接触网融冰系统的能量循环示意图；请参考图1和图3，本实施例提供了一种能量自循环的接触网融冰系统，包括N组变电机构，每组所述变电机构包括整流机组4和能馈装置5，N为大于等于1的任意整数；所述整流机组4的两侧分别连接至中压环网1与直流接触网2，所述能馈装置5的两侧分别连接至中压环网1与直流接触网2；其中一种实施方式中，每个变电所3内设有一个所述变电机构；

在第一状态下，其中一个变电机构的整流机组4、直流接触网2的待融冰区段、另一个变电机构的能馈装置5，以及中压环网1的对应区段形成能量循环10，且所述待融冰区段的电流不小于临界融冰电流值。电流达到临界融冰电流值，可以产生焦耳热量，达到融冰目的。其中，临界融冰电流可以理解为能够实现融冰的最小电流，因此实际融冰电流必须大于临界融冰电流。

待融冰区段，可理解为具有覆冰需要被融化的区段。对于所述区段，可以理解为：每个区段的两端分别连接一个变电机构，相邻的变电机构之间可以划分为一个区段，相隔一个或多个变电机构的两个变电机构之间，也可以划分为一个区段，区段的划分旨在确定所述待融冰区段。在所有区段中，具有覆冰需要被融化的区段，均可理解为待融冰区段，覆冰的部位可以只是待融冰区段中的部分，也可以为全部。其中，待融冰区段对应的变电机构，指的是待融冰区段两端所连接的变电机构；中压环网1的对应区段指的是待融冰区段两端所连接的变电机构之间的中压环网1的区段。

形成能量循环10，指的是电流可以在其中一个变电机构的整流机组4、直流接触网2的待融冰区段、另一个变电机构的能馈装置5，以及中压环网1的对应区段之间流转循环，其为在融冰状态下的工作原理，而非接触网的供电状态。所述的第一状态可以理解为其中一种融冰状态。

对于相同的覆冰厚度和环境条件，所需融冰时间与融冰电流的大小成反比。即融冰电流越大，所需融冰时间越短，融冰效率越高。

该方案利用接触网本身进行融冰，无需另行配置覆盖直流接触网2所有区段的电阻丝或融冰装置，降低了成本。而且，还实现了待融冰区段的针对性融冰，可以有效节约能耗，提高融冰效率。同时，由于无需额外增加硬件设备，其实现简单，融冰效率高，适用的场景相对也较广阔。

其中一种实施方式中，请参考图3，所述直流接触网2的待融冰区段包括上行线路21的待融冰区段8和/或下行线路22的待融冰区段9。由于轨道线路分为上行线和下行线，因此对应的直流接触网2也包括上行线路21和下行线路22，分别为上行和下行的列车提供电力。

请参考图1，并结合图3，所述整流机组4的第一侧连接至所述中压环网1，所述整流机组4的第二侧通过第一开关7连接直流接触网2的上行线路21，所述整流机组4的第二侧还通过第二开关6连接直流接触网2的下行线路22；所述能馈装置5的第一侧连接至所述中压环网1，所述能馈装置5的第二侧通过第一开关7连接所述上行线路21，所述能馈装置5的第二侧通过第二开关6连接所述下行线路22。具体的实施方式中，上行线路21通过断路器第一开关7与变电所3内正母线连接，下行线路22通过第二开关6与变电所3内负母线连接，第一开关7与第二开关6可以为断路器。该方案下，可以分别针对上行线路21和下行线路22进行融冰，使得融冰的过程更具有针对性，可以更有效节约能耗，提高融冰效率。

如果上行线路21与下行线路22都发生覆冰，可以选择对上行线路21与下行线路22轮流进行融冰，也可以同时进行融冰两个变电所3的第一开关7与第二开关6均闭合，区别在于轮流融冰的方案花费时间长，但是所需总融冰电流较小；同时融冰的方案节省时间，但是要求的总融冰电流较大。

图2是本发明一能馈装置的构造示意图；请参考图2，所述能馈装置5包括逆变器53、控制器51和空间矢量脉宽调制SVPWM调制模块52；

所述控制器51用于根据所述临界融冰电流值获得驱动信号，并向所述VPWM调制模块52发送所述驱动信号；在其中一种实施方式中，所述控制器51具体用于根据d轴电流环对电流的d轴分量进行闭环控制，从而输出d轴控制电压；通过q轴电流环对电流的q轴分量进行闭环控制，从而输出q轴控制电压。可见，在融冰模式下，能馈装置5采用一种直接电流环控制模式，以实现能馈装置5容量范围内融冰电流大小的任意可控。

所述SVPWM调制模块52用于根据所述驱动信号调节所述逆变器53的输出功率；在其中一种实施方式中，所述SVPWM调制模块52具体用于根据所述d轴控制电压和q轴控制电压调节所述逆变器53的输出功率。其可以采用基于同步旋转坐标系的电流闭环控制模式，如图2所示，根据所述临界融冰电流值的大小，控制d轴电流环给定值id*，即可实现对能馈装置5逆变输出电流大小的控制，使得能馈装置5体现出可控逆变电流源特性。其中，能馈装置5逆变运行对应的id*符号为负，且绝对值越大，逆变功率也越大。

请参考图3，并结合图1和图2，在具体控制过程中，以上行线路21的融冰为例，包括：

闭合第一开关7，选择一个变电所3的整流机组4与另一个变电所3的能馈装置5，以及中压环网1和直流接触网2，构建一个能量循环通路，如图3中虚线及箭头方向所示。

其次，将所述另一个变电所3中的能馈装置5切换到融冰工作模式下，此时该能馈装置5采用基于同步旋转坐标系的电流闭环控制模式，如图2所示。根据所需融冰电流的大小，控制d轴电流环给定值id*，进而控制该能馈装置5逆变电流(功率)。id*符号为负，且绝对值越大，逆变功率也越大，对应的接触网融冰电流越大。

最后，观察或监测接触网覆冰融化情况，待覆冰完全融化后，关闭变电所3中能馈装置5，并退出融冰模式，并断开第一开关7。

请参考图4，所述逆变器53包括三相逆变桥531，所述SVPWM调制模块52具体用于发送驱动信号至所述三相逆变桥531的开关功率器件，以通过所述功率开关器件的通断调节所述逆变器53的输出功率。其中，所述逆变器53还包括三个三相电感532，分别连接于所述三相逆变桥531的三个输出端。通过脉宽调制技术控制三相逆变桥531输出电压的大小和相位，控制交流电流的大小和相位，进而控制逆变器53传输功率大小。

其中一种实施方式中，所述能馈装置5还包括变压器，所述变压器用于将中压环网1的35kV交流电变换为一个较低的电压，实现与大功率的逆变器53的交流电压的匹配。

其中一种实施方式中，中压环网1可用于连接各变电所3内的整流机组和能馈装置5，并完成交流侧能量的传输和分配。

其中一种实施方式中，整流机组4可以用于实现交流到直流的能量变换，为列车提供所需的750V或1500V直流电源。整流机组4可以包括移相变压器和二极管整流器，可采用12脉波或24脉冲整流方式。能量只能单向传输，输出直流电压不可控，会随着负载的增大而降低。在第二状态下，所述整流机组4还用于将所述中压环网1的交流电降压并转化成直流电，并为直流接触网2的上行线路21或下行线路22供应工作直流电源。

其中一种实施方式中，大功率的逆变器53是能馈装置5的核心，是在脉宽调制技术的基础上发展而来的一种功率变换装置。在第三状态下，能馈装置5还用于将直流接触网2的上行线路21或下行线路22的制动产生的直流电转化为交流电，并传送至所述中压环网1。该方案可以对制动产生的电能进行反馈利用，从而实现一机多用，提高利用率。

整流机组4可用于实现交流到直流的能量变换，为列车提供所需的750V或1500V直流电源；能馈装置5可用于实现列车再生制动能量的回馈再利用，节约能源。直流接触网2可用于为列车传输所需的能量，作为能量输送通道。

在具体应用的过程中，在容易发生接触网覆冰的季节，在每天早上第一列车上线运行之前，应提前投入整流机组和能馈装置5，对接触网覆冰区段进行融冰。确保在列车正式运营之前，接触网覆冰已经完全消除，从而保证列车的正常运行。

此外，本实施例所示的方法，对应地可用于实施图1所示装置实施例的技术方案，其实现原理、技术效果以及术语的含义类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种能量自循环的接触网融冰系统，其特征在于，包括N组变电机构，每组所述变电机构包括整流机组和能馈装置，N为大于等于1的任意整数；所述整流机组的两侧分别连接至中压环网与直流接触网，所述能馈装置的两侧分别连接至中压环网与直流接触网；

在第一状态下，其中一个变电机构的整流机组、直流接触网的待融冰区段、另一个变电机构的能馈装置，以及中压环网的对应区段形成能量循环，且所述待融冰区段的电流不小于临界融冰电流值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流接触网的待融冰区段包括上行线路的待融冰区段和/或下行线路的待融冰区段。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整流机组的第一侧连接至所述中压环网，所述整流机组的第二侧通过第一开关连接直流接触网的上行线路，所述整流机组的第二侧还通过第二开关连接直流接触网的下行线路；

所述能馈装置的第一侧连接至所述中压环网，所述能馈装置的第二侧通过所述第一开关连接所述上行线路，所述能馈装置的第二侧通过所述第二开关连接所述下行线路。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，在第二状态下，所述整流机组还用于将所述中压环网的交流电降压并转化成直流电，并为直流接触网的上行线路或下行线路供应工作直流电源。

5.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，在第三状态下，所述能馈装置还用于将直流接触网的上行线路或下行线路的制动产生的直流电转化为交流电，并传送至所述中压环网。

6.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述能馈装置包括逆变器、控制器和空间矢量脉宽调制SVPWM调制模块；

所述控制器用于在第一状态下，根据所述临界融冰电流值获得驱动信号，并向所述SVPWM调制模块发送所述驱动信号；

所述SVPWM调制模块用于在第一状态下，根据所述驱动信号调节所述逆变器的输出功率。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器具体用于根据d轴电流环对电流的d轴分量进行闭环控制，从而输出d轴控制电压；通过q轴电流环对电流的q轴分量进行闭环控制，从而输出q轴控制电压；

所述SVPWM调制模块具体用于根据所述d轴控制电压和q轴控制电压调节所述逆变器的输出功率。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述逆变器包括三相逆变桥，所述SVPWM调制模块具体用于发送驱动信号至所述三相逆变桥的功率开关器件，以通过所述功率开关器件的通断调节所述逆变器的输出功率。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述逆变器还包括三个三相电感，分别连接于所述三相逆变桥的三个输出端。

10.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，每个变电所内设有一个所述变电机构。

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