CN109955739A - 一种列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法，装置包括：弓网离线检测单元，对列车弓网离线状态进行检测；整流控制单元，当列车处于正常工况时，控制整流模块实现中间直流回路的直流电压稳定；当列车处于弓网离线工况时，控制整流模块实现牵引变压器的原边电压稳定；逆变控制单元，当列车处于正常工况时，控制逆变模块实现牵引电机的输出力矩与给定的力矩一致；当列车处于弓网离线工况时，控制逆变模块实现中间直流回路的直流电压稳定。本发明能够解决发生弓网离线情况，尤其是电弧消失的弓网离线情况时，极易引起牵引系统的变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障，以及直流欠压或辅变停机故障的技术问题。

Description

一种列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其是涉及一种列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法。

背景技术

随着大功率变流技术的发展，电力机车或电动车组普遍采用交-直-交方式的交流传动牵引系统。列车交流传动牵引系统主要由受电弓、牵引变压器、四象限整流器、中间直流回路、逆变器和牵引电机等组成。列车牵引系统通过受电弓与接触网接触获得或回馈电能，是牵引系统持续正常运行的基本条件。电力机车或电动车组在运营线路上行驶，受到供电网条件、轨面条件、天气环境等多方面因素的影响，可能引起弓网离线现象。弓网离线的现象可分为两种情况：

(1)受电弓与接触网分离且两者之间高压击穿空气间隙出现拉弧现象。此种情况只是在物理意义上受电弓和接触网没有直接接触，但在电气方面由于存在拉弧，受电弓和接触网仍然可进行能量的交互，仍然存在电气回路，只是由于拉弧导致受电弓和接触网之间存在一定的阻抗，使得列车牵引系统获取或回馈能量的能力下降。在此情况下的弓网分离，对于列车系统的影响主要表现为牵引系统输入端功率容量下降，只需在控制上根据牵引变压器原边电压的情况进行一定程度的功率限制，即可保持列车牵引系统对此工况的适应。

(2)受电弓与接触网分离且电弧消失。此种情况不仅在物理意义上受电弓和接触网没有直接接触，而且在电气上也表现为两者之间处于断路状态。此时的列车牵引系统既无法通过受电弓从接触网获取能量，也无法向接触网回馈能量，如果不进行控制方面的处理，在牵引工况会出现直流电压迅速下降易导致直流欠压故障，在制动工况会出现直流电压迅速上升易导致直流过压故障。而当受电弓和接触网重新接触时，由于牵引变压器励磁涌流、牵引变压器阻抗变化、控制相位与电网真实相位偏离等各因素影响，极易引起列车牵引系统的牵引变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障。

电力机车或电动车组在运营线路上行驶，受到供电网条件、轨面条件、天气环境等多方面因素的影响，出现受电弓滑板与接触网导线在高速滑动接触受流的过程中脱离接触的情况时有发生，这种现象被称为弓网离线现象。当接触网与受电弓之间存在电弧时，此时仅列车牵引系统的输入端阻抗增加，只需进行限功处理即可使列车牵引系统适应此种情况。但当进一步出现电弧消失的弓网离线情况时，列车将面临以下问题：

(1)弓网离线状态导致受电弓上的原边电压与供电网上的电网电压出现了较大偏差，当受电弓和供电网重新接触时，受到牵引变压器励磁涌流、变压器阻抗变化、控制相位与电网真实相位偏离等各因素影响，极易引起牵引系统的变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障。

(2)电弧消失的弓网离线情况，受电弓无法从接触网获取能量也无法向接触网回馈能量，如果控制单元不进行任何处理(指不进行停机或切换控制)，在牵引工况易出现直流电压迅速下降易导致直流欠压故障，在制动工况易出现直流电压迅速上升易导致直流过压故障，并由于直流电压异常导致辅变停机，影响列车上众多风机、空调等负载的正常运行。

为了应对电弧消失的弓网离线情况，现有弓网离线检测与控制方法主要有以下几种：

(1)现有技术1为株洲中车时代电气股份有限公司于2016年09月30日申请，并于2017年01月04日公开，公开号为CN106300276A的中国发明申请《列车牵引变流器在制动时网压中断的过压保护方法及装置》。该发明申请给出了一种列车牵引变流器在制动时网压中断的过压保护方法及装置，根据采集的变压器原边电压的峰值大小对弓网离线状态出现的网压中断进行检测，然后直接对牵引系统进行停机，封锁四象限、逆变、辅变等脉冲，跳开短接接触器，然后等待弓网恢复接触时，重新投入牵引系统。但是，现有技术1的检测方式，单独的依据网压信号的峰值，在功率变化的工况下，准确度不高。同时，短暂的使牵引系统停止了工作，然后需要按照启动时序依次投入闭合短接接触器、启动四象限、启动辅变、启动逆变等，使牵引系统完全恢复的耗时较长，对列车的运行造成了一定影响。

(2)现有技术2为北京交通大学、北京千驷驭电气有限公司于2016年06月20日申请，并于2016年10月12日公开，公开号为CN106019068A的中国发明申请《一种动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法》。该发明申请给出了一种动车组网侧变流器的网压中断检测及控制方法，将网压信号进行移相，根据网压信号及移相的变量进行dq变换，并锁相进行获取d轴及q轴分量，然后根据其大小判断弓网离线状态出现的网压中断。但是，现有技术2的方式复杂，将列车牵引系统的单相系统，虚构成了三相系统，并使得系统的控制也相应的需要进行复杂的改变。而且由单相信号最终生成q轴和q轴分量，易受到网压本身低次谐波和网压偶尔畸变的影响，容易出现误判断。在控制方面，将单相整流器控制复杂化成三相的控制，然后又通过变换用于单相控制，控制的稳定性下降。现有技术2的技术方案在弓网离线工况，未考虑对直流电压的处理，可能导致直流电压下降，从而导致后端的辅变等负载无法正常运行。

(3)现有技术3为南车株洲电力机车有限公司于2011年04月08日申请，并于2013年01月30日公开，公开号为CN102213736B的中国发明专利《一种机车弓网离线状态检测方法及系统》。该发明申请给出了一种机车弓网离线状态检测方法及系统，使用跨线电缆连接第一受电弓和第二受电弓：获取流经跨线电缆的跨线电流幅值和跨线电流持续时间，计算有跨线电流幅值和跨线电流持续时间构成的二维区域面积，作为离线能量面积，并依据离线能量面积判断弓网离线状态。现有技术3的检测方式，增加了跨线电流，增加了相应的电流传感器检测方式，且其并未涉及到弓网离线的变流器控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法，以解决发生弓网离线情况，尤其是电弧消失的弓网离线情况时，极易引起牵引系统的变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障，以及直流欠压或辅变停机故障的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种列车弓网离线穿越控制装置的技术实现方案，一种列车弓网离线穿越控制装置，用于弓网离线状态下列车牵引系统的控制，所述列车牵引系统包括依次相连的受电弓、牵引变压器、整流模块、中间直流回路、逆变模块和牵引电机，所述列车牵引系统通过所述受电弓连接至接触网，装置包括：

弓网离线检测单元，对列车弓网离线状态进行检测；

整流控制单元，根据所述弓网离线检测单元的检测结果调整控制模式，当列车处于正常工况时，所述整流控制单元通过控制所述整流模块实现所述中间直流回路的直流电压稳定；当列车处于弓网离线工况时，所述整流控制单元通过控制所述整流模块实现所述牵引变压器的原边电压稳定，使所述牵引变压器的原边电压与弓网离线前的接触网供电电压保持一致；

逆变控制单元，根据所述弓网离线检测单元的检测结果调整控制模式，当列车处于正常工况时，所述逆变控制单元通过控制所述逆变模块实现所述牵引电机的输出力矩与给定的力矩一致。当列车处于弓网离线工况时，所述逆变控制单元通过控制所述逆变模块实现所述中间直流回路的直流电压稳定。

优选的，所述弓网离线检测单元采集包括所述牵引变压器原边电压和原边电流在内的信号，并根据列车处于弓网离线状态下包括所述牵引变压器原边电压和原边电流在内的信号异常特征对列车弓网离线状态进行检测。

优选的，当列车处于正常工况时，所述整流控制单元控制所述整流模块维持正常的四象限工作模式，稳定所述中间直流回路的直流电压，控制所述牵引变压器的原边电流大小。当所述弓网离线检测单元检测到列车处于弓网离线状态，所述整流控制单元切换为弓网离线的四象限控制模式，使四象限控制用于稳定所述牵引变压器的原边电压。当弓网重新恢复接触时，所述整流控制单元将弓网离线的四象限控制模式切换回正常的四象限控制模式。

优选的，当所述弓网离线检测单元检测到列车处于弓网离线状态，所述整流控制单元锁定弓网离线之前所述牵引变压器的原边电压信号频率，根据原边电压信号频率的锁定值生成控制所述牵引变压器原边电压所需的相位。所述整流控制单元锁定弓网离线之前所述牵引变压器的原边电压峰值，根据原边电压峰值的锁定值和所述中间直流回路的直流电压实时值调整四象限控制的输出量，从而使所述牵引变压器的原边电压与弓网离线前的接触网电压保持一致。

优选的，当列车处于正常工况时，所述逆变控制单元维持正常的逆变控制模式，通过控制所述逆变模块使所述牵引电机输出给定的力矩。当所述弓网离线检测单元检测到列车处于弓网离线状态，所述逆变控制单元切换为弓网离线的逆变控制模式，使逆变控制用于稳定所述中间直流回路的直流电压。当弓网重新恢复接触时，所述逆变控制单元将弓网离线的逆变控制模式切换回正常的逆变控制模式。

优选的，所述列车牵引系统进一步包括与所述中间直流回路相连的辅变模块，当所述逆变控制单元由正常工况下对所述牵引电机的输出力矩进行控制切换为弓网离线工况下对所述中间直流回路的直流电压进行稳定控制，所述中间直流回路能为所述辅变模块提供能量。

优选的，当所述弓网离线检测单元检测到列车处于弓网离线状态，所述逆变控制单元先控制所述逆变模块将所述牵引电机的输出力矩卸载至零。当所述中间直流回路的直流电压偏离所述辅变模块允许的正常输入直流电压范围，逆变控制模式调整为控制中间直流回路的直流电压，避免直流电压偏离正常范围，使所述辅变模块仍然能从所述中间直流回路获取能量，维持所述辅变模块正常工作。

优选的，所述弓网离线检测单元、整流控制单元和逆变控制单元集成于列车的牵引系统控制单元中。

优选的，当列车出现弓网离线状态后，所述接触网和受电弓在短时间内将重新恢复接触，此时所述弓网离线检测单元通过检测所述牵引变压器的原边电流判断列车弓网离线状态的结束，将所述整流控制单元的四象限控制模式切换为正常工况下进行所述中间直流回路的直流电压稳定控制，并将所述逆变控制单元的逆变控制模式切换为正常工况下进行所述牵引电机的输出力矩稳定控制。当所述接触网和受电弓处于分离状态超过设定时间，则停止所述整流模块和逆变模块的工作。

本发明还另外具体提供了一种列车弓网离线穿越控制系统的技术实现方案，一种列车弓网离线穿越控制系统，包括：如上所述的列车弓网离线穿越控制装置，及与所述列车弓网离线穿越控制装置相连的牵引变压器、整流模块和逆变模块。

优选的，所述系统还包括辅变模块，所述辅变模块连接至所述整流模块和逆变模块之间的中间直流回路。

本发明还另外具体提供了一种列车弓网离线穿越控制方法的技术实现方案，一种列车弓网离线穿越控制方法，用于弓网离线状态下列车牵引系统的控制，所述列车牵引系统包括依次相连的受电弓、牵引变压器、整流模块、中间直流回路、逆变模块和牵引电机，所述列车牵引系统通过所述受电弓连接至接触网，包括以下步骤：

S101)检测弓网离线状态，若检测到弓网离线状态则进入步骤S102)，若未检测到弓网离线状态则进入步骤S103)；

S102)进行弓网离线工况控制，进入步骤S104)；

S103)进行正常工况控制，返回步骤S101)；

S104)判断弓网是否重新接触，若未重新接触则进入步骤S102)，若重新接触则进入步骤S101)。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

采集包括所述牵引变压器原边电压和原边电流在内的信号，并根据列车处于弓网离线状态下包括所述牵引变压器原边电压和原边电流在内的信号异常特征对列车弓网离线状态进行检测。

优选的，所述步骤S102)的弓网离线工况控制过程包括以下步骤：

S1021)通过对所述整流模块进行四象限控制稳定所述牵引变压器的原边电压，使所述牵引变压器的原边电压与弓网离线前的接触网供电电压保持一致；

S1022)通过对所述逆变模块进行逆变控制稳定所述中间直流回路的直流电压稳定。

优选的，所述步骤S103)的正常工况控制过程包括以下步骤：

S1031)通过对所述整流模块进行四象限控制稳定所述中间直流回路的直流电压；

S1032)通过对所述逆变模块进行逆变控制实现所述牵引电机的输出力矩与给定的力矩一致。

优选的，当列车处于正常工况时，控制所述整流模块维持正常的四象限工作模式，稳定所述中间直流回路的直流电压，控制所述牵引变压器的原边电流大小。当检测到列车处于弓网离线状态，切换为弓网离线的四象限控制模式，使四象限控制用于稳定所述牵引变压器的原边电压。当弓网重新恢复接触时，所述整流控制单元将弓网离线的四象限控制模式切换回正常的四象限控制模式。

优选的，当检测到列车处于弓网离线状态，锁定弓网离线之前所述牵引变压器的原边电压信号频率，根据原边电压信号频率的锁定值生成控制所述牵引变压器原边电压所需的相位。锁定弓网离线之前所述牵引变压器的原边电压峰值，根据原边电压峰值的锁定值和所述中间直流回路的直流电压实时值调整四象限控制的输出量，从而使所述牵引变压器的原边电压与弓网离线前的接触网电压保持一致。

优选的，当列车处于正常工况时，所述逆变模块维持正常的逆变控制模式，通过控制所述逆变模块使所述牵引电机输出给定的力矩。当检测到列车处于弓网离线状态，所述逆变控制单元切换为弓网离线的逆变控制模式，使逆变控制用于稳定所述中间直流回路的直流电压。当弓网重新恢复接触时，所述逆变控制单元将弓网离线的逆变控制模式切换回正常的逆变控制模式。

优选的，所述列车牵引系统进一步包括与所述中间直流回路相连的辅变模块，当由正常工况下对所述牵引电机的输出力矩进行控制切换为弓网离线工况下对所述中间直流回路的直流电压进行稳定控制，所述中间直流回路能为所述辅变模块提供能量。

优选的，当检测到列车处于弓网离线状态，先控制所述逆变模块将所述牵引电机的输出力矩卸载至零。当所述中间直流回路的直流电压偏离所述辅变模块允许的正常输入直流电压范围，逆变控制模式调整为控制中间直流回路的直流电压，避免直流电压偏离正常范围，使所述辅变模块仍能从所述中间直流回路获取能量，维持所述辅变模块正常工作。

优选的，当列车出现弓网离线状态后，所述接触网和受电弓在短时间内将重新恢复接触，此时通过检测所述牵引变压器的原边电流判断列车弓网离线状态的结束，将四象限控制模式切换为正常工况下进行所述中间直流回路的直流电压稳定控制，并将逆变控制模式切换为正常工况下进行所述牵引电机的输出力矩稳定控制。当所述接触网和受电弓处于分离状态超过设定时间，则停止所述整流模块和逆变模块的工作。

通过实施上述本发明提供的列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明通过在正常工况与弓网离线工况下切换四象限整流控制模式和逆变控制模式，解决了发生弓网离线情况，尤其是电弧消失的弓网离线情况时，极易引起牵引系统的变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障，以及直流欠压或辅变停机故障的技术问题；

(2)本发明通过锁定弓网离线前的正常原边电压频率用于调节相位，锁定弓网离线前的正常原边电压峰值用于调节幅值，并根据直流电压实际情况对列车牵引系统输出进行相应的调整，使得弓网离线状态下的原边电压的幅值和相位按照弓网离线前的峰值及频率进行变化，因此当弓网供电接触前后，受电弓的电压保持一致，避免了励磁涌流或励磁饱和导致牵引变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障的出现；

(3)本发明在弓网离线工况仍维持牵引变流器的四象限、逆变、辅变运行，通过切换逆变控制模式，在弓网离线工况由逆变器对直流电压进行调节，保证了直流电压在正常的范围内，避免了直流欠压和直流过压故的障出现；将牵引电机的动能转为电能提供给中间直流回路，并通过中间直流回路给辅变供电，使得辅变模块在弓网离线状态下仍然能正常工作，避免了辅变模块及其后端负载的停机；

(4)本发明综合了对牵引变压器原边电压和原边电流情况的检测，在10ms以内即可检测出弓网离线状态，并解决了制动工况漏判的技术问题，弓网离线状态检测的准确性、实时性都得到了明显的提升。

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的介绍。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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是本发明所应用的列车牵引系统的主电路电气拓扑结构图；

图2是本发明列车弓网离线穿越控制方法一种具体实施例的程序流程图；

图3是本发明列车弓网离线穿越控制方法一种具体实施例中四象限控制切换过程的流程示意图；

图4是本发明列车弓网离线穿越控制方法一种具体实施例中逆变控制切换过程的流程示意图；

图5是本发明列车弓网离线穿越控制系统一种具体实施例的结构组成框图；

图中：1-弓网离线检测单元，2-整流控制单元，3-逆变控制单元，4-接触网，5-受电弓，6-牵引变压器，7-整流模块，8-中间直流回路，9-逆变模块，10-牵引电机，11-辅变模块，12-主断路器，13-原边电压互感器，14-原边电流互感器，15-充电与短接接触器，16-四象限电流传感器，17-直流电压传感器，18-逆变电流传感器，19-辅变电流传感器，20-辅助变压器，21-辅变接触器，100-列车牵引系统。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

接触网：电气化铁路上，为电力机车或电动车组提供电能的电线网，也可称为铁路供电网；

变压器原边电压：位于变压器原边侧的电压互感器采集的电压信号。通常情况下，当接触网有电，且受电弓与接触网正常接触在一起，则此信号测量的是接触网的电网电压；

变压器原边电流：位于变压器原边侧的电流互感器采集的电流信号；

四象限控制：指对四象限整流器进行控制，通过采集四象限整流器的直流侧电压、交流侧电流、交流侧电源电压等信号，实现能量在直流侧和交流侧之间的双向流动控制，并可根据需求进行不同的控制策略达到不同的目的，例如：稳定直流电压、输出交流电压、输出交流电流等；

逆变控制：指通过采集直流侧电压、交流侧电流等信号，实现电能从直流变成交流的控制，在列车牵引系统领域，逆变模块后端的负载为电机，因此列车牵引系统的逆变控制，主要指通过对逆变模块输出交流侧电压的变频变压控制，实现对电机力矩、转速等方面的调节。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图5所示，给出了本发明列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，一种典型的列车牵引系统100包括依次相连的受电弓5、牵引变压器6、整流模块7、中间直流回路8、逆变模块9和牵引电机10，列车牵引系统100通过受电弓5连接至接触网4，列车牵引系统100还进一步包括与中间直流回路8相连的辅变模块11。其中，整流模块7、逆变模块9和辅变模块11的重数是可变的。列车牵引系统100的主电路还包括主断路器12、原边电压互感器13、原边电流互感器14、充电与短接接触器15、四象限电流传感器16、直流电压传感器17、逆变电流传感器18、辅变电流传感器19、辅助变压器20和辅变接触器21等。在本发明具体实施例中，当列车出现弓网离线状态，牵引系统控制单元对弓网离线状态进行检测，并在列车牵引系统100不停止运行的情况下，进行四象限控制和逆变控制的切换，从而实现弓网离线穿越。

实施例1

如附图5所示，一种列车弓网离线穿越控制装置的具体实施例，用于弓网离线状态下列车牵引系统100的控制，该装置包括：

弓网离线检测单元1，对列车弓网离线状态进行检测；

整流控制单元2，根据弓网离线检测单元1的检测结果调整控制模式，当列车处于正常工况时，整流控制单元2通过控制整流模块7实现中间直流回路8的直流电压稳定。当列车处于弓网离线工况时，整流控制单元2通过控制整流模块7实现牵引变压器6的原边电压稳定，使牵引变压器6的原边电压与弓网离线前的接触网4供电电压保持一致；

逆变控制单元3，根据弓网离线检测单元1的检测结果调整控制模式，当列车处于正常工况时，逆变控制单元3通过控制逆变模块9实现牵引电机10的输出力矩与给定的力矩一致。当列车处于弓网离线工况时，逆变控制单元3通过控制逆变模块9实现中间直流回路8的直流电压稳定。

当逆变控制单元3由正常工况下对牵引电机10的输出力矩进行控制切换为弓网离线工况下对中间直流回路8的直流电压进行稳定控制，中间直流回路8能为辅变模块11提供能量，当弓网重新接触时四象限及逆变控制再切换到正常工况的控制策略，从而实现列车弓网离线穿越。

其中，弓网离线检测单元1、整流控制单元2和逆变控制单元3可集成于列车的牵引系统控制单元(DCU)中。

弓网离线检测单元1采集包括牵引变压器6原边电压和原边电流在内的信号，并根据列车处于弓网离线状态下包括牵引变压器6原边电压和原边电流在内的信号异常特征对列车弓网离线状态进行精确、迅速的检测，并立刻调整控制模式。检测方式可以采用包括原边电压和原边电流的采样、异常门槛比较、持续时间比较等现有技术中已有的方法。

当列车处于正常工况时，整流控制单元2控制整流模块7维持正常的四象限工作模式，稳定中间直流回路8的直流电压，控制牵引变压器6的原边电流(即列车牵引系统100的网侧电流，附图1中的原边电流互感器14和四象限电流传感器16的信号都可以认为是网侧电流)大小。四象限控制可通过对中间直流回路8的直流电压进行闭环调节控制(例如PI调节)稳定直流电压，同时通过对网侧电流进行闭环调节控制，输出所需的给定电流。当弓网离线检测单元1检测到列车处于弓网离线状态，整流控制单元2切换为弓网离线的四象限控制模式，使四象限控制用于稳定牵引变压器6的原边电压(即附图1中原边电压互感器13采集的信号)。当弓网重新恢复接触时，整流控制单元2将弓网离线的四象限控制模式切换回正常的四象限控制模式。

当弓网离线检测单元1检测到列车处于弓网离线状态，整流控制单元2锁定弓网离线之前牵引变压器6的原边电压信号频率，根据原边电压信号频率的锁定值生成控制牵引变压器6原边电压所需的相位。整流控制单元2锁定弓网离线之前牵引变压器6的原边电压峰值，根据原边电压峰值的锁定值和中间直流回路8的直流电压实时值调整四象限控制的输出量，从而使牵引变压器6的原边电压与弓网离线前的接触网4电压保持一致。

当列车处于正常工况时，逆变控制单元3维持正常的逆变控制模式，通过控制逆变模块9使牵引电机10输出给定的力矩。当弓网离线检测单元1检测到列车处于弓网离线状态，逆变控制单元3切换为弓网离线的逆变控制模式，使逆变控制用于稳定中间直流回路8的直流电压。当弓网重新恢复接触时，逆变控制单元3将弓网离线的逆变控制模式切换回正常的逆变控制模式。

当弓网离线检测单元1检测到列车处于弓网离线状态，逆变控制单元3先控制逆变模块9将牵引电机10的输出力矩卸载至零。当中间直流回路8的直流电压偏离辅变模块11允许的正常输入直流电压范围，逆变控制模式调整为控制中间直流回路8的直流电压，避免直流电压偏离正常范围，使辅变模块11仍然能从中间直流回路8获取能量，维持辅变模块11正常工作。

当列车出现弓网离线状态后，接触网4和受电弓5在短时间内将重新恢复接触，此时弓网离线检测单元1通过检测牵引变压器6的原边电流判断列车弓网离线状态的结束，将整流控制单元2的四象限控制模式切换为正常工况下进行中间直流回路8的直流电压稳定控制，并将逆变控制单元3的逆变控制模式切换为正常工况下进行牵引电机10的输出力矩稳定控制。当接触网4和受电弓5处于分离状态超过设定时间，则停止整流模块7和逆变模块9的工作。

本发明实施例1描述的列车弓网离线穿越控制装置，根据弓网离线状态下的原边电压和原边电流等信号的异常特征，对列车弓网离线状态进行迅速检测，并调整控制策略，四象限控制在弓网离线工况根据弓网离线前的牵引变压器原边电压幅值及频率和中间直流回路直流电压等对当前的牵引变压器原边电压进行控制，使得牵引变压器原边电压与弓网离线前的接触网供电电压一致。逆变控制将控制对象设置为中间直流回路直流电压，使得中间直流回路直流电压稳定在正常的范围内，并为辅变模块提供能量，当输入端恢复供电时再切换到正常工况的控制策略，从而实现列车弓网离线穿越。

实施例2

如附图5所示，一种列车弓网离线穿越控制系统的具体实施例，包括：如实施例1所述的列车弓网离线穿越控制装置，及与列车弓网离线穿越控制装置相连的牵引变压器6、整流模块7和逆变模块9。

列车弓网离线穿越控制系统还进一步包括辅变模块11，辅变模块11连接至整流模块7和逆变模块9之间的中间直流回路8。

实施例3

如附图2所示，一种列车弓网离线穿越控制方法的具体实施例，用于弓网离线状态下列车牵引系统100的控制，该方法包括以下步骤：

S101)检测弓网离线状态，若检测到弓网离线状态则进入步骤S102)，若未检测到弓网离线状态则进入步骤S103)；

S102)进行弓网离线工况控制，进入步骤S104)；

S103)进行正常工况控制，返回步骤S101)；

S104)判断弓网是否重新接触，若未重新接触则进入步骤S102)，若重新接触则进入步骤S101)。

步骤S101)进一步包括：

牵引系统控制单元采集包括牵引变压器6原边电压和原边电流在内的信号，并根据列车处于弓网离线状态下包括牵引变压器6原边电压和原边电流在内的信号异常特征对列车弓网离线状态进行检测。

步骤S102)的弓网离线工况控制过程包括以下步骤：

S1021)通过对整流模块7进行四象限控制稳定牵引变压器6的原边电压，使牵引变压器6的原边电压与弓网离线前的接触网4供电电压保持一致；

S1022)通过对逆变模块9进行逆变控制稳定中间直流回路8的直流电压稳定。

步骤S103)的正常工况控制过程包括以下步骤：

S1031)通过对整流模块7进行四象限控制稳定中间直流回路8的直流电压；

S1032)通过对逆变模块9进行逆变控制实现牵引电机10的输出力矩与给定的力矩一致。

当列车处于正常工况时，控制整流模块7维持正常的四象限工作模式，稳定中间直流回路8的直流电压，控制牵引变压器6的原边电流大小。当检测到列车处于弓网离线状态，切换为弓网离线的四象限控制模式，使四象限控制用于稳定牵引变压器6的原边电压。当弓网重新恢复接触时，整流控制单元2将弓网离线的四象限控制模式切换回正常的四象限控制模式。

当检测到列车处于弓网离线状态，锁定弓网离线之前牵引变压器6的原边电压信号频率，根据原边电压信号频率的锁定值生成控制牵引变压器6原边电压所需的相位。锁定弓网离线之前牵引变压器6的原边电压峰值，根据原边电压峰值的锁定值和中间直流回路8的直流电压实时值调整四象限控制的输出量，从而使牵引变压器6的原边电压与弓网离线前的接触网4电压保持一致。

当列车处于正常工况时，逆变模块9维持正常的逆变控制模式，通过控制逆变模块9使牵引电机10输出给定的力矩。当检测到列车处于弓网离线状态，逆变控制单元3切换为弓网离线的逆变控制模式，使逆变控制用于稳定中间直流回路8的直流电压。当弓网重新恢复接触时，逆变控制单元3将弓网离线的逆变控制模式切换回正常的逆变控制模式。

当由正常工况下对牵引电机10的输出力矩进行控制切换为弓网离线工况下对中间直流回路8的直流电压进行稳定控制，中间直流回路8能为辅变模块11提供能量。

当检测到列车处于弓网离线状态，先控制逆变模块9将牵引电机10的输出力矩卸载至零。当中间直流回路8的直流电压偏离辅变模块11允许的正常输入直流电压范围，逆变控制模式调整为控制中间直流回路8的直流电压，避免直流电压偏离正常范围，使辅变模块11仍能从中间直流回路8获取能量，维持辅变模块11正常工作。

当列车出现弓网离线状态后，接触网4和受电弓5在短时间内将重新恢复接触，此时通过检测牵引变压器6的原边电流判断列车弓网离线状态的结束，将四象限控制模式切换为正常工况下进行中间直流回路8的直流电压稳定控制，并将逆变控制模式切换为正常工况下进行牵引电机10的输出力矩稳定控制。当接触网4和受电弓5处于分离状态超过设定时间，则停止整流模块7和逆变模块9的工作。

本发明实施例2描述的列车弓网离线穿越控制方法，采用牵引变压器6的原边电压和原边电流综合检测弓网离线状态，切换四象限及逆变控制模式，采用四象限控制稳定牵引变压器6的原边电压，逆变控制稳定中间直流回路直流电压的弓网离线穿越控制方案。弓网离线状态的四象限控制模式：锁定弓网离线之前的原边电压信号频率，根据锁定频率生成控制原边电压所需的相位；锁定弓网离线之前的原边电压峰值，根据原边电压峰值锁定值、直流电压实时值调节原边电压。弓网离线状态的逆变控制模式：当出现弓网离线，逆变控制先将牵引电机的输出力矩卸载至零；当中间直流回路直流电压偏离辅变模块允许的正常输入直流电压的范围，逆变控制调整为控制中间直流回路直流电压的逆变控制方式。实施例2描述的列车弓网离线穿越控制方法采用原边电压和原边电流综合检测弓网离线状态，切换四象限及逆变控制模式，采用四象限控制稳定牵引变压器原边电压，逆变控制稳定中间直流回路直流电压的弓网离线穿越方法。需要特别说明的是，在弓网离线工况下，四象限控制稳定牵引变压器原边电压，逆变控制稳定中间直流回路直流电压。实现此两项目标的控制方式多种多样，并不局限于本发明实施例中描述的具体实现方式。此外，在实施例2中，牵引变压器原边电压和电压异常门槛比较，原边电流和电流异常门槛的比较，可采用信号的瞬时值、有效值、峰值等不同比较形式。

通过实施本发明具体实施例描述的列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法通过在正常工况与弓网离线工况下切换四象限整流控制模式和逆变控制模式，解决了发生弓网离线情况，尤其是电弧消失的弓网离线情况时，极易引起牵引系统的变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障，以及直流欠压或辅变停机故障的技术问题；

(2)本发明具体实施例描述的列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法通过锁定弓网离线前的正常原边电压频率用于调节相位，锁定弓网离线前的正常原边电压峰值用于调节幅值，并根据直流电压实际情况对列车牵引系统输出进行相应的调整，使得弓网离线状态下的原边电压的幅值和相位按照弓网离线前的峰值及频率进行变化，因此当弓网供电接触前后，受电弓的电压保持一致，避免了励磁涌流或励磁饱和导致牵引变压器原边过流故障或四象限交流侧过流故障的出现；

(3)本发明具体实施例描述的列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法在弓网离线工况仍维持牵引变流器的四象限、逆变、辅变运行，通过切换逆变控制模式，在弓网离线工况由逆变器对直流电压进行调节，保证了直流电压在正常的范围内，避免了直流欠压和直流过压故的障出现；将牵引电机的动能转为电能提供给中间直流回路，并通过中间直流回路给辅变供电，使得辅变模块在弓网离线状态下仍然能正常工作，避免了辅变模块及其后端负载的停机；

(4)本发明具体实施例描述的列车弓网离线穿越控制装置、系统及方法综合了对牵引变压器原边电压和原边电流情况的检测，在10ms以内即可检测出弓网离线状态，并解决了制动工况漏判的技术问题，弓网离线状态检测的准确性、实时性都得到了明显的提升。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (21)

1.一种列车弓网离线穿越控制装置，用于弓网离线状态下列车牵引系统(100)的控制，所述列车牵引系统(100)包括依次相连的受电弓(5)、牵引变压器(6)、整流模块(7)、中间直流回路(8)、逆变模块(9)和牵引电机(10)，所述列车牵引系统(100)通过所述受电弓(5)连接至接触网(4)，其特征在于，装置包括：

弓网离线检测单元(1)，对列车弓网离线状态进行检测；

整流控制单元(2)，根据所述弓网离线检测单元(1)的检测结果调整控制模式，当列车处于正常工况时，所述整流控制单元(2)通过控制所述整流模块(7)实现所述中间直流回路(8)的直流电压稳定；当列车处于弓网离线工况时，所述整流控制单元(2)通过控制所述整流模块(7)实现所述牵引变压器(6)的原边电压稳定，使所述牵引变压器(6)的原边电压与弓网离线前的接触网(4)供电电压保持一致；

逆变控制单元(3)，根据所述弓网离线检测单元(1)的检测结果调整控制模式，当列车处于正常工况时，所述逆变控制单元(3)通过控制所述逆变模块(9)实现所述牵引电机(10)的输出力矩与给定的力矩一致；当列车处于弓网离线工况时，所述逆变控制单元(3)通过控制所述逆变模块(9)实现所述中间直流回路(8)的直流电压稳定。

2.根据权利要求1所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：所述弓网离线检测单元(1)采集包括所述牵引变压器(6)原边电压和原边电流在内的信号，并根据列车处于弓网离线状态下包括所述牵引变压器(6)原边电压和原边电流在内的信号异常特征对列车弓网离线状态进行检测。

3.根据权利要求1或2所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：当列车处于正常工况时，所述整流控制单元(2)控制所述整流模块(7)维持正常的四象限工作模式，稳定所述中间直流回路(8)的直流电压，控制所述牵引变压器(6)的原边电流大小；当所述弓网离线检测单元(1)检测到列车处于弓网离线状态，所述整流控制单元(2)切换为弓网离线的四象限控制模式，使四象限控制用于稳定所述牵引变压器(6)的原边电压；当弓网重新恢复接触时，所述整流控制单元(2)将弓网离线的四象限控制模式切换回正常的四象限控制模式。

4.根据权利要求3所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：当所述弓网离线检测单元(1)检测到列车处于弓网离线状态，所述整流控制单元(2)锁定弓网离线之前所述牵引变压器(6)的原边电压信号频率，根据原边电压信号频率的锁定值生成控制所述牵引变压器(6)原边电压所需的相位；所述整流控制单元(2)锁定弓网离线之前所述牵引变压器(6)的原边电压峰值，根据原边电压峰值的锁定值和所述中间直流回路(8)的直流电压实时值调整四象限控制的输出量，从而使所述牵引变压器(6)的原边电压与弓网离线前的接触网(4)电压保持一致。

5.根据权利要求1、2或4任一项所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：当列车处于正常工况时，所述逆变控制单元(3)维持正常的逆变控制模式，通过控制所述逆变模块(9)使所述牵引电机(10)输出给定的力矩；当所述弓网离线检测单元(1)检测到列车处于弓网离线状态，所述逆变控制单元(3)切换为弓网离线的逆变控制模式，使逆变控制用于稳定所述中间直流回路(8)的直流电压；当弓网重新恢复接触时，所述逆变控制单元(3)将弓网离线的逆变控制模式切换回正常的逆变控制模式。

6.根据权利要求5所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：所述列车牵引系统(100)进一步包括与所述中间直流回路(8)相连的辅变模块(11)，当所述逆变控制单元(3)由正常工况下对所述牵引电机(10)的输出力矩进行控制切换为弓网离线工况下对所述中间直流回路(8)的直流电压进行稳定控制，所述中间直流回路(8)能为所述辅变模块(11)提供能量。

7.根据权利要求6所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：当所述弓网离线检测单元(1)检测到列车处于弓网离线状态，所述逆变控制单元(3)先控制所述逆变模块(9)将所述牵引电机(10)的输出力矩卸载至零；当所述中间直流回路(8)的直流电压偏离所述辅变模块(11)允许的正常输入直流电压范围，逆变控制模式调整为控制中间直流回路(8)的直流电压，避免直流电压偏离正常范围，使所述辅变模块(11)仍然能从所述中间直流回路(8)获取能量，维持所述辅变模块(11)正常工作。

8.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：所述弓网离线检测单元(1)、整流控制单元(2)和逆变控制单元(3)集成于列车的牵引系统控制单元中。

9.根据权利要求8所述的列车弓网离线穿越控制装置，其特征在于：当列车出现弓网离线状态后，所述接触网(4)和受电弓(5)在短时间内将重新恢复接触，此时所述弓网离线检测单元(1)通过检测所述牵引变压器(6)的原边电流判断列车弓网离线状态的结束，将所述整流控制单元(2)的四象限控制模式切换为正常工况下进行所述中间直流回路(8)的直流电压稳定控制，并将所述逆变控制单元(3)的逆变控制模式切换为正常工况下进行所述牵引电机(10)的输出力矩稳定控制；当所述接触网(4)和受电弓(5)处于分离状态超过设定时间，则停止所述整流模块(7)和逆变模块(9)的工作。

10.一种列车弓网离线穿越控制系统，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的列车弓网离线穿越控制装置，及与所述列车弓网离线穿越控制装置相连的牵引变压器(6)、整流模块(7)和逆变模块(9)。

11.根据权利要求10所述的列车弓网离线穿越控制系统，其特征在于：所述系统还包括辅变模块(11)，所述辅变模块(11)连接至所述整流模块(7)和逆变模块(9)之间的中间直流回路(8)。

12.一种列车弓网离线穿越控制方法，用于弓网离线状态下列车牵引系统(100)的控制，所述列车牵引系统(100)包括依次相连的受电弓(5)、牵引变压器(6)、整流模块(7)、中间直流回路(8)、逆变模块(9)和牵引电机(10)，所述列车牵引系统(100)通过所述受电弓(5)连接至接触网(4)，其特征在于，包括以下步骤：

S101)检测弓网离线状态，若检测到弓网离线状态则进入步骤S102)，若未检测到弓网离线状态则进入步骤S103)；

S102)进行弓网离线工况控制，进入步骤S104)；

S103)进行正常工况控制，返回步骤S101)；

S104)判断弓网是否重新接触，若未重新接触则进入步骤S102)，若重新接触则进入步骤S101)。

13.根据权利要求12所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S101)进一步包括：

采集包括所述牵引变压器(6)原边电压和原边电流在内的信号，并根据列车处于弓网离线状态下包括所述牵引变压器(6)原边电压和原边电流在内的信号异常特征对列车弓网离线状态进行检测。

14.根据权利要求12或13所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S102)的弓网离线工况控制过程包括以下步骤：

S1021)通过对所述整流模块(7)进行四象限控制稳定所述牵引变压器(6)的原边电压，使所述牵引变压器(6)的原边电压与弓网离线前的接触网(4)供电电压保持一致；

S1022)通过对所述逆变模块(9)进行逆变控制稳定所述中间直流回路(8)的直流电压稳定。

15.根据权利要求14所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于，所述步骤S103)的正常工况控制过程包括以下步骤：

S1031)通过对所述整流模块(7)进行四象限控制稳定所述中间直流回路(8)的直流电压；

S1032)通过对所述逆变模块(9)进行逆变控制实现所述牵引电机(10)的输出力矩与给定的力矩一致。

16.根据权利要求12、13或15任一项所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于：当列车处于正常工况时，控制所述整流模块(7)维持正常的四象限工作模式，稳定所述中间直流回路(8)的直流电压，控制所述牵引变压器(6)的原边电流大小；当检测到列车处于弓网离线状态，切换为弓网离线的四象限控制模式，使四象限控制用于稳定所述牵引变压器(6)的原边电压；当弓网重新恢复接触时，所述整流控制单元(2)将弓网离线的四象限控制模式切换回正常的四象限控制模式。

17.根据权利要求16所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于：当检测到列车处于弓网离线状态，锁定弓网离线之前所述牵引变压器(6)的原边电压信号频率，根据原边电压信号频率的锁定值生成控制所述牵引变压器(6)原边电压所需的相位；锁定弓网离线之前所述牵引变压器(6)的原边电压峰值，根据原边电压峰值的锁定值和所述中间直流回路(8)的直流电压实时值调整四象限控制的输出量，从而使所述牵引变压器(6)的原边电压与弓网离线前的接触网(4)电压保持一致。

18.根据权利要求12、13、15或17任一项所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于：当列车处于正常工况时，所述逆变模块(9)维持正常的逆变控制模式，通过控制所述逆变模块(9)使所述牵引电机(10)输出给定的力矩；当检测到列车处于弓网离线状态，所述逆变控制单元(3)切换为弓网离线的逆变控制模式，使逆变控制用于稳定所述中间直流回路(8)的直流电压；当弓网重新恢复接触时，所述逆变控制单元(3)将弓网离线的逆变控制模式切换回正常的逆变控制模式。

19.根据权利要求18所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于：所述列车牵引系统(100)进一步包括与所述中间直流回路(8)相连的辅变模块(11)，当由正常工况下对所述牵引电机(10)的输出力矩进行控制切换为弓网离线工况下对所述中间直流回路(8)的直流电压进行稳定控制，所述中间直流回路(8)能为所述辅变模块(11)提供能量。

20.根据权利要求19所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于：当检测到列车处于弓网离线状态，先控制所述逆变模块(9)将所述牵引电机(10)的输出力矩卸载至零；当所述中间直流回路(8)的直流电压偏离所述辅变模块(11)允许的正常输入直流电压范围，逆变控制模式调整为控制中间直流回路(8)的直流电压，避免直流电压偏离正常范围，使所述辅变模块(11)仍能从所述中间直流回路(8)获取能量，维持所述辅变模块(11)正常工作。

21.根据权利要求12、13、15、17、19或20任一项所述的列车弓网离线穿越控制方法，其特征在于：当列车出现弓网离线状态后，所述接触网(4)和受电弓(5)在短时间内将重新恢复接触，此时通过检测所述牵引变压器(6)的原边电流判断列车弓网离线状态的结束，将四象限控制模式切换为正常工况下进行所述中间直流回路(8)的直流电压稳定控制，并将逆变控制模式切换为正常工况下进行所述牵引电机(10)的输出力矩稳定控制；当所述接触网(4)和受电弓(5)处于分离状态超过设定时间，则停止所述整流模块(7)和逆变模块(9)的工作。