CN110492507A - 电气化铁路的能量协调系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电气化铁路的能量协调系统。该系统包括：牵引网、高压柜和功率组件，高压柜的一端接入所述牵引网，另一端与功率组件连接；高压柜用于实现高压侧的通断、电压电流检测和保护作用；功率组件包括变压器、脉冲宽度调制PWM变流器和储能模块，PWM变流器位于储能模块与所述变压器之间，PWM变流器控制储能模块的充放电电压和电流，根据网压值变化储能模块工作于储能模式或者释能模式。本发明针对性地根据长大坡道、长大隧道等困难线路特点，巧妙利用牵引网、储能元件与PWM变流器的技术特性，实现了能量的回收与再利用，维持列车运行性能，且当牵引网出现远程供电故障时，所储存能量可以用于就近应急供电，使列车驶离危险路段，等待救援。

Description

电气化铁路的能量协调系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引控制技术领域，尤其涉及一种电气化铁路的能量协调系统。

背景技术

随着轨道交通的快速发展，铁路电气化占比越来越高。在电气化铁路中，电力牵引系统的基本构成包括牵引供电所、牵引网、车载牵引变压器、车载PWM整流器、车载牵引逆变器和牵引电机等。牵引时，能量从牵引网往电机流动，由于牵引网阻抗的关系，牵引网压随着牵引功率的上升有所下降；制动或者下坡恒速时，能量从电机往牵引网流动，如果回馈的能量没有被完全吸收，则有可能造成牵引网压上升而引起牵引系统保护。

在川藏、兰新等横跨高海拔山脉的电气化铁路中，由于地势地貌等因素，存在许多长大坡道、高山隧道等条件困难线路，对列车牵引制动性能带来极大的影响。列车上坡牵引时，随着牵引功率的上升，牵引网流增大而容易造成网压跌落，影响牵引性能。同时，列车下坡时需要制动，为了避免制动闸瓦过度磨耗等问题，传统的方式是采用低速下坡，或者循环制动等模式，这些方式的问题是一方面仍然无法避免闸瓦磨耗和闸瓦温升的问题，另一方面，也使得列车在长大坡道上车速降低太多，运行性能下降。为了解决该问题，尽可能采用牵引电机回馈制动维持列车运行性能，这样可以减少闸瓦的投入；但电气制动产生的能量太大，很容易造成局部牵引网过压而造成系统保护，可以采用斩波电阻吸收能量来解决，但这样一方面造成了制动能量的极大浪费，另一方面在长隧道中容易造成隧道温度上升，进而影响周边环境。另外，在高海拔山脉列车运行过程中，由于各种原因出现供电故障时，若列车停靠于隧道内将会大大增加救援难度，且等待救援的时间也很难把控。

有些列车为了解决制动能量的吸收和循环利用问题，采用增加车载储能系统的方式。这种方式能够实现一定能量的吸收利用，但由于空间重量受限，无法解决长大坡道下能量吸收的问题，而且会增加列车的重量、空间占用和成本。

发明内容

本发明的实施例提供了一种电气化铁路的能量协调系统，以克服电气化列车运行在长大坡道、长大隧道等困难线路时面临的闸瓦磨耗、性能下降等问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种电气化铁路的能量协调系统，该系统安装在电气化铁路的线路旁地面，所述系统包括：牵引网、高压柜和功率组件，所述高压柜的一端接入所述牵引网，另一端与所述功率组件连接；

所述高压柜用于实现高压侧的通断、电压电流检测和保护作用；

所述功率组件包括变压器、脉冲宽度调制PWM变流器和储能模块，所述PWM变流器位于所述储能模块与所述变压器之间，所述PWM变流器控制所述储能模块的充放电电压和电流，根据网压值变化所述储能模块工作于储能模式或者释能模式。

优选地，所述变压器为单相变压器，所述功率组件采用集成模块式设计，根据实际能量和功率的需求做并联处理。

优选地，所述变压器采用一个原边多个副边的连接方式，每个副边对应一个PWM变流器，多个PWM变流器根据直流母线的电压等级和功率的情况做串联或并联处理。

优选地，所述储能模块与所述PWM变流器之间的连接方式包括：

连接方式一、将储能模块直接连接到PWM变流器的直流母线上，PWM变流器直接控制储能模块的充放电电压和电流；

连接方式二、PWM变流器的直流母线通过DC/DC变换器连接储能模块，PWM变流器通过DC/DC变换器来控制储能模块的充放电，一个DC/DC变换器和一个储能模块构成一个组合，将单个组合或者多个组合串联后连接到PWM变流器的直流母线上。

优选地，所述DC/DC变换器的电路拓扑采用两电平或多电平电压型双向DC/DC变换器。

优选地，所述储能模块采用电池、超级电容、赝电容中的一种或多种储能媒介。

优选地，所述功率组件，具体用于通过对所述牵引网与所述高压柜内传感器的电压、电流进行监测，对牵引网的功率因数与网压谐波含量进行计算，并以计算结果为依据，对能量协调系统的工作模式进行规划与选择，通过功率/谐波补偿算法与PWM基本算法组合后的合成算法对PWM变流器的工作状态进行控制，通过DC/DC控制算法对DC/DC变换电路进行调节，使得能量在牵引网与储能模块之间进行双向流动。

优选地，所述能量协调系统的工作过程包括：

对线路区段牵引网电能质量进行实时监测，通过监测牵引网电压、电流变化，判断线路区段内列车的运行工况，并以此列车的运行工况为依据对PWM变流器的运行模式进行选择与控制；

若牵引网电压升高，判断列车运行于制动工况，控制PWM变流器工作于整流模式，通过PWM变流器向直流母线传输能量，直流母线直接或者通过DC/DC变换器向储能模块充电，将列车再生制动产生的能量吸收储存于储能模块中；

若牵引网电压降低，判断列车运行于牵引工况，控制PWM变流器工作于逆变模式；将储能模块中储存的回收能量通过PWM变流器释放到牵引网上，向线路区段内的列车进行辅助供电；

若牵引网中容性无功能量大于设定的能量阈值，或电压中的谐波分量大于设定的电压阈值，则判断网侧电能需要进行功率补偿或谐波抵消，控制PWM变流器工作于补偿抵消模式；

若牵引网的电压的瞬间降低值大于设定的数值，则判断牵引网供电中断，控制PWM变流器工作于应急模式。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的能量协调系统具备应急供电的优点，当牵引网出现远程供电故障时，所储存能量可以用于就近应急供电，使列车驶离危险路段，等待救援。本发明实施例的系统针对性地根据长大坡道、长大隧道等困难线路特点，巧妙利用牵引网、储能元件与PWM变流器的技术特性，实现了能量的回收与再利用，极大程度的避免了能源浪费、温升破坏环境，也可以维持列车在长达坡道上的牵引制动性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种适合于长大坡道等困难电气化铁路的能量协调系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种能量协调系统的功率组件的具体实施示意图；

图3为本发明实施例提供的一种能量协调系统的功率组件的控制方法具体实施例示意图；

图4为本发明实施例提供的一种本发明能量协调系统的控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种适合于长大坡道等困难电气化铁路的能量协调系统，该系统择优就近布置在困难电气化路段旁边地面，该系统的结构示意图如图1所示，包括牵引网1、高压柜2和功率组件3。所述高压柜2一端接入牵引网1，另一端与功率组件3连接。

其中，所述高压柜2用于实现高压侧的通断、电压电流检测和保护作用。

其中，所述功率组件3包括变压器31、PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)变流器32、储能模块33；PWM变流器32位于变压器31与储能模块33之间。所述变压器31为单相变压器，变压器31和PWM变流器32均可使用既有的车载模块。功率组件3采用集成模块式设计，可根据实际能量和功率的需求做并联处理。

每个功率组件3的具体实施方式如图2所示。其中，变压器31可以采用一个原边多个副边的连接方式，每个副边对应一个PWM变流器32，这几个PWM变流器32可以根据直流母线的电压等级和功率的情况做串联或并联处理。图2中给出了一个实施例：变压器31示例为一个原边两个副边，两个副边分别对应PWM变流器321和PWM变流器322，PWM变流器321和PWM变流器322采用并联方式连接。

其中，储能模块33与PWM变流器之间的连接方式包括：

连接方式一、将储能模块33直接连接到PWM变流器的直流母线上，如图2中的储能模块33I，PWM变流器32直接控制储能模块33I的充放电电压和电流；

连接方式二、PWM变流器通过DC/DC变换器331连接储能模块332，PWM变流器通过DC/DC变换器331来控制储能模块332的充放电；而通过DC/DC变换器331将储能模块332连接到直流目标的方式又包括通过只有一个组合，如33II，或者两个组合串联的模式如33II和33III串联，以减小储能模块的耐压等级。

其中，DC/DC变换器331具体的电路拓扑可以但不限于采用两电平或多电平电压型双向DC/DC变换器。

其中，储能模块332可以采用电池、超级电容、赝电容等一种或多种储能媒介。

上述适合于长大坡道等困难电气化铁路的能量协调系统的具体工作模式描述如下：

当列车需要向电网回馈能量时(此时列车处于制动模式或持续下坡的恒速等模式)，牵引网1电压上升，变压器31工作在降压状态，通过PWM变流器32向直流母线传输能量，然后直流母线直接或者通过DC/DC变换器331向储能模块332充电，此时多余的能量储存在储能模块332中。

当列车处于上坡牵引模式时，牵引网1电压容易跌落，此时储能模块332通过DC/DC变换器331和PWM整流器32释放能量，变压器31工作在升压状态，向牵引网1提供电压，维持网压稳定。

通过检测牵引网1的电压和负载电流，分析得到牵引网1的无功和谐波含量，然后通过PWM变流器332的控制，可以在牵引网1中注入对应的相反含量，进而实现无功补偿和谐波抵消，提高就近牵引网1的电能质量。

功率组件3的内部以及其它组件几个PMW变流器32之间，通过调制波的移相控制，可以减小功率组件3到牵引网1电流的谐波。

图3为本发明实施例提供的一种能量协调系统的功率组件的控制方法具体实施例示意图，如图3中所示实施例，通过对牵引网1与高压柜2内传感器采回电压、电流数值的监测，对牵引网1的功率因数与网压谐波含量等参量进行计算，并以计算结果为依据，对能量协调系统的工作模式进行规划与选择，通过功率/谐波补偿算法与PWM基本算法组合后的合成算法对PWM变流器32的工作状态进行控制，通过DC/DC控制算法对DC/DC变换电路331进行调节，保证能量能够高效地在牵引网1与储能模块332之间进行双向流动，使能量协调系统在不同工作模式下的工作性能得到优化，运行效率得到提升。

图4为本发明实施例提供的一种本发明能量协调系统的控制方法流程示意图，具体处理过程包括：

S100，牵引网电能质量监测：对线路区段牵引网电能质量进行实时监测，通过监测牵引网电压、电流变化，判断线路区段内列车的运行工况，并以此列车的运行工况为依据对PWM变流器的运行模式加以选择与控制。

S200，PWM变流器工作模式选择：若牵引网电压升高，判断列车运行于制动工况，PWM变流器工作于整流模式；将列车再生制动产生的能量吸收储存于储能模块中，让列车在长大坡道下坡状态下通过电制动长期维持恒速或较高速度，所述储能模块对制动能量进行回收、避免制动电阻所造成的能源浪费及隧道温升问题，减小闸瓦磨耗、同时有效提升功率密度。

若牵引网电压降低，判断列车运行于牵引工况，PWM变流器工作于逆变模式；将储能模块中储存的所述回收能量释放到牵引网上，向线路区段内的列车进行辅助供电，完成所述回收能量的二次利用、补偿电压跌落、维持网压稳定，让列车维持上坡状态下的牵引性能。

若牵引网中容性无功能量较多，或电压中的谐波分量较多，判断网侧电能需要进行功率补偿或谐波抵消，PWM变流器工作于补偿抵消模式；通过实时检测线路区段内牵引网的电压和负载电流，分析得到其无功和谐波含量，调整PWM变流器的工作状态，在不改变系统主回路的情况下，缓解网侧容性无功与网压谐波影响等问题，提升系统功率因数，降低网压谐波畸变率。

若牵引网电压瞬间降低很多甚至为零，判断牵引网供电中断，PWM变流器工作于应急模式。在牵引网供电中断等紧急情况下，控制PWM变流器向牵引网输入能量进行应急供电、紧急自救，使线路区段内的列车有能力自行驶出故障路段或隧道、桥梁等易发生危险的路段，同时也可以为前来进行紧急施救的救援车辆进行供电，保证救援工作的顺利、高效进行。

综上所述，本发明实施例提供的电气化铁路的能量协调系统当牵引网出现远程供电故障时，所储存能量可以用于就近应急供电，使列车驶离危险路段，等待救援。本发明实施例的系统针对性地根据长大坡道、长大隧道等困难线路特点，巧妙利用牵引网、储能元件与PWM变流器的技术特性，实现了能量的回收与再利用，极大程度的避免了能源浪费、温升破坏环境，也可以维持列车在长达坡道上的牵引制动性能。

本发明实施例的系统拓扑可以在不增加软硬件成本的情况下，实现牵引网的功率因数补偿和谐波抵消，从而减少临近牵引供电所的补偿装置配置；该技术方案采用多个集成系统模块化的设计，通过移相控制可以实现低开关频率低损耗下能量协调系统牵引网侧的电流谐波。能量协调系统中储存的能量可用于应急供电，降低列车行驶至隧道、坡道等路段时遇到远端供电故障的救援困难系数。

本发明实施例的系统的结构紧凑，装置易搭建，控制技术也是基于现有成熟算法，实现风险小，可行性强；本发明实施例的系统布置在地面，且其中变压器和PWM变流器均可使用既有的车载装置，可减低设计制造成本和维修维护周期。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电气化铁路的能量协调系统，其特征在于，该系统安装在电气化铁路的线路旁地面，所述系统包括：牵引网、高压柜和功率组件，所述高压柜的一端接入所述牵引网，另一端与所述功率组件连接；

所述高压柜用于实现高压侧的通断、电压电流检测和保护作用；

所述功率组件包括变压器、脉冲宽度调制PWM变流器和储能模块，所述PWM变流器位于所述储能模块与所述变压器之间，所述PWM变流器控制所述储能模块的充放电电压和电流，根据网压值变化所述储能模块工作于储能模式或者释能模式。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变压器为单相变压器，所述功率组件采用集成模块式设计，根据实际能量和功率的需求做并联处理。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述变压器采用一个原边多个副边的连接方式，每个副边对应一个PWM变流器，多个PWM变流器根据直流母线的电压等级和功率的情况做串联或并联处理。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述储能模块与所述PWM变流器之间的连接方式包括：

连接方式一、将储能模块直接连接到PWM变流器的直流母线上，PWM变流器直接控制储能模块的充放电电压和电流；

连接方式二、PWM变流器的直流母线通过DC/DC变换器连接储能模块，PWM变流器通过DC/DC变换器来控制储能模块的充放电，一个DC/DC变换器和一个储能模块构成一个组合，将单个组合或者多个组合串联后连接到PWM变流器的直流母线上。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述DC/DC变换器的电路拓扑采用两电平或多电平电压型双向DC/DC变换器。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述储能模块采用电池、超级电容、赝电容中的一种或多种储能媒介。

7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于：

所述功率组件，具体用于通过对所述牵引网与所述高压柜内传感器的电压、电流进行监测，对牵引网的功率因数与网压谐波含量进行计算，并以计算结果为依据，对能量协调系统的工作模式进行规划与选择，通过功率/谐波补偿算法与PWM基本算法组合后的合成算法对PWM变流器的工作状态进行控制，通过DC/DC控制算法对DC/DC变换电路进行调节，使得能量在牵引网与储能模块之间进行双向流动。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述能量协调系统的工作过程包括：

对线路区段牵引网电能质量进行实时监测，通过监测牵引网电压、电流变化，判断线路区段内列车的运行工况，并以此列车的运行工况为依据对PWM变流器的运行模式进行选择与控制；

若牵引网电压升高，判断列车运行于制动工况，控制PWM变流器工作于整流模式，通过PWM变流器向直流母线传输能量，直流母线直接或者通过DC/DC变换器向储能模块充电，将列车再生制动产生的能量吸收储存于储能模块中；

若牵引网电压降低，判断列车运行于牵引工况，控制PWM变流器工作于逆变模式；将储能模块中储存的回收能量通过PWM变流器释放到牵引网上，向线路区段内的列车进行辅助供电；

若牵引网中容性无功能量大于设定的能量阈值，或电压中的谐波分量大于设定的电压阈值，则判断网侧电能需要进行功率补偿或谐波抵消，控制PWM变流器工作于补偿抵消模式；

若牵引网的电压的瞬间降低值大于设定的数值，则判断牵引网供电中断，控制PWM变流器工作于应急模式。