CN111775973A - 机车供电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机车供电系统，具体为一种机车供电系统及其控制方法。解决现有电力机车供电缺乏冗余的问题，以及供电品质及可靠性较差的问题。该机车供电系统，包括变压器、列车供电系统、柴油发电机供电系统和蓄电池。本发明通过多层冗余主电路拓扑设计和多层冗余的控制切换，大大提高了列车供电系统的可靠性和灵活性，提升了旅客乘坐的舒适性和便捷性；本发明具备为列车供电系统提供长时和短时供电能力，提高了机车供电的灵活性和安全性。

Description

机车供电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及机车供电系统，具体为一种机车供电系统及其控制方法。
背景技术
在我国西藏、青藏等偏远地区，因各种原因导致弓网供电中断时，列车供电及辅助系统需具有不间断供电能力，尤其是在隧道内，制氧机需要正常工作，避免出现缺氧情况发生。但现有电力机车只有弓网供电，缺乏供电冗余，无法满足不间断供电的需求。
现有列车供电主要有两种方案，一种是从变压器副边取电，四象限整流的列车供电方案；该方案虽然能够提供较为稳定的直流电，但其对电路的参数设计要求较高，四象限整流的直流电侧含有二次脉动，在列车负载突投、突切时，容易引起负载电流震荡，严重时容易产生谐振而触发供电保护，影响列车供电正常运行。尤其在冬季运行模式下，制热电阻为阻性元件，突投时产生较大电流冲击，造成隔离接触器发生误跳闸等工况，降低供电能力和可靠性。另一种是从牵引系统的直流母线取电进行降压斩波变换的列车供电方案；该方案在牵引系统的直流母线前级出现故障时，列车供电将失去供电能力，影响列车供电的可靠性；另一方面，牵引系统的直流母线受牵引电机的影响较大，在进行DC控制时，对控制的扰动较大，影响列车供电的控制精度和供电品质。
发明内容
本发明解决现有电力机车供电缺乏冗余的问题，以及供电品质及可靠性较差的问题，提供一种机车供电系统及其控制方法，以实现弓网供电中断时，备用电源的切换和控制；同时，提高列车供电的品质和可靠性。
本发明是采用如下技术方案实现的：机车供电系统，包括变压器、列车供电系统、柴油发电机供电系统和蓄电池；
变压器的原边连接弓网并有多个副边；列车供电系统从变压器副边取电；
列车供电系统包括供电电路1，供电电路1包括四象限变流器1，四象限变流器1的输入从变压器副边取电，四象限变流器1的直流输出的正极上串接有二极管D1，D1的阴极和四象限变流器1的负极作为供电电路1的正负输出端，为列车负载1（包括辅助逆变、照明、空调、制氧机、电加热设备等）供电；蓄电池的正负端经接触器KM2连接于供电电路1的正负输出端；
柴油发电机供电系统包括柴油发动机、发电机，蓄电池经接触器KM3为柴油发电机供电系统软启动提供电能，发电机的输出被整流后经接触器KM4连接于供电电路1的正负输出端。
工作时，弓网正常供电时，接触器KM2闭合，接触器KM3和接触器KM4断开，供电电路1由四象限变流器1整流并经二极管D1为列车负载1供电，同时为蓄电池充电；充电完成后的蓄电池相当于列车负载1的一个不间断供电电源（UPS）；在机车过分相阶段，弓网处于失电状态，蓄电池为列车负载1供电；过分相完成后，切换至正常供电工况，避免了过分相时列车负载1的频繁启动所产生的影响；
弓网供电下四象限变流器1损坏时，需采用柴油发电机供电系统为列车负载1进行长时供电：断开KM2/KM4，闭合KM3，为柴油发电机供电系统提供能量实现自启动，启动完成后断开KM3，闭合KM2/KM4，由柴油发电机供电系统为列车负载1供电，蓄电池恢复其UPS功能；
非弓网供电下，接触器KM3和接触器KM4闭合，启动柴油发电机供电系统；柴油发电机供电系统为列车负载1供电，并为蓄电池充电；
非弓网供电下，柴油发电机供电系统出现问题时，蓄电池替代柴油发电机供电系统，为列车负载1供电。
进一步，供电电路1还包括由电感L1和IGBT1构成的用于DC/DC升压的斩波器1，斩波器1连接于二极管D1和四象限变流器1之间。斩波器1可提高供电路1的供电品质。避免负载参数变化引起的谐振，对谐振从根源上进行抑制。
再进一步，还包括与供电电路1结构相同的供电电路2，即供电电路2包括依次连接的四象限变流器2、由电感L2和IGBT2构成的斩波器2和二极管D2，四象限变流器2的输入从变压器副边取电，供电电路2的正负输出端为列车负载2供电；供电电路1和供电电路2的正负输出端之间连接接触器KM1。通过设置供电电路2可增加列车供电系统的供电冗余。四象限变流器1或者四象限变流器2损坏，可闭合KM1启动并联工况，实现供电电路1或供电电路2为两组列车负载供电，保证两组负载的正常运行；同时可正常对蓄电池充电，防止蓄电池馈电，保证蓄电池UPS功能可靠。弓网供电下，斩波器1中的IGBT1或者斩波器2中的IGBT2损坏，可闭合KM1启动并联工况。
更进一步，供电电路1的正负输出端与列车负载1之间连接有接触器KM5；供电电路2的正负输出端与列车负载2之间连接有接触器KM6，以方便列车负载的切换。
本发明通过多层冗余主电路拓扑设计和多层冗余的控制切换，大大提高了列车供电系统的可靠性和灵活性，提升了旅客乘坐的舒适性和便捷性；本发明具备为列车供电系统提供长时和短时供电能力，提高了机车供电的灵活性和安全性。
附图说明
图1为本发明所述机车供电系统主电路拓扑结构图；
图2为本发明的斩波器控制框图。
具体实施方式
1.机车供电系统为照明、空调、制氧机、蓄电池、电加热等设备提供电能，图1为机车供电系统主电路拓扑结构。包括变压器、列车供电系统、柴油发电机供电系统和蓄电池。变压器有T3、T4两个副边，用于供电电路1、供电电路2的取电；包括预充电接触器K5/K6、预充电电阻R5/R6、主接触器K7/K8、四象限变流器1/2、斩波器1/2、支撑电容C1/C2、支撑电容C3/C4、二极管D1/D2，其中，斩波器1由电感L1和IGBT1构成，斩波器2由电感L2和IGBT2构成。柴油发电机辅助供电系统，主要由柴油发电机和三相整流系统构成；蓄电池用于电能存储，一方面用于过分相阶段为负载提供电能；另一方面为柴油发电机软启动提供电能。
2. 列车供电系统采用变压器副边直接取电的四象限变流器+升压斩波器的主电路拓扑结构，四象限变流器1和四象限变流器2进行AC-DC电能变换，其直流输出电压等级为DC500V。四象限变流器1和四象限变流器2在启动完成后分别将完成信号传送至斩波器1/2，斩波器1/2在收到完成信号后，斩波器启动，将电压按照特定斜率升至600V，为列车负载1和列车负载2提供电压等级为DC600V高品质直流电。
3．列车供电系统具有两套冗余供电设备，即柴油发电机供电系统和蓄电池，其中柴油发电机供电系统可以提供长时供电，蓄电池可提供短时供电。正常弓网工况时，经过四象限变流器和斩波器的变换后为后级负载提供DC600V高品质电压源，蓄电池连接在列车供电负载前级，为蓄电池充电，充电完成后的蓄电池相当于列车供电负载的一个不间断供电电源（UPS）。在机车过分相阶段，弓网处于失电状态，采用蓄电池供电为后级负载供电；过分相完成后，切换至正常供电工况，避免了过分相对后级负载的影响以及负载的频繁启动对前级控制和器件的冲击。
4.弓网正常供电，如果四象限变流器1或者四象限变流器2损坏，可启动并联工况，实现供电电路1或供电电路2为两组负载供电，保证两组负载的正常运行；同时可正常对蓄电池充电，防止蓄电池馈电，保证蓄电池UPS功能可靠。
5. 列车长编组运行时，启动长编组运行工况，切掉负载2后启动并联工况，由A列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载1供电，B列车的供电电路1和供电电路2为两列车的负载2供电；或者切掉负载1后启动并联工况，由B列车的供电电路1和供电电路2为两列车的两个负载2供电，A列车的供电电路1和供电电路2为两列车的负载1供电。
6. 弓网供电下，如果斩波器中的IGBT1或者IGBT2损坏，此时有两种转换工况，一种是四象限变流器升压工况，即将四象限变流器1或四象限变流器2的直流母线电压指令值设定600V即可；另一种是通过闭合接触器KM1启动并联工况，四象限变流器升压工况优先级高于并联工况。
7. 弓网供电下，四象限变流器1、四象限变流器2全部损坏时，需采用柴油发电机供电系统进行长时供电；蓄电池断开负载连接，接通柴油发电机供电系统为其提供能量实现柴油机自启动，启动完成后切除蓄电池与其连接，恢复与负载连接，由柴油发电机供电系统为负载供电，蓄电池恢复其UPS功能。
8. 非弓网供电下，柴油发电机供电系统出现问题时，蓄电池替代柴油发电机供电系统，为列车负载1和列车负载2供电。
9. 上述切换均可在自动和手动两种方式进行，当处于自动切换模式时，通过优先级和逻辑判断对备用电源和工作方式自动进行调整，切换完成后，将切换的工作工况上传至司控台显示；当处于手动切换模式时，由司机通过司控台进行工况选择，当选择一种工况后，其相关动作执行按照本工况自动进行，并将切换结果在司控台显示，不需要对相关接触器及部件进行直接控制操作。
10. 上述工况均分为夏季模式和冬季模式两种模式，在列车控制单元启动后，首先通过语音提示进行夏季模式或者冬季模式选择，只有选择其中一种模式后，才能进入程序自检。夏季模式与冬季模式的主要区别在于负载的投入先后顺序不同，在夏季模式时，列车供电启动完成达到设定输出电压后投入负载，即空载启动；冬季模式时，需先投入负载，然后顺序启动四象限变流器和斩波器供电至设定电压，可以进行带载启动，即软启动。
11. 四象限变流器1和四象限变流器2的控制采用传统的id-iq双解耦控制方法；斩波器1和斩波器2的控制采用传统的直流量与交流量的双环控制，即为直流量和交流量分别提供两个控制回路，其中直流量通路用于控制输出电压至指令电压；交流量通路主要完成对中间母线电压二次脉动抑制作用。
进一步描述如下：
1. 弓网工况下，在列车控制单元启动后，通过语音提示进行夏季模式或者冬季模式选择，选择完成后，进入程序自检。当选择冬季模式时，断开KM1/KM2/KM3/KM4，闭合负载接触器KM5/KM6，通过变压器副边的T3、T4取电，闭合预充电接触器K5/K6，1.5s后闭合主接触器K7/K8，电容C1/C2电压达到1.3倍的变压器副边电压时，启动四象限变流器1和四象限变流器2；C1/C2达到500V后，启动升压斩波器1和斩波器2，C3/C4电压达到600V时，闭合KM2后为蓄电池及负载供电；其中，R5/R6为预充电电阻；当选择夏季模式时，断开KM1/ KM2/KM3/KM4，断开负载接触器KM5/KM6，通过变压器副边的T3、T4取电，闭合预充电接触器K5/K6，1.5s后闭合主接触器K7/K8，电容C1/C2电压达到1.3倍的变压器副边电压时，启动四象限变流器1和四象限变流器2；四象限变流器1和四象限变流器2启动完成后启动斩波器1和斩波器2；斩波器1和斩波器2启动完成后，间隔0.5s顺序闭合负载接触器时KM2/KM5/KM6。
2. 弓网供电下，经过四象限变流器1、四象限变流器2、斩波器1、斩波器2进行电能变换，给列车负载1和列车负载2提供DC600V高品质直流电，KM2处于闭合状态，为蓄电池充电；当机车处于过分相时（弓网失电），将KM1闭合，蓄电池为列车负载1和列车负载2供电，保证两组负载正常运行；过分相完成后，KM1断开，蓄电池处于充电状态，恢复UPS功能。
3. 弓网供电下，如果四象限变流器1或者四象限变流器2损坏，可闭合KM1启动并联工况，实现供电电路1或供电电路2为列车负载1和列车负载2供电，保证两组负载的正常运行；同时可正常对蓄电池充电，防止蓄电池馈电，保证蓄电池UPS功能可靠。
4．列车长编组运行时，启动长编组运行工况，其过程为本列车切掉负载2，闭合KM1启动并联工况，由本列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载1供电；另一列车切掉负载1，闭合KM1启动并联工况，由另一列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载2供电；或者本列车切掉负载1，闭合KM1启动并联工况，由本列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载2供电；另一列车切掉负载2，闭合KM1启动并联工况，由另一列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载1供电。
5. 弓网供电下，如果斩波器1中的IGBT1或者斩波器2中的IGBT2损坏，此时有两种转换工况，斩波器正常的，保持原来工作工况；斩波器损坏的有两种工况可以选择，一种是斩波器损坏的供电电路中的四象限变流器升压工况，即以IGBT1或者IGBT2的脉冲反馈的故障信号（多次复位后，仍报出脉冲反馈故障时，确认IGBT损坏）为触发信号，将斩波器损坏的供电电路中的四象限变流器输出电压指令值自动以固定步长累加至600V，相当于将斩波器功能直接用四象限实现，其代价是供电品质略微下降；另一种是断斩波器损坏的供电电路的主接触器K7或者K8，闭合KM1，采用并联工况；两种工况的优先级为四象限升压工况优先级高与并联工况；四象限升压工况下，四象限变流器1或四象限变流器2损坏时，进入到并联工况，保证供电可靠。
6. 弓网供电下四象限变流器1和四象限变流器2全部损坏时，需采用柴油发电机供电系统为列车负载进行长时供电：断开主接触器K7、K8和预充电接触器K5、K6，断开KM1/KM2/KM4，闭合KM3，接通蓄电池，为柴油发电机供电系统提供能量实现自启动，启动完成后断开KM3，切除蓄电池与其连接；闭合KM1/KM2/KM4，由柴油发电机供电系统为列车负载1和列车负载2供电，蓄电池恢复其UPS功能，提供短暂供电。KM3出现卡分时，闭合接触器KM2/KM4，接通蓄电池，为柴油发电机系统提供自启动电能；若KM4出现卡分，则闭合接触器KM2/KM3通过蓄电池进行电能连接；若KM2出现卡分，则闭合接触器KM3/KM4给柴油发电机供电系统提供蓄电池的电能通路。
7. 非弓网供电下，柴油发电机供电系统出现问题时，蓄电池替代柴油发电机供电系统，为列车负载1和列车负载2供电。
8. 上述切换均可在自动和手动两种方式进行实现，当处于自动切换模式时，通过优先级和逻辑判断对备用电源和工作方式自动进行调整；当处于手动切换模式时，由司机通过司控台进行工况选择，当选择一种工况后，其相关动作执行按照本工况自动进行，不需要对相关接触器进行直接控制操作。
9. 如图2所示，斩波器1和斩波器2的控制方法中加入了基于谐振的R控制器，给定的指令电压为600V与供电电路的实际电压进行比较，比较后的误差值分别通过直流量控制器和交流量控制器，其中直流量控制器采用二阶控制器；交流量控制器采用基于谐振的R控制器，将直流量控制器和交流量控制器的输出进行求和运算，得到脉冲调制波，进入脉冲调制得到脉冲信号送至IGBT1和IGBT2的执行单元，可完成对四象限变流器1和四象限变流器2输出母线电压中100Hz谐波进行跟踪控制。
10. 脉冲调制中载波采用具有直角边的锯齿波进行调制。

Claims (10)

1.一种机车供电系统，其特征在于，包括变压器、列车供电系统、柴油发电机供电系统和蓄电池；
变压器的原边连接弓网并有多个副边；列车供电系统从变压器副边取电；
列车供电系统包括供电电路1，供电电路1包括四象限变流器1，四象限变流器1的输入从变压器副边取电，四象限变流器1的直流输出的正极上串接有二极管D1，D1的阴极和四象限变流器1的负极作为供电电路1的正负输出端，为列车负载1供电；蓄电池的正负端经接触器KM2连接于供电电路1的正负输出端；
柴油发电机供电系统包括柴油发动机、发电机，蓄电池经接触器KM3为柴油发电机供电系统软启动提供电能，发电机的输出被整流后经接触器KM4连接于供电电路1的正负输出端。
2.根据权利要求1所述的机车供电系统，其特征在于，供电电路1还包括由电感L1和IGBT1构成的用于DC/DC升压的斩波器1，斩波器1连接于二极管D1和四象限变流器1之间。
3.根据权利要求2所述的机车供电系统，其特征在于，还包括与供电电路1结构相同的供电电路2，即供电电路2包括依次连接的四象限变流器2、由电感L2和IGBT2构成的斩波器2和二极管D2，四象限变流器2的输入从变压器副边取电，供电电路2的正负输出端为列车负载2供电；供电电路1和供电电路2的正负输出端之间连接接触器KM1。
4.根据权利要求3所述的机车供电系统，其特征在于，供电电路1的正负输出端与列车负载1之间连接有接触器KM5；供电电路2的正负输出端与列车负载2之间连接有接触器KM6。
5.根据权利要求4所述的机车供电系统，其特征在于，
变压器有T3、T4两个副边，用于供电电路1、供电电路2的取电；
列车供电系统的供电电路1在四象限变流器1之前还有由预充电接触器K5、预充电电阻R5、主接触器K7构成的预充电电路，四象限变流器1和斩波器1之间有支撑电容C1，供电电路1的正负输出端之间连接有支撑电容C3；供电电路2在四象限变流器2之前还有由预充电接触器K6、预充电电阻R6、主接触器K8构成的预充电电路，四象限变流器2和斩波器2之间有支撑电容C2，供电电路2的正负输出端之间连接有支撑电容C4；
四象限变流器1和四象限变流器2进行AC-DC电能变换，其直流输出电压等级为DC500V；斩波器1和斩波器2实现DC-DC电能变换，为后级列车负载1和列车负载2提供电压等级为DC600V直流电。
6.权利要求1所述的机车供电系统的控制方法，其特征在于，弓网正常供电时，接触器KM2闭合，接触器KM3和接触器KM4断开，供电电路1由四象限变流器1整流并经二极管D1为列车负载1供电，同时为蓄电池充电；充电完成后的蓄电池相当于列车负载1的一个不间断供电电源；在机车过分相阶段，弓网处于失电状态，蓄电池为列车负载1供电；过分相完成后，切换至正常供电工况，避免了过分相时列车负载1的频繁启动所产生的影响；
弓网供电下四象限变流器1损坏时，需采用柴油发电机供电系统为列车负载1进行长时供电：断开KM2/KM4，闭合KM3，为柴油发电机供电系统提供能量实现自启动，启动完成后断开KM3，闭合KM2/KM4，由柴油发电机供电系统为列车负载1供电，蓄电池恢复其UPS功能；
非弓网供电下，接触器KM3和接触器KM4闭合，启动柴油发电机供电系统；柴油发电机供电系统为列车负载1供电，并为蓄电池充电；
非弓网供电下，柴油发电机供电系统出现问题时，蓄电池替代柴油发电机供电系统，为列车负载1供电。
7.权利要求5所述的机车供电系统的控制方法，其特征在于，由如下步骤实现：
1）弓网供电下，经过四象限变流器1、四象限变流器2、斩波器1、斩波器2进行电能变换，给列车负载1和列车负载2提供DC600V直流电，KM2处于闭合状态，为蓄电池充电；当机车处于过分相时，将KM1闭合，蓄电池为列车负载1和列车负载2供电，保证两组负载正常运行；过分相完成后，KM1断开，蓄电池处于充电状态，恢复UPS功能；
2）弓网供电下，如果四象限变流器1或者四象限变流器2损坏，可闭合KM1启动并联工况，实现供电电路1或供电电路2为列车负载1和列车负载2供电，保证两组负载的正常运行；同时可正常对蓄电池充电；
3）弓网供电下，如果斩波器1中的IGBT1或者斩波器2中的IGBT2损坏，此时有两种转换工况，斩波器正常的，保持原来工作工况；斩波器损坏的有两种工况可以选择，一种是斩波器损坏的供电电路中的四象限变流器升压工况，即以IGBT1或者IGBT2的脉冲反馈的故障信号为触发信号，将斩波器损坏的供电电路中的四象限变流器输出电压指令值自动以固定步长累加至600V；另一种是断斩波器损坏的供电电路的主接触器K7或者K8，闭合KM1，采用并联工况；两种工况的优先级为四象限升压工况优先级高与并联工况；四象限升压工况下，四象限变流器1或四象限变流器2损坏时，进入到并联工况，保证供电可靠；
4）弓网供电下四象限变流器1和四象限变流器2全部损坏时，需采用柴油发电机供电系统为列车负载进行长时供电：断开主接触器K7、K8和预充电接触器K5、K6，断开KM1/KM2/KM4，闭合KM3，接通蓄电池，为柴油发电机供电系统提供能量实现自启动，启动完成后断开KM3，切除蓄电池与其连接；闭合KM1/KM2/KM4，由柴油发电机供电系统为列车负载1和列车负载2供电，蓄电池恢复其UPS功能；
5）非弓网供电下，柴油发电机供电系统出现问题时，蓄电池替代柴油发电机供电系统，为列车负载1和列车负载2供电。
8.根据权利要求7所述的机车供电系统的控制方法，其特征在于，弓网工况下，进行夏季模式或者冬季模式选择，当选择冬季模式时，断开KM1/KM2/KM3/KM4，闭合负载接触器KM5/KM6，通过变压器副边的T3、T4取电，闭合预充电接触器K5/K6，1.5s后闭合主接触器K7/K8，电容C1/C2电压达到1.3倍的变压器副边电压时，启动四象限变流器1和四象限变流器2；C1/C2达到500V后，启动升压斩波器1和斩波器2，C3/C4电压达到600V时，闭合KM2后为蓄电池及负载供电；当选择夏季模式时，断开KM1/ KM2/KM3/KM4，断开负载接触器KM5/KM6，通过变压器副边的T3、T4取电，闭合预充电接触器K5/K6，1.5s后闭合主接触器K7/K8，电容C1/C2电压达到1.3倍的变压器副边电压时，启动四象限变流器1和四象限变流器2；四象限变流器1和四象限变流器2启动完成后启动斩波器1和斩波器2；斩波器1和斩波器2启动完成后，间隔0.5s顺序闭合负载接触器时KM2/KM5/KM6。
9.根据权利要求8所述的机车供电系统的控制方法，其特征在于，列车长编组运行时，启动长编组运行工况，其过程为本列车切掉负载2，闭合KM1启动并联工况，由本列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载1供电；另一列车切掉负载1，闭合KM1启动并联工况，由另一列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载2供电；或者本列车切掉负载1，闭合KM1启动并联工况，由本列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载2供电；另一列车切掉负载2，闭合KM1启动并联工况，由另一列车的供电电路1和供电电路2为两列车的列车负载1供电。
10.根据权利要求9所述的机车供电系统的控制方法，其特征在于，斩波器1和斩波器2的控制方法中加入了基于谐振的R控制器，给定的指令电压为600V与供电电路的实际电压进行比较，比较后的误差值分别通过直流量控制器和交流量控制器，其中直流量控制器采用二阶控制器；交流量控制器采用基于谐振的R控制器，将直流量控制器和交流量控制器的输出进行求和运算，得到脉冲调制波，进入脉冲调制得到脉冲信号送至IGBT1和IGBT2的执行单元。
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