CN112670979B - 一种集成式铁路电力系统供电网络架构及其协同控制方法 - Google Patents

Abstract

一种集成式铁路电力系统供电网络架构及其协同控制方法，其特征在于，包括：牵引变压器及上下行供电臂、左右迁移型能量路由器EMR、铁路电力供配电网络和网络互联型骨干路由器NCBR；牵引变压器及上下行供电臂为上下行列车供电；EMR用于同一台连接牵引变压器的上下行供电臂，连接不同牵引变压器之间的供电臂；NCBR连接铁路牵引27.5kV供电网络，转换为三相三线10kV或35kV电源，连接到铁路电力供配电网络，为铁路电力供配电网络内的负荷进行供电；同时通过牵引态、制动态和电源态控制实现了集成式铁路电力系统供电网络架构的协同运行。

Description

一种集成式铁路电力系统供电网络架构及其协同控制方法

技术领域

本发明涉及铁路电力系统供电技术领域，具体涉及一种集成式铁路电力系统供电网络架构及其协同控制方法。

背景技术

铁路电力系统一般由铁路牵引供电系统(为27.5kV单相供电)和铁路电力供配电系统(10kV或35kV三相三线供电)构成。

铁路牵引供电系统的电能来源：公用电网110kV或220kV利用变压器变成27.5kV，27.5kV分成上行和下行两个供电臂，为上下行机车进行供电。且，同一个铁路牵引变电所的上下桥臂之间有分段，没有直接连接。不同牵引变电所的供电桥臂之间设有分段，没有直接连接。

铁路电力供配电系统电能来源：公用电网10kV或35kV变电站，但是该变电站一般距离铁路电力供配电所很远，通常几十公里，最远可达上百公里。供配电系统为铁路站馈线、自闭贯通线等线路进行供电，各馈线再利用10kV或35kV变0.4kV的变压器为各低压负荷进行供电，常见负荷为车站用电、线路信号、水泵、人员生活、检修设备等。

现有铁路电力供配电系统的电源来自公用电网的10kV或35kV专用线路，该线路一般为几十甚至上百公里长，其勘察设计、施工建设、运行维护，从设计伊始到正常运行，都需要投入大量的人力、物力、财力，其建设投资一般高达千万，运行维护高达百万。尤其在发达地带，线路走廊空间涉及到征地、拆迁时，投资常为天文数字。

现有铁路电力供配电系统的电源运行后，其供电连续性、供电可靠性受公用电网影响。线路过长造成供电质量低下，易造成空载电容效应和操作过电压。线路的运行维护也面临较大困难，一旦发生故障，故障定位和排查都需要较长时间。

此外，现有铁路电力供配电系统的电源运行后，线路损耗每年浪费了大量的能源和电费。

铁路牵引变电所的牵引变压器输出上行和下行两个桥臂为铁路机车供电，而机车运行时由于单相取电，造成上下行两个桥臂的电流不均衡，牵引变压器面临不平衡风险，加剧了牵引变压器的损耗。

铁路牵引变电所的牵引变压器输出上行和下行两个桥臂为铁路机车供电，而铁路机车在刹车制动时产生反方向功率，极易造成铁路牵引供电系统内形成短时过电压。

铁路牵引变电所和铁路电力供配电所是分开建设，由不同的人员进行独立运行维护，耗费了大量的人力、物力和财力。

不难看出，现有技术中还存在诸多问题。

发明内容

为此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种集成式铁路电力系统供电网络架构及其协同控制方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种集成式铁路电力系统供电网络架构，包括：牵引变压器及上下行供电臂、左右迁移型能量路由器EMR、铁路电力供配电网络和网络互联型骨干路由器NCBR；牵引变压器及上下行供电臂为上下行列车供电；EMR用于连接同一台牵引变压器的上下行供电臂，连接不同牵引变压器之间的供电臂；NCBR连接铁路牵引27.5kV供电网络，转换为三相三线10kV或35kV电源，连接到铁路电力供配电网络，为铁路电力供配电网络内的负荷进行供电。

进一步的，所述EMR为：输入输出侧均含有全控变换器，输入输出侧两个全控变换器中间为储能元件，两个全控变换器分别为全控变换器L和全控变换器R。

进一步的，所述全控变换器与牵引电压之间增加有变压器，用来降低全控变换器与牵引网之间的电压等级。

进一步的，所述NCBR由多绕组变压器、功率单元、滤波器、输出变压器等构成，其中功率单元由整流器、储能元件和逆变器构成，输入端连接27.5kV输入，经整流器整流后转为直流，所述直流经储能元件储能平波后，经逆变通过滤波器和输出变压器输出10kV或35kV电压。

进一步的，本发明还提供一种基于集成式铁路电力系统供电网络架构的集成式铁路电力系统协同控制方法，包括：

牵引态控制方法，指铁路机车在运行过程中，牵引列车前进且从接触网取得有功电流的状态；

制动态控制方法，指供电臂上的列车进行刹车制动时，制动后机车上的变流器产生反向功率返送到供电臂上，反向功率会造成接触网供电臂的过电压，影响设备的安全运行，造成接触网的继电保护动作；

电源态控制方法，指牵引变压器面临季节性维护或者突然损坏，在变压器退出运行时为列车提供电能供应，此时集成式网络架构的工作态为电源态。

进一步的，所述牵引态控制方法为：

设定：牵引变压器JCSS_A,上下行供电臂分别为arm_L_A和arm_R_A,连接上下行供电臂的是EMR_A，连接铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统的是NCBR_A,牵引变压器JCSS_A的上下行供电臂功率分别为P_{arm_L_A}和P_{arm_R_A},EMR_A从上下行供电臂转移的能量分别为P_{EMR_L_A}和P_{EMR_R_A},NCBR_A从牵引供电臂取得的功率为P_{NCBR_A}.当列车位于arm_L_A供电臂并从供电臂取得功率P_locomotive时，供电网络处于牵引态：

转移前：机车的功率和铁路电力供配电网络的功率全部由牵引变压器的arm_L_A供电臂提供，即转移前的功率为供给关系为：

P_locomotive+P_{NCBR_A}＝P_{arm_L_A}

转移后：机车的功率和铁路电力供配电网络的功率由牵引变压器的arm_L_A和arm_R_A两侧供电臂同时提供，且两边相等：

P_locomotive+P_{NCBR_A}＝2P_{arm_L_A}＝2P_{arm_R_A}；

即，不考虑线路功率损耗和EMR_A自身功率损耗等，则控制方法为EMR_A从arm_R_A向arm_L_A转移功率，功率大小是：

当牵引变压器左右侧(上下行)供电臂同时有列车经过时，EMR_A转移的方向为功率小的一侧向功率大的一侧转移，转移的功率大小为左右侧(上下行)供电臂功率差值的一半。

进一步的，所述制动态控制方法为：

设定集成式铁路电力系统内的两个牵引变压器分别为JCSS_A和JCSS_B，连接了JCSS_A两个供电臂arm_L_A和arm_R_A的能量路由器是EMR_A，连接JCSS_B两个供电臂arm_L_B和arm_R_B的能量路由器是EMR_B,连接不同牵引变压器供电臂arm_R_A和arm_L_B的能量路由器是EMR_AB,同时分别有能量路由器NCBR_A和NCBR_B分别将牵引变压器JCSS_A的供电臂arm_L_A与JCSS_A范围内的铁路电力供电网路相连，将牵引变压器JCSS_B的供电臂arm_L_B与JCSS_B范围内的铁路电力供电网路相连.当JCSS_A牵引变压器的供电臂arm_L_A上有列车处于刹车制动状态，而JCSS_B牵引变压器的供电臂arm_L_B上有列车处于牵引取流状态。

当供电臂arm_L_A上的列车制动状态下的返送功率P_{regenerate_L_A}大于JCSS_A供电臂arm_L_A上NCBR_A所需功率时，连接JCSS_A两个供电臂的EMR_A将多余的能量转移到EMR_AB,而EMR_AB再将能量转移到牵引变压器JCSS_B的供电臂arm_L_B给机车使用。

忽略各能量路由器的和线路等的损耗，则各集成后网络架构内路由器协同下转移给牵引变压器JCSS_B供电臂的功率为：

P_{EMR_L_A}＝P_{EMR_R_A}＝P_{EMR_R_AB}＝P_{EMR_L_AB}＝P_{regenerate_L_A}-P_{NCBR_A}

而，在牵引变压器JCSS_B的供电臂内，EMR_B从牵引变压器arm_R_B供电臂转移到arm_L_B供电臂的功率为：

经过转移后，则JCSS_B内的牵引变压器两侧供电臂的功率相等实现平衡。

当供电臂arm_L_A上的列车制动状态下的返送功率P_{regenerate_L_A}小于等于JCSS_A供电臂arm_L_A上NCBR_A所需功率时，EMR_AB转移的功率为零P_{EMR_R_AB}＝0，在牵引变压器JCSS_A供电臂内，EMR_A从arm_L_B向arm_L_A转移的能量为

此时，JCSS_B的EMR_B工作在牵引态。

进一步的，所述电源态控制方法为：

设定集成式铁路电力系统供电网络架构内的三个牵引变压器依次为JCSS_A、JCSS_B和JCSS_C，各牵引变压器的供电臂区间依次为arm_L_A、arm_R_A、arm_L_B、arm_R_B、arm_L_C、arm_R_C,连接牵引变压器上下行桥臂的能量路由器依次为EMR_A、EMR_B、EMR_C，不同牵引变压器桥臂之间互联的能量路由器依次为EMR_AB、EMR_BC,牵引变压器供电臂内与铁路电力供配电系统互联的能量路由器依次为NCBR_A、NCBR_B、NCBR_C。

当牵引变压器JCSS_B进行运维或者发生故障而退出运行时，刚好有列车经过JCSS_B的供电臂arm_L_B，此时JCSS_B的供电臂缺乏电源支撑；此时，集成式铁路电力系统网络的协同控制过程为：

牵引变压器JCSS_A和JCSS_B之间的EMR_AB，其与arm_L_B相连的变换器由并网状态转换为离网逆变输出电压状态，输出电压幅值为供电臂的额定电压。牵引变压器JCSS_B和JCSS_C之间的EMR_BC，其与arm_R_B相连的变换器由并网状态转换为离网逆变输出电压状态，输出电压幅值为供电臂的额定电压。

此时arm_L_B的机车和NCBR_B所需的总功率为：P_{NCBR_B}+P_locomotive

为了降低EMR_AB转移的功率，EMR_B将arm_R_B供电臂的能量转移到arm_L_B供电臂，转移功率的数值为:

此时，EMR-AB和EMR-BC功率达到平衡。

在牵引变压器JCSS_C的供电区间内，EMR_C将arm_R_C供电臂的能量转移到arm_L_C供电臂，转移功率的数值为:

转移后，则JCSS_C内的两侧供电臂功率达到平衡。

JCSS_A供电区间内，EMR_A转移功率前JCSS_A的供电臂arm_R_A功率为

JCSS_A的供电臂arm_L_A的功率为P_{NCBR_A}。

当

时，JCSS_A供电区间内的EMR_A从JCSS_A的供电臂arm_R_A向供电臂arm_L_A转移功率，转移功率的大小为

当

时，JCSS_A供电区间内的EMR_A从JCSS_A的供电臂arm_L_A向供电臂arm_R_A转移功率，转移功率的大小为

本发明提供的一种集成式铁路电力系统供电网络架构，由于设置了EMR和NCBR，将牵引变压器上下行供电臂互联，将不同牵引变压器的供电区间互联，将铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统互联，因此整个网络形成集成式架构，从而可以具有以下优势：

1-EMR可以转移能量，在两侧供电桥臂能量不一致时，实现能量转运，实现平衡两侧能量，使牵引变压器的电流实现平衡。

2-当机车刹车制动时，发生了能量返送。一方面EMR能够转移一部分返送能量到对侧桥臂，减少过电压。另一方面，NCBR从牵引侧转移了有功能量到铁路电力供配电系统侧，能够消纳一部分的返送能量。两者作用叠加，可以减少由此造成的能量返送问题和过电压问题。

3-NCBR和EMR的存在，可以使铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统互联，进行统一变电站的设计和建设，减少规划和设计周期、建设周期，可以共用一套运维人员，缩短建设周期，减少施工建设和运维的成本。

4-NCBR节约了引入到铁路电力供配电所的公用电网10kV或35kV专用线路电源勘察设计、建设施工、走廊空间和长期的运行维护等大量人力、物力、财力，有助于实现节能环保。

5-通过NCBR从铁路牵引向铁路电力供配电系统转移能量，其供电自主性和灵活性大大加强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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是本发明所述的牵引态控制方法对应的电力系统拓扑结构图；

图2是本发明所述的制动态控制方法对应的电力系统拓扑结构图；

图3是本发明所述的电源态控制方法对应的电力系统拓扑结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例子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。

实施例

需要说明的是，本发明所述的：

EMR:Energy Migration Router,能量迁移型路由器。用于连接同一牵引变电所上下行桥臂的能量路由器，或者连接不同牵引变电所相邻桥臂的能量路由器。输入和输出等级为27.5kV。

NCBR:Network Connected Backbone Router,电力网络互连型能量路由器，输入电压等级为27.5kV，输出电压等级为10kV或35kV，用于连接铁路牵供电系统和铁路电力配电系统，将两种电网互连，将27.5kV的电转换为铁路电力配电系统使用的电。

一种集成式铁路电力系统供电网络架构，包括：牵引变压器及上下行供电臂、左右迁移型能量路由器EMR、铁路电力供配电网络和网络互联型骨干路由器NCBR；牵引变压器及上下行供电臂为上下行列车供电；EMR用于连接同一台牵引变压器的上下行供电臂，连接不同牵引变压器之间的供电臂；NCBR连接铁路牵引27.5kV供电网络，转换为三相三线10kV或35kV电源，连接到铁路电力供配电网络，为铁路电力供配电网络内的负荷进行供电。

作为优选，所述EMR的全控变换器与牵引电压之间可以增加有变压器，来降低全控变换器与牵引网之间的电压等级。

作为优选，所述的EMR全控变换器，可以工作在整流和逆变两种状态。

作为优选，所述NCBR由多绕组变压器、功率单元、滤波器、输出变压器等构成，其中功率单元由整流器、储能元件和逆变器构成，输入端输接27.5kV输入，经整流器整流后转为直流，所述直流经储能元件储能平波后，经逆变通过滤波器和输出变压器输出10kV或35kV电压。

需要说明的是，本实施例所述EMR的一个典型组成方案，即：

输入输出侧均为全控变换器、中间为储能元件，其中全控变换器与牵引电压之间也可以增加变压器，来降低变换器与牵引网之间的电压等级。此外，储能元件之外也可以增加储能回路，例如DC-DC变换器后增加超级电容或者储能电池等。

所述EMR的工作原理为：当牵引变压器上行侧(左侧)有列车经过，下行侧(右侧)无列车经过。此时，变压器左侧供电臂有电流、右侧供电臂无电流，牵引变压器处于不平衡工作状态。EMR此时全控变换器R工作在整流状态，从牵引变压器右侧供电臂吸收有功功率；EMR左侧全控变换器L工作在逆变状态，向牵引变压器左侧供电臂释放有功功率。EMR通过将牵引变压器的左右侧(上下行)功率进行转移，使列车所需要的功率一部分来自牵引变压器的左侧供电臂，一部分来自EMR从牵引变压器右侧供电臂转移。当EMR使牵引变压器左右侧(上下行)的供电臂功率达到平衡时，牵引变压器也工作在平衡状态。EMR的储能元件的作用是储能平波直流电压。当牵引变压器右侧有机车时，EMR将牵引变压器左侧的功率转移到右侧。当牵引变压器左右侧(上下行)都有机车时，将牵引变压器供电功率小的一侧供电臂功率转移到供电臂多的一侧。

本发明还提供有一种集成式铁路电力系统供电网络的协同控制方法，包括：

牵引态控制方法，指铁路机车在运行过程中，牵引列车前进且从接触网取得有功电流的状态；

制动态控制方法，指供电臂上的列车由于某种原因进行刹车制动，制动后机车上的变流器产生反向功率返送到供电臂上，反向功率会造成接触网供电臂的过电压，影响设备的安全运行，甚至造成接触网的继电保护动作；

电源态控制方法，指牵引变压器经常面临季节性维护或者突然损坏，在变压器退出运行时为列车提供电能供应的情况，此时集成式网络架构的工作态为电源态。

作为优选，如图1所示，所述牵引态控制方法为：

假设牵引变压器JCSS_A,上下行供电臂分别为arm_L_A和arm_R_A,连接上下行供电臂的是EMR_A，连接铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统的是NCBR_A,牵引变压器JCSS_A的两个供电臂功率分别为P_{arm_L_A}和P_{arm_R_A},EMR_A从上下行供电臂转移的能量分别为P_{EMR_L_A}和P_{EMR_R_A},NCBR_A从牵引供电臂取得的功率为P_{NCBR_A}当列车位于arm_L_A供电臂并从供电臂取得功率P_locomotive时，供电网络处于牵引态：

转移前：机车的功率和铁路电力供配电网络的功率全部由牵引变压器的arm_L_A供电臂提供，即转移前的功率为供给关系为：

P_locomotive+P_{NCBR_A}＝P_{arm_L_A}

转移后：机车的功率和铁路电力供配电网络的功率由牵引变压器的arm_L_A和arm_R_A两侧供电臂同时提供，且两边相等：

P_locomotive+P_{NCBR_A}＝2P_{arm_L_A}＝2P_{arm_R_A}；

即，不考虑线路功率损耗和EMR_A自身功率损耗等，则控制方法为EMR_A从arm_R_A向arm_L_A转移功率，功率大小是：

当牵引变压器左右侧(上下行)供电臂同时有列车经过时，EMR_A转移的方向为功率小的一侧向功率大的一侧转移，转移的功率大小为左右侧(上下行)供电臂功率差值的一半。

作为优选，如图2所示，为：

假设集成式铁路电力系统内的两个牵引变压器分别为JCSS_A和JCSS_B，连接了JCSS_A两个供电臂arm_L_A和arm_R_A的能量路由器是EMR_A，连接JCSS_B两个供电臂arm_L_B和arm_R_B的能量路由器是EMR_B,连接不同牵引变压器供电臂arm_R_A和arm_L_B的能量路由器是EMR_AB,同时分别有能量路由器NCBR_A和NCBR_B分别将牵引变压器JCSS_A的供电臂arm_L_A与JCSS_A范围内的铁路电力供电网路相连，将牵引变压器JCSS_B的供电臂arm_L_B与JCSS_B范围内的铁路电力供电网路相连.当JCSS_A牵引变压器的供电臂arm_L_A上有列车处于刹车制动状态，而JCSS_B牵引变压器的供电臂arm_L_B上有列车处于牵引取流状态。

当供电臂arm_L_A上的列车制动状态下的返送功率P_{regenerate_L_A}大于JCSS_A供电臂arm_L_A上NCBR_A所需功率时，连接JCSS_A两个供电臂的EMR_A将多余的能量转移到EMR_AB,而EMR_AB再将能量转移到牵引变压器JCSS_B的供电臂arm_L_B给机车使用。

忽略各能量路由器的和线路等的损耗，则各集成后网络架构内路由器协同下转移给牵引变压器JCSS_B供电臂的功率为：

P_{EMR_L_A}＝P_{EMR_R_A}＝P_{EMR_R_AB}＝P_{EMR_L_AB}＝P_{regenerate_L_A}-P_{NCBR_A}

而，在牵引变压器JCSS_B的供电臂内，EMR_B从牵引变压器arm_R_B供电臂转移到arm_L_B供电臂的功率为：

经过转移后，则JCSS_B内的牵引变压器两侧供电臂的功率相等实现平衡。

当供电臂arm_L_A上的列车制动状态下的返送功率P_{regenerate_L_A}小于等于JCSS_A供电臂arm_L_A上NCBR_A所需功率时，EMR_AB转移的功率为零P_{EMR_R_AB}＝0。在牵引变压器JCSS_A供电臂内，EMR_A从arm_L_B向arm_L_A转移的能量为

此时，JCSS_B的EMR_B工作在牵引态。

作为优选，如图3所示，所述电源态控制方法为：

设定集成式铁路电力系统供电网络架构内的三个牵引变压器依次为JCSS_A、JCSS_B和JCSS_C，各牵引变压器的供电臂区间依次为arm_L_A、arm_R_A、arm_L_B、arm_R_B、arm_L_C、arm_R_C,连接牵引变压器上下行桥臂的能量路由器依次为EMR_A、EMR_B、EMR_C，不同牵引变压器桥臂之间互联的能量路由器依次为EMR_AB、EMR_BC,牵引变压器供电臂内与铁路电力供配电系统互联的能量路由器依次为NCBR_A、NCBR_B、NCBR_C。

当牵引变压器JCSS_B进行运维或者发生故障而退出运行时，刚好有列车经过JCSS_B的供电臂arm_L_B，此时JCSS_B的供电臂缺乏电源支撑；此时，集成式铁路电力系统网络的协同控制过程为：

牵引变压器JCSS_A和JCSS_B之间的EMR_AB，其与arm_L_B相连的变换器由并网状态转换为离网逆变输出电压状态，输出电压幅值为供电臂的额定电压。牵引变压器JCSS_B和JCSS_C之间的EMR_BC，其与arm_R_B相连的变换器由并网状态转换为离网逆变输出电压状态，输出电压幅值为供电臂的额定电压。

此时arm_L_B的机车和NCBR_B所需的总功率为：P_{NCBR_B}+P_locomotive

为了降低EMR_AB转移的功率，EMR_B将arm_R_B供电臂的能量转移到arm_L_B供电臂，转移功率的数值为:

此时，EMR-AB和EMR-BC功率达到平衡。

在牵引变压器JCSS_C的供电区间内，EMR_C将arm_R_C供电臂的能量转移到arm_L_C供电臂，转移功率的数值为:

转移后，则JCSS_C内的两侧供电臂功率达到平衡。

JCSS_A供电区间内，EMR_A转移功率前JCSS_A的供电臂arm_R_A功率为

JCSS_A的供电臂arm_L_A的功率为P_{NCBR_A}。

当

时，JCSS_A供电区间内的EMR_A从JCSS_A的供电臂arm_R_A向供电臂arm_L_A转移功率，转移功率的大小为

当

时，JCSS_A供电区间内的EMR_A从JCSS_A的供电臂arm_L_A向供电臂arm_R_A转移功率，转移功率的大小为

本发明提供的一种集成式铁路电力系统供电网络架构，由于设置了EMR和NCBR，将牵引变压器上下行供电臂互联，将不同牵引变压器的供电区间互联，将铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统互联，因此整个网络形成集成式架构，从而可以具有以下优势：

1-EMR可以转移能量，在两侧供电桥臂能量不一致时，实现能量转运，实现平衡两侧能量，使牵引变压器的电流实现平衡。

2-当机车刹车制动时，发生了能量返送。一方面EMR能够转移一部分返送能量到对侧桥臂，减少过电压。另一方面，NCBR从牵引侧转移了有功能量到铁路电力供配电系统侧，能够消纳一部分的返送能量。两者作用叠加，可以减少由此造成的能量返送问题和过电压问题。

3-NCBR和EMR的存在，可以使铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统互联，进行统一变电站的设计和建设，减少规划和设计周期、建设周期，可以共用一套运维人员，缩短建设周期，减少施工建设和运维的成本。

4-NCBR节约了引入到铁路电力供配电所的公用电网10kV或35kV专用线路电源勘察设计、建设施工、走廊空间和长期的运行维护等大量人力、物力、财力，有助于实现节能环保。

5-通过NCBR从铁路牵引向铁路电力供配电系统转移能量，其供电自主性和灵活性大大加强。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实例描述的具体特征、结构或者特点包含在本申请概括描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明内。尽管这里参照本发明的多个解释性实例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式降落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题结合布局的组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显。

Claims (6)

1.一种集成式铁路电力系统供电网络架构，其特征在于，包括：牵引变压器及上下行供电臂、左右迁移型能量路由器EMR、铁路电力供配电网络和网络互联型骨干路由器NCBR；牵引变压器及上下行供电臂为上下行列车供电；EMR用于连接同一台牵引变压器的上下行供电臂，连接不同牵引变压器之间的供电臂；NCBR连接铁路牵引27.5kV供电网络，转换为三相三线10kV或35kV电源，连接到铁路电力供配电网络，为铁路电力供配电网络内的负荷进行供电；

所述的集成式铁路电力系统供电网络架构的集成式铁路电力系统供电控制方法，包括：

牵引态控制方法，指铁路机车在运行过程中，牵引列车前进且从接触网取得有功电流的状态；所述牵引态控制方法为：

设定：牵引变压器JCSS_A,上下行供电臂分别为arm_L_A和arm_R_A,连接上下行供电臂的是EMR_A，连接铁路牵引供电系统和铁路电力供配电系统的是NCBR_A,牵引变压器JCSS_A的上下行供电臂功率分别为P_{arm_L_A}和P_{arm_R_A},EMR_A从上下行供电臂转移的能量分别为P_{EMR_L_A}和P_{EMR_R_A},NCBR_A从牵引供电臂取得的功率为P_{NCBR_A}当列车位于arm_L_A供电臂并从供电臂取得功率P_locomotive时，供电网络处于牵引态：

转移前：机车的功率和铁路电力供配电网络的功率全部由牵引变压器的arm_L_A供电臂提供，即转移前的功率为供给关系为：

P_locomotive+P_{NCBR_A}＝P_{arm_L_A}

转移后：机车的功率和铁路电力供配电网络的功率由牵引变压器的arm_L_A和arm_R_A两侧供电臂同时提供，且两边相等：

P_locomotive+P_{NCBR_A}＝2P_{arm_L_A}＝2P_{arm_R_A}；

即，不考虑线路功率损耗和EMR_A自身功率损耗，则控制方法为EMR_A从arm_R_A向arm_L_A转移功率，功率大小是：

当牵引变压器左右侧供电臂同时有列车经过时，EMR_A转移的方向为功率小的一侧向功率大的一侧转移，转移的功率大小为左右侧供电臂功率差值的一半；

制动态控制方法，指供电臂上的列车进行刹车制动时，制动后机车上的变流器产生反向功率返送到供电臂上，反向功率会造成接触网供电臂的过电压，影响设备的安全运行，造成接触网的继电保护动作；

电源态控制方法，指牵引变压器面临季节性维护或者突然损坏，在变压器退出运行时为列车提供电能供应，此时集成式网络架构的工作态为电源态。

2.根据权利要求1所述的集成式铁路电力系统供电网络架构，其特征在于，所述EMR为：输入输出侧均含有全控变换器，输入输出侧两个全控变换器中间为储能元件，两个全控变换器分别为全控变换器L和全控变换器R。

3.根据权利要求2所述的集成式铁路电力系统供电网络架构，其特征在于，所述全控变换器与牵引电压之间增加有变压器，用来降低全控变换器与牵引网之间的电压等级。

4.根据权利要求1所述的集成式铁路电力系统供电网络架构，其特征在于，所述NCBR由多绕组变压器、功率单元、滤波器、输出变压器构成，其中功率单元由整流器、储能元件和逆变器构成，输入端连接27.5kV输入，经整流器整流后转为直流，所述直流经储能元件储能平波后，经逆变通过滤波器和输出变压器输出10kV或35kV电压。

5.根据权利要求1所述的集成式铁路电力系统供电网络架构，其特征在于，所述制动态控制方法为：

设定集成式铁路电力系统内的两个牵引变压器分别为JCSS_A和JCSS_B，连接了JCSS_A两个供电臂arm_L_A和arm_R_A的能量路由器是EMR_A，连接JCSS_B两个供电臂arm_L_B和arm_R_B的能量路由器是EMR_B,连接不同牵引变压器供电臂arm_R_A和arm_L_B的能量路由器是EMR_AB,同时分别有能量路由器NCBR_A和NCBR_B分别将牵引变压器JCSS_A的供电臂arm_L_A与JCSS_A范围内的铁路电力供电网路相连，将牵引变压器JCSS_B的供电臂arm_L_B与JCSS_B范围内的铁路电力供电网路相连.当JCSS_A牵引变压器的供电臂arm_L_A上有列车处于刹车制动状态，而JCSS_B牵引变压器的供电臂arm_L_B上有列车处于牵引取流状态;

当供电臂arm_L_A上的列车制动状态下的返送功率P_{regenerate_L_A}大于JCSS_A供电臂arm_L_A上NCBR_A所需功率时，连接JCSS_A两个供电臂的EMR_A将多余的能量转移到EMR_AB,而EMR_AB再将能量转移到牵引变压器JCSS_B的供电臂arm_L_B给机车使用;

忽略各能量路由器的和线路等的损耗，则各集成后网络架构内路由器协同下转移给牵引变压器JCSS_B供电臂的功率为：

P_{EMR_L_A}＝P_{EMR_R_A}＝P_{EMR_R_AB}＝P_{EMR_L_AB}＝P_{regenerate_L_A}-P_{NCBR_A}

而，在牵引变压器JCSS_B的供电臂内，EMR_B从牵引变压器arm_R_B供电臂转移到arm_L_B供电臂的功率为：

经过转移后，则JCSS_B内的牵引变压器两侧供电臂的功率相等实现平衡;

当供电臂arm_L_A上的列车制动状态下的返送功率P_{regenerate_L_A}小于等于JCSS_A供电臂arm_L_A上NCBR_A所需功率时，EMR_AB转移的功率为零P_{EMR_R_AB}＝0，在牵引变压器JCSS_A供电臂内，EMR_A转移的能量为

此时，JCSS_B的EMR_B工作在牵引态。

6.根据权利要求1所述的集成式铁路电力系统供电网络架构，其特征在于，所述电源态控制方法为：

设定集成式铁路电力系统供电网络架构内的三个牵引变压器依次为JCSS_A、JCSS_B和JCSS_C，各牵引变压器的供电臂区间依次为arm_L_A、arm_R_A、arm_L_B、arm_R_B、arm_L_C、arm_R_C,连接牵引变压器上下行桥臂的能量路由器依次为EMR_A、EMR_B、EMR_C，不同牵引变压器桥臂之间互联的能量路由器依次为EMR_AB、EMR_BC,牵引变压器供电臂内与铁路电力供配电系统互联的能量路由器依次为NCBR_A、NCBR_B、NCBR_C；

当牵引变压器JCSS_B进行运维或者发生故障而退出运行时，刚好有列车经过JCSS_B的供电臂arm_L_B，此时JCSS_B的供电臂缺乏电源支撑；此时，集成式铁路电力系统网络的协同控制过程为：

牵引变压器JCSS_A和JCSS_B之间的EMR_AB，其与arm_L_B相连的变换器由并网状态转换为离网逆变输出电压状态，输出电压幅值为供电臂的额定电压；牵引变压器JCSS_B和JCSS_C之间的EMR_BC，其与arm_R_B相连的变换器由并网状态转换为离网逆变输出电压状态，输出电压幅值为供电臂的额定电压；

此时arm_L_B的机车和NCBR_B所需的总功率为：P_{NCBR_B}+P_locomotive；

为了降低EMR_AB转移的功率，EMR_B将arm_R_B供电臂的能量转移到arm_L_B供电臂，转移功率的数值为:

此时，EMR-AB和EMR-BC功率达到平衡；

在牵引变压器JCSS_C的供电区间内，EMR_C将arm_R_C供电臂的能量转移到arm_L_C供电臂，转移功率的数值为:

转移后，则JCSS_C内的两侧供电臂功率达到平衡；

JCSS_A供电区间内，EMR_A转移功率前JCSS_A的供电臂arm_R_A功率为

JCSS_A的供电臂arm_L_A的功率为P_{NCBR_A}；

时，JCSS_A供电区间内的EMR_A从JCSS_A的供电臂arm_R_A向供电臂arm_L_A转移功率，转移功率的大小为：

当

时，JCSS_A供电区间内的EMR_A从JCSS_A的供电臂arm_L_A向供电臂arm_R_A转移功率，转移功率的大小为：

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