CN113581027B - 一种基于地面牵引供电的电气列车、供电系统及控制方法 - Google Patents

一种基于地面牵引供电的电气列车、供电系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于地面牵引供电的电气列车，包括牵引电机和与所述牵引电机连接的无功补偿器，其中：所述牵引电机通过地面牵引变流器进行驱动控制；所述无功补偿器根据所述牵引电机的运行状态发出无功电流，为所述牵引电机提供励磁和无功补偿。本发明电气列车内的牵引电机由地面牵引变流器进行驱动控制，从而取消车载牵引变流器和车载牵引变压器，并在电气列车内设置为牵引电机提供励磁和无功补偿的无功补偿器，不仅可以有效减轻电气列车的轴重提升电气列车的有效空间，有利于提升电气列车的运行速度效率，还可以提高电气列车的功率因数和三相牵引网的输电距离。

Description

一种基于地面牵引供电的电气列车、供电系统及控制方法
技术领域
本发明涉及交流电气化铁路供电技术领域,具体涉及一种基于地面牵引供电的电气列车、供电系统及控制方法。
背景技术
现行电气列车由工频单相交流供电系统供电，在电气列车的电力机车和动车上，电气设备占有重要地位，其中最重要的就是交直交牵引传动系统。交直交牵引传动系统由车载牵引变压器、车载牵引变流器和牵引电机串联而成，驱动牵引电机并通过调频、调压改变牵引电机转速来达到电气列车驱动和调速运行的目的，这个过程称为电气列车驾驶。通常，现实情况下，电气列车驾驶是由人工操作完成的，少数是自动驾驶的。这里存在一些问题：一是在干线铁路电力机车、动车上的电气设备中交直交牵引传动系统占有绝对分量，其重量大，体积大；二是重量大就增加轴重，轴重越大，线路造价越高，体积大就将更多占有电力机车和动车的宝贵空间，降低功率密度和效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种基于地面牵引供电的电气列车，电气列车内的牵引电机由地面牵引变流器进行驱动控制，从而取消车载牵引变流器和车载牵引变压器，并在电气列车内设置为牵引电机提供励磁和无功补偿的无功补偿器，不仅可以有效减轻电气列车的轴重提升电气列车的有效空间，有利于提升电气列车的运行速度效率，还可以提高电气列车的功率因数和三相牵引网的输电距离。本方案通过以下技术手段实现：
一种基于地面牵引供电的电气列车，包括牵引电机、无功功率控制器和无功补偿器，其中：
所述牵引电机通过地面牵引变流器进行驱动控制；
所述无功功率控制器根据所述牵引电机的运行状态向所述无功补偿器发出控制信号；
所述无功补偿器根据接收到的所述控制信号发出无功电流，为所述牵引电机提供励磁和/或无功补偿。
进一步地，还包括三相受流装置，所述三相受流装置用于从三相牵引网处取三相电，并将三相电提供给所述牵引电机、无功功率控制器和无功补偿器。
进一步地，所述无功补偿器为所述牵引电机提供励磁和/或无功补偿后，所述三相受流装置处到所述三相牵引网的功率因数趋近于1或等于1。
进一步地，当所述三相受流装置处到所述三相牵引网的功率因数等于1，所述牵引电机不从所述三相牵引网处吸收无功功率。
本发明的第二方面在于提供一种电气列车地面牵引供电系统，包括牵引变压器、地面牵引变流器、三相牵引网和电气列车，所述电气列车内部设置有牵引电机、无功功率控制器和无功补偿器，其中：
所述牵引变压器原边连接高压电网，次边连接地面牵引变流器的输入端口；
所述地面牵引变流器的三相输出端口分别连接所述三相牵引网的对应相线；
所述电气列车通过三相受流装置从所述三相牵引网处取三相电，并将三相电提供给所述牵引电机、无功功率控制器和无功补偿器。
进一步地，所述电气列车内部的牵引电机由所述地面牵引变流器进行驱动控制。
进一步地，所述无功功率控制器根据所述牵引电机的运行状态向所述无功补偿器发出控制信号；所述无功补偿器根据接收到的所述控制信号发出无功电流，为所述牵引电机提供励磁和/或无功补偿。
进一步地，所述无功补偿器为所述牵引电机提供励磁和/或无功补偿后，所述三相受流装置处到所述三相牵引网的功率因数趋近于1或等于1。
进一步地，当所述三相受流装置处到所述三相牵引网的功率因数等于1，所述地面牵引变流器通过所述三相牵引网为所述牵引电机提供且只提供有功功率。
本发明的第三方面在于提供一种电气列车地面牵引供电系统控制方法，包括：
检测牵引电机的输入电压和输入电流，结合牵引电机参数计算牵引电机的转子电流向量；
根据牵引电机的转子电流向量，计算牵引电机的转子磁通向量；
根据牵引电机的转子磁通向量，计算牵引电机的定子电流的励磁分量以及力矩分量；
根据牵引电机的转子磁通向量以及定子电流的力矩分量，计算牵引电机转子的转差频率；
检测牵引电机转子的旋转频率，根据牵引电机转子的旋转频率和转差频率，计算牵引电机的同步频率；
根据牵引电机的同步频率，基于同步旋转坐标控制，计算牵引电机的有功电流和无功电流；
根据牵引电机的有功电流和无功电流，控制无功补偿器对牵引电机进行无功电流补偿。
本发明的工作原理：牵引变压器将高压电网电压进行降压后经地面牵引变流器变流为电压幅值和频率可调的三相供电电压，经三相牵引网后直接驱动电气列车牵引电机；车载无功补偿器发出无功电流为牵引电机提供励磁和无功补偿电流，以保持电气列车端口功率因数为1；通过控制电气列车功率因数为1，一方面减小电气列车无功造成的三相牵引网压降，延长三相牵引网供电距离，另一方面简化地面变流器的控制复杂程度。
附图说明
图1为根据一示例性实施例提供的一种电气列车地面牵引供电系统结构图。
图2为根据一示例性实施例提供的一种电气列车地面牵引供电系统控制方法流程图。
图3为根据一示例性实施例提供的无功补偿器补偿控制方法算法框图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于地面牵引供电的电气列车，包括牵引电机M、无功功率控制器RPC和无功补偿器SVG，其中：
所述牵引电机M通过地面牵引变流器TC进行驱动控制；
所述无功功率控制器RPC根据所述牵引电机M的运行状态向所述无功补偿器SVG发出控制信号；
所述无功补偿器SVG根据接收到的所述控制信号发出无功电流，为所述牵引电机M提供励磁和/或无功补偿。
本实施例取消车载牵引变压器和车载牵引变流器，并通过地面牵引变流器TC对牵引电机M进行驱动控制，可以有效减轻电气列车的轴重，提升电气列车的有效空间，有利于提升电气列车的运行速度效率；同时考虑到电气列车运行时，地面牵引变流器TC和电气列车内的牵引电机M之间的距离时刻发生变化，导致牵引电机M与地面牵引变流器TC之间的线路参数时刻发生变化，使地面牵引变流器TC的控制难度加大，为了对牵引电机M实现更为精确的控制，本实施例在电气列车上设置无功功率控制器RPC和无功补偿器SVG，无功功率控制器RPC根据牵引电机M的运行状态控制无功补偿器SVG直接对牵引电机M提供励磁和/或无功补偿，不但可以简化地面牵引变流器TC的控制复杂程度，还可以提高牵引电机的功率因数，从而保证在长距离输电时线路压降依然满足要求。
本实施例中，电气列车指通过电力驱动的列车,地面牵引变流器TC是指设置于电气列车外部的牵引变流器，地面牵引变流器TC可以设置于牵引变电所内或技术人员认为合理的其他地面场所，本实施例的地面牵引变流器TC可以是AC-DC-AC结构的牵引变流器；无功补偿器SVG可以是静止无功发生器；牵引电机M为三相异步电机；无功功率控制器RPC根据牵引电机M的运行状态向无功补偿器SVG发出控制信号，可以是指无功功率控制器RPC通过采集牵引电机M的输入电压、输入电流以及转子转速等参数，并将这些参数作为控制输入量来发出相应控制信号给无功补偿器SVG，从而控制无功补偿器SVG发出无功电流以对牵引电机M提供励磁和/或无功补偿。
作为优选，本实施例还可以包括三相受流装置CC，所述三相受流装置CC用于从三相牵引网UVW处取三相电，并将三相电提供给所述牵引电机M、无功功率控制器RPC和无功补偿器SVG。
这里，三相牵引网UVW可以为敷设在地面的三条钢轨，三相受流装置CC是指可以从三相牵引网UVW处取三相电的受电装置，如西南交通大学李群湛团队提出的列车受电犁或其他导电输电装置。
作为优选，所述无功补偿器SVG为所述牵引电机M提供励磁和/或无功补偿后，所述三相受流装置CC处到所述三相牵引网UVW的功率因数趋近于1或等于1。
这里，无功补偿器SVG的控制目标是使电气列车端口(三相受流装置CC处)的功率因数趋近于1直至等于1，一方面可以减小电气列车无功造成的牵引网压降，延长牵引网供电距离，另一方面可以简化地面牵引变流器TC的控制复杂程度。
作为优选，当所述三相受流装置CC处到所述三相牵引网UVW的功率因数等于1，所述牵引电机M不从所述三相牵引网UVW处吸收无功功率。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种地面牵引供电系统，包括牵引变压器TR、地面牵引变流器TC和三相牵引网UVW，其中：
所述牵引变压器TR的原边连接高压电网GRD，次边连接所述地面牵引变流器TC的输入端口；
所述地面牵引变流器TC的三相输出端口分别连接所述三相牵引网UVW的对应相线；
所述三相牵引网UVW用于为电气列车提供三相电，所述地面牵引变流器TC用于通过三相牵引网UVW对电气列车内的牵引电机M进行驱动控制。
本实施例中，牵引变压器TR、地面牵引变流器TC均设置与电机机车外部，如牵引变电所内或技术人员认为合理的其他地面场所，地面牵引变流器TC通过三相牵引网UVW与牵引电机M电连接，实现对牵引电机M的驱动控制。
作为优选，所述地面牵引变流器TC通过所述三相牵引网UVW为所述牵引电机M提供且只提供有功功率。
这里，考虑到电气列车运行时，地面牵引变流器TC和电气列车内的牵引电机M之间的距离时刻发生变化，导致牵引电机M与地面牵引变流器TC之间的线路参数时刻发生变化，为了简化地面牵引变流器TC的控制复杂程度，可以使地面牵引变流器TC只为牵引电机M提供有功功率，牵引电机M需要的无功功率由电气列车内的无功补偿器SVG来提供，从而使牵引电机M的控制更为精确。
实施例3
如图1所示，本实施例提供一种电气列车地面牵引供电系统，包括牵引变压器TR、地面牵引变流器TC、三相牵引网UVW和电气列车LM，所述电气列车LM内部设置有牵引电机M、无功功率控制器RPC和无功补偿器SVG，其中：
所述牵引变压器TR原边连接高压电网GRD，次边连接地面牵引变流器TC的输入端口；
所述地面牵引变流器TC的三相输出端口分别连接所述三相牵引网UVW的对应相线；
所述电气列车LM通过三相受流装置CC从所述三相牵引网UVW处取三相电，并将三相电提供给所述牵引电机M、无功功率控制器RPC和无功补偿器SVG。
作为优选，所述电气列车LM内部的牵引电机M由所述地面牵引变流器TC进行驱动控制。
作为优选，所述无功功率控制器RPC根据所述牵引电机M的运行状态向所述无功补偿器SVG发出控制信号；所述无功补偿器SVG根据接收到的所述控制信号发出无功电流，为所述牵引电机M提供励磁和/或无功补偿。
作为优选，所述无功补偿器SVG为所述牵引电机M提供励磁和/或无功补偿后，所述三相受流装置CC处到所述三相牵引网UVW的功率因数趋近于1或等于1。
作为优选，当所述三相受流装置CC处到所述三相牵引网UVW的功率因数等于1，所述地面牵引变流器TC通过所述三相牵引网UVW为所述牵引电机M提供且只提供有功功率。
实施例4
如图2所示，本实施例提供一种电气列车地面牵引供电系统控制方法，包括：
步骤1：检测牵引电机M的输入电压和输入电流，结合牵引电机M参数计算牵引电机M的转子电流向量；
步骤2：根据牵引电机M的转子电流向量，计算牵引电机M的转子磁通向量；
步骤3：根据牵引电机M的转子磁通向量，计算牵引电机M的定子电流的励磁分量以及力矩分量；
步骤4：根据牵引电机M的转子磁通向量以及定子电流的力矩分量，计算牵引电机M转子的转差频率；
步骤5：检测牵引电机M转子的旋转频率，根据牵引电机M转子的旋转频率和转差频率，计算牵引电机M的同步频率；
步骤6：根据牵引电机M的同步频率，基于同步旋转坐标控制，计算牵引电机M的有功电流和无功电流；
步骤7：根据牵引电机M的有功电流和无功电流，控制无功补偿器SVG对牵引电机M进行无功电流补偿。
本实施例提供的方法可以应用于无功功率控制器RPC。
具体地，步骤1中，根据方程式(1)得到方程式(2)，根据方程式(2)计算得到牵引
电机M的转子电流向量：
Figure BDA0003149994420000061
Figure BDA0003149994420000062
步骤2中，根据方程式(3)得到方程式(4)，根据方程式(4)计算得到牵引电机M转子磁通向量：
Figure BDA0003149994420000063
Figure BDA0003149994420000064
Figure BDA0003149994420000065
步骤3中，根据方程式(5)计算得到牵引电机M的定子电流的励磁分量以及力矩分量：
Figure BDA0003149994420000066
步骤4中，根据方程式(6)计算得到牵引电机M转子的转差频率：
Figure BDA0003149994420000067
步骤5中，根据方程式(7)计算得到牵引电机M的同步频率：
Figure BDA0003149994420000071
其中，uαs指定子电压α分量，uβs指定子电压β分量，iαs指定子电流α分量，iβs指定子电流β分量，Rs指定子电阻参数，Ls指定子电感参数，Lm指电机励磁电感参数，iαr指转子电流α分量，iβr指转子电流β分量ψαγ指转子磁场α分量，ψβγ指转子磁场β分量，ims指定子电流励磁分量，its指定子电流功率分量，Rr指转子电阻参数，Lr指转子电感参数，ωe指转子转差频率，ωγ指转子机械转速，ω指同步转速。
进行步骤6时，如图3所示，以步骤5算出的同步频率ω为基础，分别对牵引电机定子电压
Figure BDA0003149994420000072
定子电流
Figure BDA0003149994420000073
和无功补偿器端口电流[iα，iβ]进行同步旋转坐标变换，分别得到定子电压直流量
Figure BDA0003149994420000074
定子电流直流量
Figure BDA0003149994420000075
和无功补偿器端口电流直流量
Figure BDA0003149994420000076
然后通过定子电压直流量
Figure BDA0003149994420000077
和定子电流直流量
Figure BDA0003149994420000078
计算得到牵引电机的输入有功功率和无功功率[P,Q]。无功补偿器的控制在旋转坐标系下分别对无功补偿器端口电流直流量
Figure BDA0003149994420000079
的d分量和q分量实行闭环控制，同时增加无功补偿器直流母线外环控制，以稳定其直流侧电压。无功补偿器电流给定
Figure BDA00031499944200000710
由目标功率[P*,Q*]计算得到，其中目标有功功率目标为母线电压环调节出的有功指令，无功功率目标为电机输入无功的负值，即Q*＝Q。电流内环引入并网电抗感应电压[Uid_FF,Uiq_FF]以及交流电压前馈[Ud_FF,Uq_FF]以加快电流调节速度，旋转坐标下的调节信号[Md,Mq]经反变换得到三相调制信号[Ma,Mb,Mc]，三相调制信号采用空间矢量调制(SVPWM)方式产生PWM信号进行无功补偿器逆变桥的控制。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于地面牵引供电的电气列车，其特征在于，包括牵引电机（M）、无功功率控制器（RPC）和无功补偿器（SVG），其中：
所述牵引电机（M）通过地面牵引变流器（TC）提供三相电进行驱动控制；
所述无功功率控制器（RPC）根据所述牵引电机（M）的运行状态向所述无功补偿器（SVG）发出控制信号；
所述无功补偿器（SVG）根据接收到的所述控制信号发出无功电流，为所述牵引电机（M）提供励磁和/或无功补偿；
所述电气列车内部不设置车载牵引变压器和车载牵引变流器。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面牵引供电的电气列车，其特征在于，还包括三相受流装置（CC），所述三相受流装置（CC）用于从三相牵引网（UVW）处取三相电，并将三相电提供给所述牵引电机（M）、无功功率控制器（RPC）和无功补偿器（SVG）。
3.根据权利要求2所述的一种基于地面牵引供电的电气列车，其特征在于，所述无功补偿器（SVG）为所述牵引电机（M）提供励磁和/或无功补偿后，所述三相受流装置（CC）处到所述三相牵引网（UVW）的功率因数趋近于1或等于1。
4.根据权利要求3所述的一种基于地面牵引供电的电气列车，其特征在于，当所述三相受流装置（CC）处到所述三相牵引网（UVW）的功率因数等于1，所述牵引电机（M）不从所述三相牵引网（UVW）处吸收无功功率。
5.一种电气列车地面牵引供电系统，其特征在于，包括牵引变压器（TR）、地面牵引变流器（TC）、三相牵引网（UVW）和电气列车（LM），所述电气列车（LM）内部设置有牵引电机（M）、无功功率控制器（RPC）和无功补偿器（SVG），所述电气列车内部不设置车载牵引变压器和车载牵引变流器，其中：
所述牵引变压器（TR）原边连接高压电网（GRD），次边连接地面牵引变流器（TC）的输入端口；
所述地面牵引变流器（TC）的三相输出端口分别连接所述三相牵引网（UVW）的对应相线；
所述电气列车（LM） 通过三相受流装置（CC）从所述三相牵引网（UVW）处取三相电，并将三相电提供给所述牵引电机（M）、无功功率控制器（RPC）和无功补偿器（SVG）。
6.根据权利要求5所述的一种电气列车地面牵引供电系统，其特征在于，所述电气列车（LM）内部的牵引电机（M）由所述地面牵引变流器（TC）进行驱动控制。
7.根据权利要求5所述的一种电气列车地面牵引供电系统，其特征在于，所述无功功率控制器（RPC）根据所述牵引电机（M）的运行状态向所述无功补偿器（SVG）发出控制信号；所述无功补偿器（SVG）根据接收到的所述控制信号发出无功电流，为所述牵引电机（M）提供励磁和/或无功补偿。
8.根据权利要求7所述的一种电气列车地面牵引供电系统，其特征在于，所述无功补偿器（SVG）为所述牵引电机（M）提供励磁和/或无功补偿后，所述三相受流装置（CC）处到所述三相牵引网（UVW）的功率因数趋近于1或等于1。
9.根据权利要求8所述的一种电气列车地面牵引供电系统，其特征在于，当所述三相受流装置（CC）处到所述三相牵引网（UVW）的功率因数等于1，所述地面牵引变流器（TC）通过所述三相牵引网（UVW）为所述牵引电机（M）提供且只提供有功功率。
10.一种基于权利要求5—9任意一项所述电气列车地面牵引供电系统的控制方法，其特征在于，包括：
检测牵引电机（M）的输入电压和输入电流，结合牵引电机（M）参数计算牵引电机（M）
的转子电流向量；
根据牵引电机（M）的转子电流向量，计算牵引电机（M）的转子磁通向量；
根据牵引电机（M）的转子磁通向量，计算牵引电机（M）的定子电流的励磁分量以及力
矩分量；
根据牵引电机（M）的转子磁通向量以及定子电流的力矩分量，计算牵引电机（M）转
子的转差频率；
检测牵引电机（M）转子的旋转频率，根据牵引电机（M）转子的旋转频率和转差频率，
计算牵引电机（M）的同步频率；
根据牵引电机（M）的同步频率，基于同步旋转坐标控制，计算牵引电机（M）的有功电流和无功电流；
根据牵引电机（M）的有功电流和无功电流，控制无功补偿器（SVG）对牵引电机（M）进行无功电流补偿。
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