WO2021003799A1 - 一种电气化铁路的能量协调系统 - Google Patents

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WO2021003799A1
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voltage
energy
energy storage
storage module
pwm converter
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PCT/CN2019/100537
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刁利军
李伟杰
刘博�
刁利坚
尹少博
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北京交通大学
北京同力智达科技有限公司
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
    • H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means

Definitions

  • the invention relates to the technical field of electrified railway traction control, in particular to an energy coordination system for electrified railways.
  • the basic components of electric traction systems include traction power supply stations, traction networks, on-board traction transformers, on-board PWM rectifiers, on-board traction inverters, and traction motors.
  • energy flows from the traction network to the motor. Due to the impedance of the traction network, the traction network pressure decreases with the increase of traction power; during the braking or downhill constant speed process of the electrified railway, Energy flows from the motor to the traction network. If the energy fed back by the motor is not fully absorbed, it may cause the traction network pressure to rise and cause protection of the traction system.
  • the embodiments of the present invention provide an energy coordination system for electrified railways to overcome the problems of brake shoe wear and performance degradation faced by electrified trains when running on difficult lines such as long ramps and long tunnels.
  • the present invention adopts the following technical solutions.
  • An energy coordination system for an electrified railway is installed on the ground next to the line of an electrified railway.
  • the system includes a traction network, a high-voltage cabinet and a power assembly. One end of the high-voltage cabinet is connected to the traction network, and the other end is connected to the traction network.
  • the power component is connected;
  • the high-voltage cabinet is used to realize the on-off, voltage and current detection and protection functions of the high-voltage side;
  • the power component includes a transformer, a pulse width modulation PWM converter, and an energy storage module, the PWM converter is located between the energy storage module and the transformer, and the PWM converter controls the energy storage module According to the change of the voltage value of the traction network, the energy storage module works in the energy storage mode or the energy release mode.
  • the transformer is a single-phase transformer
  • the power component adopts an integrated modular design
  • a plurality of the power components are connected in parallel.
  • the transformer adopts a connection mode of one primary side and multiple secondary sides, each secondary side corresponds to a PWM converter, and the multiple PWM converters are connected in series or parallel according to the voltage level and power of the DC bus connection.
  • connection mode between the energy storage module and the PWM converter includes:
  • Connection method 1 Connect the energy storage module directly to the DC bus of the PWM converter, and the PWM converter directly controls the charging and discharging voltage and current of the energy storage module;
  • Connection mode 2 The DC bus of the PWM converter is connected to the energy storage module through the DC/DC converter.
  • the PWM converter controls the charging and discharging of the energy storage module through the DC/DC converter, one DC/DC converter and one storage module.
  • the modules can form a combination, connect a single combination or multiple combinations in series to the DC bus of the PWM converter.
  • the circuit topology of the DC/DC converter adopts a two-level or multi-level voltage type bidirectional DC/DC converter.
  • the energy storage module adopts one or more energy storage media among batteries, supercapacitors, and pseudocapacitors.
  • the power component is specifically used to monitor the voltage and current of the sensors in the traction network and the high-voltage cabinet to calculate the power factor and grid voltage harmonic content of the traction network, and use the calculation result
  • the working mode of the energy coordination system is planned and selected, the working state of the PWM converter is controlled by the synthesis algorithm after the power/harmonic compensation algorithm and the basic PWM algorithm are combined, and the DC/DC control algorithm is used to control the DC
  • the /DC conversion circuit adjusts so that energy flows in two directions between the traction network and the energy storage module.
  • the working process of the energy coordination system includes:
  • the PWM converter is controlled to work in rectification mode, and energy is transmitted to the DC bus through the PWM converter, and the DC bus directly or through the DC/DC converter to the energy storage Module charging, absorbing and storing the energy generated by train regenerative braking in the energy storage module;
  • the PWM converter is controlled to work in the inverter mode; the recovered energy stored in the energy storage module is released to the traction network through the PWM converter and sent to the line section Train auxiliary power supply;
  • the capacitive reactive energy in the traction network is greater than the set energy threshold, or the harmonic component in the voltage is greater than the set voltage threshold, it is judged that the grid-side electric energy needs power compensation or harmonic cancellation, and control the operation of the PWM converter In compensation offset mode;
  • the energy coordination system provided by the embodiments of the present invention has the advantage of emergency power supply.
  • emergency power supply When a remote power supply failure occurs in the traction network, the stored energy can be used for nearby emergency power supply.
  • the train left the dangerous section, waiting for rescue.
  • the system of the embodiment of the present invention cleverly utilizes the technical characteristics of the traction network, energy storage elements, and PWM converter to realize energy recovery and reuse. It largely avoids energy waste, temperature rise and damage to the environment, and can also maintain the traction and braking performance of the train on long slopes.
  • Figure 1 is a schematic structural diagram of an energy coordination system suitable for difficult electrified railways such as long ramps according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of specific implementation of power components of an energy coordination system provided by an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a specific embodiment of a method for controlling power components of an energy coordination system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic flowchart of a control method of the energy coordination system of the present invention provided by an embodiment of the present invention.
  • the embodiment of the present invention provides an energy coordination system suitable for difficult electrified railways such as long ramps.
  • the system is optimally arranged on the ground next to the difficult electrified road section.
  • the structural diagram of the system is shown in Figure 1, including a traction network 1. , High-voltage cabinet 2 and power assembly 3. One end of the high-voltage cabinet 2 is connected to the traction network 1, and the other end is connected to the power assembly 3.
  • the high-voltage cabinet 2 is used to realize the on-off of the high-voltage side, the detection and protection of voltage and current.
  • the power assembly 3 includes a transformer 31, a PWM (Pulse Width Modulation) converter 32, and an energy storage module 33; the PWM converter 32 is located between the transformer 31 and the energy storage module 33.
  • the transformer 31 is a single-phase transformer, and both the transformer 31 and the PWM converter 32 can use existing vehicle-mounted modules.
  • the power component 3 adopts an integrated modular design, and multiple power components 3 can be connected in parallel according to actual energy and power requirements.
  • FIG. 2 A specific implementation manner of a power assembly 3 provided by an embodiment of the present invention is shown in FIG. 2.
  • the transformer 31 can adopt a connection mode of one primary side and multiple secondary sides. Each secondary side corresponds to a PWM converter 32. These PWM converters 32 can be connected in series according to the voltage level and power of the DC bus. Or parallel processing.
  • An embodiment is shown in Fig. 2:
  • the transformer 31 is an example of a primary side and two secondary sides, the two secondary sides respectively correspond to the PWM converter 321 and the PWM converter 322, the PWM converter 321 and the PWM converter 322 is connected in parallel.
  • connection between the energy storage module 33 and the PWM converter includes:
  • Connection method 1 Connect the energy storage module 33 directly to the DC bus of the PWM converter, as shown in the energy storage module 33I in Figure 2.
  • the PWM converter 32 directly controls the charging and discharging voltage and current of the energy storage module 33I;
  • Connection mode 2 The PWM converter is connected to the energy storage module 332 through the DC/DC converter 331, and the PWM converter controls the charging and discharging of the energy storage module 332 through the DC/DC converter 331; a DC/DC converter 331 and An energy storage module 332 forms a combination, and a single combination or multiple combinations are connected in series to the DC bus of the PWM converter. That is, the way to connect the energy storage module 332 to the DC target through the DC/DC converter 331 also includes using only one combination, such as 33II, or two combinations in series, such as 33II and 33III in series, to reduce the resistance of the energy storage module. Pressure rating.
  • the specific circuit topology of the DC/DC converter 331 may, but is not limited to, adopt a two-level or multi-level voltage type bidirectional DC/DC converter.
  • the energy storage module 332 may use one or more energy storage media such as batteries, super capacitors, and pseudo capacitors.
  • the voltage of the traction network 1 rises, the transformer 31 works in a step-down state, and the PWM converter 32 sends it to the DC bus The energy is transmitted, and then the DC bus directly or through the DC/DC converter 331 to charge the energy storage module 332, at this time the excess energy is stored in the energy storage module 332.
  • the energy storage module 332 releases energy through the DC/DC converter 331 and the PWM rectifier 32, and the transformer 31 works in a boost state to provide voltage to the traction network 1. , To maintain stable network pressure.
  • the reactive power and harmonic content of the traction network 1 are analyzed, and then through the control of the PWM converter 332, the corresponding opposite content can be injected into the traction network 1 to realize the reactive power Compensation and harmonic cancellation improve the power quality of the nearby traction network 1.
  • the harmonics of the current from the power module 3 to the traction network 1 can be reduced through the phase shift control of the modulation wave.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a specific embodiment of a method for controlling power components of an energy coordination system provided by an embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown in FIG. 3 is used to collect voltage and current from sensors in the traction network 1 and the high-voltage cabinet 2 Numerical monitoring, calculation of parameters such as power factor of traction network 1 and grid voltage harmonic content, and based on the calculation results, planning and selection of the working mode of the energy coordination system, through the power/harmonic compensation algorithm and PWM The synthesis algorithm after the combination of basic algorithms controls the working state of the PWM converter 32.
  • the synthesis algorithm is based on the basic PWM algorithm to further optimize the pulse width according to the constraints of power/harmonic compensation, so that the PWM Under the premise of ensuring the normal transmission of electric energy from the input end to the output end, the converter reduces the reactive power and the harmonic content of the grid voltage at the input end and optimizes the power quality of the traction network 1; through the DC/DC control algorithm
  • the DC/DC conversion circuit 331 is adjusted, and the corresponding optimized DC/DC control algorithm is selected according to different DC/DC conversion circuits to realize the soft switching action of the switching device during the DC/DC power conversion process, and reduce the circuit operation process. Energy loss.
  • Fig. 4 is a schematic flowchart of a control method of an energy coordination system provided by an embodiment of the present invention.
  • the specific processing process includes:
  • traction network power quality monitoring real-time monitoring of the power quality of the traction network of the line section, by monitoring the voltage and current changes of the traction network, the operating condition of the train in the line section is judged, and the operating condition of the train is taken as The operation mode of the PWM converter is selected and controlled.
  • the PWM converter works in inverter mode; the recovered energy stored in the energy storage module is released to the traction network to provide auxiliary power supply to the trains in the line section , Complete the secondary utilization of the recovered energy, compensate for voltage drops, maintain the stability of the grid voltage, and allow the train to maintain the traction performance in the uphill state.
  • the PWM converter works in compensation cancellation mode; through real-time detection of the line area Analyze the voltage and load current of the traction network in the section to obtain its reactive and harmonic content, adjust the working state of the PWM converter, and relieve the grid-side capacitive reactive power and grid voltage harmonics without changing the main circuit of the system Wave influence and other issues, improve the system power factor, reduce the harmonic distortion rate of the grid voltage.
  • the PWM converter works in emergency mode.
  • emergency situations such as the power supply interruption of the traction network
  • control the PWM converter to input energy to the traction network for emergency power supply and emergency self-rescue, so that the trains in the line section have the ability to travel by themselves and fail the sections or tunnels and bridges that are prone to danger.
  • the road section can also supply power to rescue vehicles that come for emergency rescue to ensure the smooth and efficient rescue work.
  • the stored energy can be used for nearby emergency power supply to drive the train away from the dangerous section and wait for rescue.
  • the system of the embodiment of the present invention cleverly utilizes the technical characteristics of the traction network, energy storage elements, and PWM converter to realize energy recovery and reuse. It largely avoids energy waste, temperature rise and damage to the environment, and can also maintain the traction and braking performance of the train on long slopes.
  • the system topology of the embodiment of the present invention can realize the power factor compensation and harmonic cancellation of the traction network without increasing the cost of software and hardware, thereby reducing the configuration of the compensation device adjacent to the traction power supply station; the technical solution adopts multiple integrated system modules
  • the design, through the phase shift control, can realize the current harmonics on the traction grid side of the energy coordination system with low switching frequency and low loss.
  • the energy stored in the energy coordination system can be used for emergency power supply to reduce the rescue difficulty coefficient of remote power supply failures when the train travels to tunnels, ramps and other sections.
  • the system of the embodiment of the present invention is compact in structure, the device is easy to build, and the control technology is also based on the existing mature algorithm, with low implementation risk and strong feasibility; the system of the embodiment of the present invention is arranged on the ground, and the transformer and the PWM converter are both Existing on-board devices can be used, which can reduce design and manufacturing costs and maintenance cycles.
  • the components of the device in the embodiment may be distributed in the device of the embodiment according to the description of the embodiment, or may be changed to be located in one or more devices different from this embodiment.
  • the components of the above embodiments can be combined into one component, or further divided into multiple sub-components.

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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

一种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。在电气化铁路的牵引过程中，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；在电气化铁路的制动或者下坡恒速过程中，能量从电机往牵引网流动，如果电机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，虽然可以采用斩波电阻吸收能量来解决这个问题，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。
现有技术中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，仍然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，根据所述牵引网的电压值的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，多个所述功率组件采用并联方式连接。
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采用串联或并联方式连接。
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，下面将结合附图以多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的一端接入牵引网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、电压电流的检测和保护作用。
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多个功率组件3采用并联方式连接。
本发明实施例提供的一种功率组件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；一个DC/DC变换器331和一个储能模块332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。即通过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，该合成算法是在PWM基本算法的基础上针对功率/谐波补偿的约束条件对脉冲宽度进行进一步的优化调整，使PWM变流器在保证电能由输入端向输出端正常传输的前提下，减少输入端网压侧的无功功率与网压谐波含量等，优化牵引网1的电能质量；通过DC/DC控制算法对DC/DC变换电路331进行调节，根据不同的DC/DC变换电路选用相对应优化的DC/DC控制算法，实现DC/DC电能变换过程中的开关器件软开关动作，减少电路运行过程中的能量损耗。另外,通过监测牵引网压状态，动态调整DC/DC变换器控制算法，控制储能单元的充放电：制动或者持续下坡的恒速模式时，牵引网压超过额定值、控制DC/DC变换器工作在充电状态；而上坡牵引模式以及需要应急供电时，控制DC/DC变换器工作在充电状态。从而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：对线路区段牵引网的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。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
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，根据所述牵引网的电压值的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，多个所述功率组件采用并联方式连接。
  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采用串联或并联方式连接。
  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。
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