列车牵引供电装置及系统的制作方法

本实用新型涉及城市轨道交通牵引供电技术领域，尤其涉及一种列车牵引供电装置及系统。

背景技术：

城市轨道交通由于具有安全舒适、载客量大、运行速度快、节能环保等优势，成为了解决日益严重的城市拥堵问题的首选方案，因此我国目前多地开始发展建设城市轨道交通。在一些列车牵引供电系统中，通过设置多个并联的牵引变电所，将中压电网侧的交流电转化直流电为列车提供牵引电流。但是由于牵引变电所内二极管整流机组的能量只能单向流动，列车再生制动能量无法反馈回中压电网再利用，造成了能量的巨大浪费。

现有技术中的部分列车牵引供电系统中，通过在牵引变电所内增加与二极管整流机组并联的四象限变流机组，使得牵引变电所在列车牵引时，二极管整流机组和四象限变流机组同时工作，能够将交流电降压并整流转化为直流电，并向列车提供直流电；在列车制动时，四象限变流机组将列车产生的再生制动能量反馈中压电网侧，以提高列车制动能量的利用效率。

除了牵引与制动之外，列车牵引供电系统的设计人员及操作人员还希望其能够承担更多的控制功能，然而现有技术中的列车牵引供电系统功能却较为单一。

技术实现要素：

本实用新型提供一种列车牵引供电装置及系统，丰富了列车牵引供电系统的功能。

本实用新型提供一种列车牵引供电装置，包括：二极管整流机组、四象限变流机组和中央控制器；

所述二极管整流机组、所述四象限变流机组和所述中央控制器并联连接交流电网和直流接触网，所述中央控制器连接所述四象限变流机组，所述中央控制器用于根据所述交流电网的电压、电流和所述直流接触网的电压调整所述四象限变流机组的输出电流；

所述列车牵引供电装置处于牵引工况时，所述二极管整流机组和所述四象限变流机组将所述交流电网的交流电转换为直流电向所述直流接触网输出；

所述列车牵引供电装置处于制动工况时，所述四象限变流机组将所述直流接触网的直流电转换为交流电向所述交流电网输出；

所述列车牵引供电装置处于无功补偿工况时，所述中央控制器根据所述交流电网的功率因数控制所述四象限变流机组对所述交流电网进行无功补偿；

所述中央控制器还用于接收融冰控制装置发送的包含融冰电流值的逆变指令，并根据所述逆变指令将所述列车牵引供电装置切换至逆变工况，以使所述列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、所述待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和所述待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且所述直流接触网的待融冰区段的电流不小于所述融冰电流值。

在本实用新型一实施例中，所述中央控制器还用于接收融冰控制装置发送的包含融冰电流值的整流指令，并根据所述整流指令将所述列车牵引供电装置切换至整流工况；

以使处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、处于整流工况的列车牵引供电装置的二极管整流机组和所述待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且所述直流接触网的待融冰区段的电流不小于所述融冰电流值。

在本实用新型一实施例中，所述列车牵引供电装置处于无功补偿工况时，所述中央控制器具体用于，通过所述交流电网的主变电站进线处的无功功率生成无功电流指令，向所述四象限变流机组发送所述无功电流指令，以使所述四象限变流机组对所述交流电网进行无功补偿。

在本实用新型一实施例中，所述中央控制器对所述交流电网的主变电站进线处的无功功率和有功功率独立控制。

在本实用新型一实施例中，所述二极管整流机组为24脉波二极管整流机组，包括：两台整流变压器和四个二极管整流桥。

在本实用新型一实施例中，所述四象限变流机组包括：双绕组变压器和四象限变流器。

本实用新型一实施例提供一种列车牵引供电系统，包括：融冰控制装置和n个所述的列车牵引供电装置；

所述n个列车牵引供电装置的中央控制器连接所述融冰控制装置；

所述融冰控制装置用于通过直流接触网的覆冰厚度和环境条件计算出融冰电流值，并向待融冰区段对应的一个所述列车牵引供电装置发送逆变信号，以使所述列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、所述待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和所述待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且所述直流接触网的待融冰区段的电流不小于所述融冰电流值。

在本实用新型一实施例中，所述融冰控制装置还用于向所述待融冰区段对应的另一个所述列车牵引供电装置发送整流信号；

以使处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、处于整流工况的列车牵引供电装置的二极管整流机组和所述待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且所述直流接触网的待融冰区段的电流不小于所述融冰电流值。

在本实用新型一实施例中，所述一个列车牵引供电装置位于所述融冰区段的一侧，所述另一个所述列车牵引供电装置位于所述融冰区段的另一侧。

本实用新型提供一种列车牵引供电装置及系统，其中装置包括：二极管整流机组、四象限变流机组、和中央控制器；二极管整流机组、四象限变流机组和中央控制器并联连接交流电网和直流接触网，中央控制器连接四象限变流机组，中央控制器用于根据交流电网的电压、电流和直流接触网的电压调整四象限变流机组的输出电流；列车牵引供电装置处于牵引工况时，二极管整流机组和四象限变流机组将交流电网的交流电转换为直流电向直流接触网输出；列车牵引供电装置处于制动工况时，四象限变流机组将直流接触网的直流电转换为交流电向交流电网输出；列车牵引供电装置处于无功补偿工况时，中央控制器根据交流电网的功率因数控制四象限变流机组对交流电网进行无功补偿；中央控制器还用于接收融冰控制装置发送的包含融冰电流值的逆变指令，并根据逆变指令将列车牵引供电装置切换至逆变工况，以使列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且直流接触网的待融冰区段的电流不小于融冰电流值。本实用新型提供的列车牵引供电装置及系统丰富了列车牵引供电系统的功能。具体地，本实施例提供的列车牵引供电装置及系统能够：

1、列车牵引供电装置处于牵引工况时，为列车运行提供能量；

2、列车牵引供电装置处于制动工况时，能够实现能量的双向传输，将多余的制动能量反馈回交流电网，供其他负载使用，实现节能；

3、当整个牵引供电系统功率因数较低时，列车牵引供电装置处于无功补偿工况，可以补偿无功功率，使功率因数满足要求；

4、当接触网覆冰时，通过控制待融冰区段的两个列车牵引供电装置，使其在交流电网与直流接触网之间形成通路，从而实现了融冰，避免使用了额外的大容量直流可调电源，降低了对交流电网的谐波污染。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型列车牵引供电装置的结构示意图；

图2为本实用新型列车牵引供电装置处于牵引工况时的工作原理示意图；

图3为本实用新型列车牵引供电装置处于制动工况时的工作原理示意图；

图4为本实用新型列车牵引供电装置处于无功补偿工况时工作原理示意图；

图5为本实用新型列车牵引供电装置处于逆变工况时的工作原理示意图；

图6为本实用新型列车牵引供电装置控制原理示意图；

图7为本实用新型列车牵引供电装置二极管整流机组的结构示意图；

图8为本实用新型列车牵引供电装置四象限变流机组的结构示意图；

图9为本实用新型列车牵引供电系统的结构示意图；

图10为本实用新型列车牵引供电系统控制方法实施例一的流程示意图；

图11为本实用新型列车牵引供电系统控制方法实施例二的流程示意图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本实用新型列车牵引供电装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例中提供的列车牵引供电装置包括：二极管整流机组、四象限变流机组、和中央控制器。其中，二极管整流机组、四象限变流机组和中央控制器并联连接交流电网和直流接触网，中央控制器连接四象限变流机组，中央控制器用于根据交流电网的电压、电流和直流接触网的电压调整四象限变流机组的输出电流；列车牵引供电装置处于牵引工况时，二极管整流机组和四象限变流机组将交流电网的交流电转换为直流电向直流接触网输出；列车牵引供电装置处于制动工况时，四象限变流机组将直流接触网的直流电转换为交流电向交流电网输出；列车牵引供电装置处于无功补偿工况时，中央控制器根据交流电网的功率因数控制四象限变流机组对交流电网进行无功补偿；中央控制器还用于接收融冰控制装置发送的包含融冰电流值的逆变指令，并根据逆变指令将列车牵引供电装置切换至逆变工况，以使列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且直流接触网的待融冰区段的电流不小于融冰电流值。

具体地，为了解决现有技术中列车牵引供电系统功能较为单一的问题，本实施例中的列车牵引供电装置通过将二极管整流机组和四象限变流机组并联运行，以同时实现牵引供电、列车再生制动能量回馈、无功补偿和接触网融冰的功能。

1、图2为本实用新型列车牵引供电装置处于牵引工况时的工作原理示意图。如图2所示，当列车牵引供电装置附近有列车需要提供动力时，列车牵引处于牵引工况，二极管整流机组和四象限变流机组共同向列车提供能量。其中，二极管整流机组和四象限变流机组将交流电网的交流电转换为直流电并向直流接触网输出直流电，使得列车通过接入的直流接触网上的直流电获取牵引能量。

2、图3为本实用新型列车牵引供电装置处于制动工况时的工作原理示意图。如图3所示，当列车牵引供电装置附近有列车制动时，列车牵引供电装置开启制动工况，列车的再生制动能量可以通过四象限变流机组回馈到交流电网再利用。其中，四象限变流器机组将直流接触网的直流电转换为交流电向交流电网输出。

3、图4为本实用新型列车牵引供电装置处于无功补偿工况时工作原理示意图。如图4所示，当列车牵引供电装置所在的供电系统的功率因数较低时，可以通过列车供电装置的四象限变流机组补偿无功功率，使得功率因数满足要求。其中，如图4中的列车牵引供电装置通过线路电缆电容产生的无功功率。并且可选地，列车牵引供电装置的中央控制器可以在系统处于无功补偿工况时，根据交流电网的功率因数控制四象限变流器对交流电网进行无功补偿。

4、图5为本实用新型列车牵引供电装置处于逆变工况时的工作原理示意图。如图5所示，当列车牵引供电装置附近的直流接触网的线路某一区段需要融冰时，列车牵引供电装置接收到系统中融冰控制装置发送的包含融冰电流值的逆变指令后，根据逆变指令将列车牵引供电装置切换至逆变工况，使得该处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、以及待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，即如图5中所示的箭头方向的能量循环方向。而中央控制器还控制直流接触网的待融冰区段的电流不小于融冰控制装置发送的融冰电流值。其中可选地，融冰电流值可以是融冰控制装置根据直流接触网上待融冰区段的监控信息，如覆冰厚度和温度、湿度等环境条件的监控信息计算出所需的融冰电流值。

进一步地，在上述图5所示的实施例中，处于逆变工况的列车牵引供电装置在待融冰区段相邻的列车牵引供电装置还可以包括整流工况。其中，相邻的列车牵引供电装置除了具备上述工况之外，该列车牵引供电装置的中央控制器还可以接收融冰控制装置发送的包含融冰电流值的整流指令，并根据整流指令将列车牵引供电装置切换至整流工况。从而使得处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段，以及处于整流工况的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环。并且处于逆变工况的列车牵引供电装置和处于整流工况的列车牵引供电装置之间的待融冰区段的电流不小于融冰控制装置发送的融冰电流值。其中可选地，融冰电流值可以是融冰控制装置根据直流接触网上待融冰区段的覆冰厚度和温度、湿度等环境条件计算出所需的融冰电流值。

综上，本申请实施例提供的列车牵引供电装置，能够在列车牵引供电装置处于牵引工况时，二极管整流机组和四象限变流机组将交流电网的交流电转换为直流电向直流接触网输出；列车牵引供电装置处于制动工况时，四象限变流机组将直流接触网的直流电转换为交流电向交流电网输出；列车牵引供电装置处于无功补偿工况时，中央控制器根据交流电网的功率因数控制四象限变流机组对交流电网进行无功补偿；中央控制器还用于接收融冰控制装置发送的包含融冰电流值的逆变指令，并根据逆变指令将列车牵引供电装置切换至逆变工况，以使列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且直流接触网的待融冰区段的电流不小于融冰电流值。从而能够同时实现如下的技术效果：1、列车牵引供电装置处于牵引工况时，为列车运行提供能量；2、列车牵引供电装置处于制动工况时，能够实现能量的双向传输，将多余的制动能量反馈回交流电网，供其他负载使用，实现节能；3、当整个牵引供电系统功率因数较低时，列车牵引供电装置处于无功补偿工况，可以补偿无功功率，使功率因数满足要求；4、当接触网覆冰时，通过控制待融冰区段的两个列车牵引供电装置，使其在交流电网与直流接触网之间形成通路，从而实现了融冰，避免使用了额外的大容量直流可调电源，降低了对交流电网的谐波污染。

进一步地，在上述实施例中，当列车牵引供电装置处于无功补偿工况时，中央控制器具体用于通过交流电网主变电站进线处的无功功率生成无功电流指令，并向列车牵引供电装置的四象限变流机组发送无功电流指令，使得四象限变流机组对交流电网进行无功补偿。例如：在一种实施方式中，可以理解为，利用四象限变流机组对交流电网的无功补偿，具体实施过程中，可以理解为四象限变流机组零功率因数纯感性运行(等效为蝠值可调的电感)或者零功率因数纯容性运行(等效为幅值可调的电容)，以补偿容性负荷或者感性负荷对交流电网功率因数的影响。可在控制器中写入无功功率补偿的控制逻辑来确定，或者依据预设的量化数据来确定，在此不做限定。

可选地，在上述实施例中，中央控制器对交流电网的主变电站进线处的无功功率和有功功率独立控制。具体地，图6为本实用新型列车牵引供电装置控制原理示意图。如图6所示的列车牵引供电装置中，四象限变流机组的电流闭环控制方法采用基于同步旋转坐标系的电流解耦控制实现对有功功率和无功功率的独立控制。具体地，通过检测检测交流电压，并对其进行锁相，得到电网电压同步角θ；利用坐标变换将三相电流转换成两相电流id和iq，其中id代表有功电流，iq代表无功电流，以实现对有功功率和无功功率的独立控制；其中有功电流指令的计算是通过检测直流接触网电压，并进行pi闭环控制得到；无功电流指令的计算是通过中央控制器接收来自scada根据主变电站进线处的无功功率值计算得到的，计算公式为其中ed为变压器二次侧电压在同步坐标系下的值；将d、q轴pi控制的输出用于调制，产生六路驱动脉冲。

可选地，在上述各实施例中，二极管整流机组为24脉波二极管整流机组，包括：两台整流变压器和四个二极管整流桥。具体地，图7为本实用新型列车牵引供电装置二极管整流机组的结构示意图。其中，两个三绕组移相变压器一次绕组为延边三角形连接，分别移相+7.5°和-7.5°；二次侧分别采用星形连接和角型连接；变压器将高压交流电压降低至二极管整流器所需的交流电压；二极管整流器直流侧采用并联的方式联接。二极管整流机组在列车牵引时为其供电，在列车制动时不起作用。

可选地，在上述各实施例中，四象限变流机组包括：双绕组变压器和四象限变流器。具体地，图8为本实用新型列车牵引供电装置四象限变流机组的结构示意图。其中，其中四象限变流器采用隔离型二重化主电路，即采用多绕组变压器将各pwm整流器交流侧相互隔离开；变压器一次侧采用星形连接，二次侧均采用三角形连接；变压器将高压交流电压降低至四象限变流器所需的交流电压。

图9为本实用新型列车牵引供电系统的结构示意图。如图9所示，本申请实施例提供的列车牵引供电系统包括：融冰控制装置和n个如上述实施例中任一项的列车牵引供电装置。其中，n个列车牵引供电装置的中央控制器连接融冰控制装置；融冰控制装置用于通过直流接触网的覆冰厚度和环境条件计算出融冰电流值，并向待融冰区段对应的一个列车牵引供电装置发送逆变信号，以使列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且直流接触网的待融冰区段的电流不小于融冰电流值。

具体地，当列车牵引供电系统内直流接触网的线路某一区段需要融冰时，融冰控制装置根据直流接触网上待融冰区段的监控信息，如覆冰厚度和温度、湿度等环境条件的监控信息计算出所需的融冰电流值。融冰控制装置向待融冰区段旁、如图9所示的任意一个列车牵引供电装置的中央控制器发送包含融冰电流值的逆变指令，并使得接收到逆变指令的列车供电装置，根据逆变指令将列车牵引供电装置切换至逆变工况，使得该处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、以及待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，即形成如图5中所示的箭头方向的能量循环方向。而接收到逆变指令的列车供电装置的中央控制器还控制直流接触网的待融冰区段的电流不小于融冰控制装置发送的融冰电流值。

进一步地，在上述实施例中，融冰控制装置除了向任意一个列车牵引供电装置的中央控制器发送包含融冰电流值的逆变指令外，还向待融冰区段处于逆变工况的列车牵引供电装置相邻的、处于待融冰区段另一侧的列车牵引供电装置发送包含融冰电流值的整流指令。使得接收到整流指令的列车牵引供电装置根据整流指令将列车牵引供电装置切换至整流工况。

从而通过处于逆变工况和整流工况的两个列车牵引供电装置，共同使得处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段，以及处于整流工况的列车牵引供电装置的二极管整流机组和待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环。并且处于逆变工况的列车牵引供电装置和处于整流工况的列车牵引供电装置之间的待融冰区段的电流不小于融冰控制装置发送的融冰电流值。

图10为本实用新型列车牵引供电系统控制方法实施例一的流程示意图。如图10所示，本实施例提供的列车牵引供电系统控制方法用于上述系统中执行，其中，该方法包括：

s1001：通过直流接触网的覆冰厚度和环境条件计算出融冰电流值。

s1002：向待融冰区段对应的一个所述列车牵引供电装置发送逆变信号，以使所述列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、所述待融冰区段相邻的列车牵引供电装置的二极管整流机组和所述待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且所述直流接触网的待融冰区段的电流不小于所述融冰电流值。

本实施例提供的列车牵引供电系统控制方法用于在图9所示的列车牵引供电系统中执行，其实现方式与原理相同，可参照前述实施例，不再赘述。

进一步地，图11为本实用新型列车牵引供电系统控制方法实施例二的流程示意图。图11所示的实施例在图10所示的实施例基础上，s1002之后还包括：

s1003：向所述待融冰区段对应的另一个所述列车牵引供电装置发送整流信号，以使处于逆变工况的列车牵引供电装置的四象限变流机组、直流接触网的待融冰区段、处于整流工况的列车牵引供电装置的二极管整流机组和所述待融冰区段对应的交流电网之间形成能量循环，且所述直流接触网的待融冰区段的电流不小于所述融冰电流值。

本实施例提供的列车牵引供电系统控制方法用于在图9所示的列车牵引供电系统中执行，其实现方式与原理相同，可参照前述实施例，不再赘述。

实用新型一实施例还提供一种电子设备，包括：

处理器；以及，存储器，用于存储处理器的可执行指令；

其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行上述任一项实施例中的列车牵引供电系统控制方法。

本实用新型一实施例还提供一种存储介质，包括：可读存储介质和计算机程序，所述计算机程序存储在可读存储介质上，所述计算机程序用于实现上述各实施例中所述的列车牵引供电系统控制方法。

本实用新型一实施例还提供一种程序产品，该程序产品包括：

计算机程序(即执行指令)，该计算机程序存储在可读存储介质中。编码设备的至少一个处理器可以从可读存储介质读取该计算机程序，至少一个处理器执行该计算机程序使得编码设备实施前述的各种实施方式提供的列车牵引供电系统控制方法。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。