轨道交通牵引供电系统的制作方法

本公开的实施例涉及动力牵引供电技术，尤其涉及一种轨道交通牵引供电系统。

背景技术：

轨道交通牵引供电系统是指从外部电源（例如区域发电站、高压输电线）接收电能，通过变压、变相或者换流（将三相工频交流变换为单相交流或直流）后，向电力机车所在的牵引电网提供所需电流制式的电能的系统。因此，轨道交通牵引供电系统的性能直接影响电力机车牵引功率的发挥和牵引传动控制系统的性能。

现有轨道交通牵引供电系统中，电气化轨道普遍采用25kv/50hz的单相交流异相单边供电制式，通常在轨道沿线设置多个牵引供电所，每个牵引供电所连接自身所在地区的外部电源，并通过scott或者vv等接线型式的牵引变压器将三相交流变成单相交流后分别向各自的牵引段供电。

上述采用分段供电的轨道交通牵引供电系统中，各牵引供电所都依赖于各自所在地区的外部电源，轨道交通牵引供电系统供电效果不佳，供电段的不连续会导致电力机车的运行可靠性下降和运力下降，此问题在外部电源薄弱的地区、尤其是无电地区更为突出。

技术实现要素：

本公开的实施例提供一种轨道交通牵引供电系统，用以解决现有轨道交通牵引供电系统过于依赖外部电源、且分段供电，供电效果不佳，导致电力机车的运行可靠性下降和运力下降的问题。

本公开的实施例提供一种轨道交通牵引供电系统，包括：

沿轨道铺设的直流线路、设在所述直流线路上的第一牵引供电所和第二牵引供电所；

所述第一牵引供电所内设有第一电源换流器，所述第一电源换流器与外部电源连接，将所述外部电源的电能输送至所述直流线路；

所述第二牵引供电所内设有牵引供电换流器，所述牵引供电换流器与牵引电网连接，将所述第一牵引供电所输送至所述直流线路的电能，输送至所述牵引电网。

在一种可能的实现方式中，所述第一牵引供电所接入至少两路所述外部电源，将各路所述外部电源的电能均输送至所述直流线路，从而多路外部电源同时向直流线路供电，有效地提高了外部电源的利用率，降低对外部电源的容量要求和可靠性要求，并且当任一外部电源退出时，还可依赖剩余的外部电源，有效地提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。

在一种可能的实现方式中，各路所述外部电源分别连接一个或多个独立的所述第一电源换流器，通过所述第一电源换流器将所述外部电源的交流电转换为所述直流线路上的直流电，从而任一外部电源退出或任一第一电源换流器退出，均不影响第一牵引供电所向直流线路供电，提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。

在一种可能的实现方式中，所述直流线路上设有至少一个贯通供电段，各所述贯通供电段中包括至少两个所述第二牵引供电所，将所述直流线路的电能输送至所述牵引电网，从而通过贯通供电段为外部电源薄弱地区和无电地区供电，提高了轨道交通牵引供电系统在这些地区的供电能力。

在一个可能的实施方式中，在同一所述贯通供电段中，各所述第二牵引供电所的输出电压幅值及相位相同，将电压幅值及相位相同的电能输送至所述牵引电网，从而提高同一贯通供电段内电力机车运行的稳定性。

在一个可能的实施方式中，所述贯通供电段通过第二电源换流器连接轨道沿线的交直流负荷或者分布式新能源电源，所述第二电源换流器分别与所述直流线路和所述交直流负荷连接、或者分别与所述直流线路和所述分布式新能源电源连接，从而充分利用轨道交通牵引供电系统的供电功能和受电功能，为周边地区提供用电便利和电能消纳便利。

在一个可能的实施方式中，所述直流线路为双回路直流线路或者双极直流线路，从而通过双回路直流线路或者双极直流线路，提高了直流线路的供电能力和容错能力。

在一个可能的实施方式中，各所述第一牵引供电所中，每回所述直流线路连接至少一个独立的所述第一电源换流器，从而任一第一电源换流器或者任意一回直流线路退出，均不影响第一牵引供电所向第二牵引供电所输送电能，提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。

在一个可能的实施方式中，各所述第一牵引供电所中，每极所述直流线路连接至少一个独立的所述第一电源换流器，从而任一第一电源换流器或者任意一极直流线路退出，均不影响第一牵引供电所向第二牵引供电所输送电能，提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。

在一个可能的实施方式中，所述第一牵引供电所内设有接线式变压器或牵引供电换流器，通过所述接线式变压器或所述第一牵引供电所内的牵引供电换流器将所述外部电源的电能输送给所述牵引电网，从而第一牵引供电所在将外部电源的电能输送至直流线路的同时，还能够为牵引电网供电。

本公开的实施例提供了一种轨道交通牵引供电系统，该系统包括沿轨道铺设的直流线路、设在直流线路上的第一牵引供电所和第二牵引供电所。第一牵引供电所内的第一电源换流器与外部电源连接，将外部电源的电能输送至直流线路，第二牵引供电所内的牵引供电换流器与牵引电网连接，将第一牵引供电所输送至直流线路的电能，输送至牵引电网，以通过牵引电网为电力机车提供牵引动力。因此，通过在外部电源可靠强健的地区设置第一牵引供电所，在外部电源薄弱地区和无电地区设置第二牵引供电所，降低了轨道交通牵引供电系统对外部电源的依赖，通过第一牵引供电所、第二牵引供电所与直流线路的结合，提高了轨道交通牵引供电系统的供电稳定性和供电能力，进而提高了电力机车的运行可靠性和运力。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为现有轨道交通牵引供电系统的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图；

图5为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图。

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。

附图标记：

11-接线式变压器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

轨道交通牵引供电系统是指从外部电源接收电能，例如从区域发电站、高压输电线接收电能，通过变压、变相或换流方式，即将该电能从三相工频交流变换为单相交流或直流，向电力机车所在的牵引电网提供所需电流制式的电能的系统。因此，轨道交通牵引供电系统的性能直接影响电力机车牵引功率的发挥和牵引传动控制系统的性能。

图1为现有轨道交通牵引供电系统的结构示意图。在图1中，轨道沿线设置有n个牵引供电所，包括牵引供电所1至牵引供电所n，n与轨道的长度有关。每个牵引供电所中设有接线式变压器11，接线式变压器11连接两路外部电源的进线：外部电源进线1和外部电源进线2。其中，各牵引供电所连接的外部电源为距离自身较近的外部电源。接线式变压器11通常为scott或者vv等接线型式的牵引变压器，将三相交流电转换为单相交流后分别向各牵引段（通过牵引电网向电力机车提供牵引动力的路段）供电。其中，开关t和开关f用来控制外部电源进线的切换，t母线和f母线分别表示与开关t、开关f连接的一条电流通路，当外部电源进线1接入牵引电网时，外部电源进线2连接的开关t和开关f断开，当外部电源进线2接入牵引电网时，外部电源进线1连接的开关t和开关f断开。图1中的“上行”和“下行”表示电力机车行驶的上行轨道和下行轨道上的牵引电网。

图1所示的轨道交通牵引供电系统，存在的主要问题有：1、接线式变压器11将外部电源的三相交流电直接转换为单相交流电，导致外部电源的电流负荷不平衡；2、各牵引供电所依赖各自接入的外部电源，形成分段供电，位于外部电源强健可靠地区的牵引供电所的供电能力较强，位于外部电源薄弱地区的牵引供电所的供电能力较弱，且分段供电使电力机车在分段转接地段需要靠滑行前进，导致电力机车运行可靠性和运力下降。对于电气化轨道交通，获取可靠的电能并高效利用是一个迫切的需求，尤其对于外部电源薄弱的地区而言，更加需要一种可靠的且不过于依赖外部电源的轨道交通牵引供电系统。

本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统，通过第一牵引供电所内的第一电源换流器，将外部电源的三相交流电转换为直流线路上的直流电，由第二牵引供电所将直流电输送至牵引电网，利用直流电的稳定性解决了现有轨道交通牵引供电系统存在的第一个主要问题，即通过接线式变压器11将外部电源的三相交流电直接转换为单相交流电并输送至牵引电网，导致外部电源的电流负荷不平衡的问题；本公开实施例提供的轨道牵引供电系统，通过无外部电源接入的第二牵引供电所，将直流线路上的电能输送至牵引电网，降低了轨道交通牵引供电系统对外部电源的依赖，提高了轨道交通牵引供电系统的供电稳定性和供电能力，解决了现有轨道交通牵引供电系统分段供电导致的第二个主要问题，还能对外部电源薄弱地区或者无电地区的牵引供电所提供电源，第二个主要问题即各牵引供电所依赖各自接入的外部电源，形成分段供电，位于外部电源强健可靠地区的牵引供电所的供电能力较强，位于外部电源薄弱地区的牵引供电所的供电能力较弱，且分段供电使电力机车在分段转接地段需要靠滑行前进，导致电力机车运行可靠性和运力下降的问题。其中，无电地区是指无外部电源的区域，例如一些无电力资源存在的荒漠、戈壁等。

下面以具体的实施例对本公开的技术方案以及本公开的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。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中不再赘述。下面将结合附图，对本公开的实施例进行描述。

图2为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图，图中的“上行”和“下行”表示电力机车行驶的上行轨道和下行轨道上的牵引电网，外部电源进线1和外部电源进线2用于连接外部电源，并不限定第一牵引供电所连接有两个外部电源，第一牵引供电所和第二牵引供电所的位置分布，仅表示第一牵引供电所与第二牵引供电所设于直流线路上，不限定第一牵引供电与第二牵引供电所之间的位置关系，同样也不限定第一牵引供电所的数量和第二牵引供电所的具体数量与图中所示相同。

如图2所示，轨道交通牵引供电系统包括：沿轨道铺设的直流线路、设在直流线路上的第一牵引供电所和第二牵引供电所，其中：

第一牵引供电所内设有第一电源换流器，第一电源换流器与外部电源连接，将外部电源的电能输送至直流线路；第二牵引供电所内设有牵引供电换流器，牵引供电换流器与牵引电网连接，将第一牵引供电所输送至直流线路的电能输送至牵引电网，为电力机车供电。

具体的，第一电源换流器通过外部电源进线与外部电源连接，将外部电源的交流电转换为直流电，输送至直流线路中，为直流线路供电。直流线路沿轨道铺设，用于将直流电能输送至需要馈能的供电段，需要馈能的供电段包括外部电源薄弱地区的供电段和无电地区的供电段。第二牵引供电所中的牵引供电换流器，将直流线路上的直流电能转换为牵引电网所需电流制式的交流电能，将转换得到的交流电能输送至上行轨道和下行轨道上的牵引电网。因此，第一牵引供电所可设置在外部电源强健可靠的地区，为直流线路提供稳定充足的电能，保证轨道交通牵引供电系统的可靠性。第二牵引供电所除了可以设置在外部电源可靠强健的地区，更需要设置在外部电源薄弱地区和无电地区，向这些地区的供电段提供电能，减小不同供电段之间的供电差异，提高电力机车的运行可靠性和运力。

除上述两个主要问题外，现有轨道交通牵引供电系统还存在下列问题：两路外部电源主备方式运行，每次只有一个外部电源处于接入状态，因此对外部电源的容量和可靠性要求非常高。为解决该问题，在一个可选的实施方式中，第一牵引供电所接入至少两路外部电源，通过第一电源换流器将各路外部电源的电能均输送至直流线路，从而多路外部电源同时向直流线路供电，提高了外部电源利用率，降低了对外部电源的容量要求和可靠性要求，并且当任一外部电源退出时，还可依赖剩余的外部电源，有效地提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。

在一个可选的实施方式中，在第一牵引供电所接入至少两路外部电源时，各路外部电源分别连接一个或多个独立的第一电源换流器，从而任一外部电源退出或者任一第一电源换流器退出，均不影响第一牵引供电所向直流线路供电，提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。其中，独立的第一电源换流器表示各个第一电源换流器分别连接一个外部电源。

具体的，当任一外部电源退出时，可继续获取其它外部电源的电能。当任一第一电源换流器退出时，可获取其它电源换流器输送的电能，也可通过预设的开关，将处于空闲状态的其它第一电源换流器切换至该退出的第一电源换流器所连接的外部电源进线。

在一个可选的实施方式中，对于接入至少两路外部电源的第一牵引供电所，直流线路上设有至少一个，以提高轨道交通牵引供电系统获取外部电源的能力。其中，直流线路上设置的该类第一牵引供电所的数量越多，轨道交通牵引供电系统的容量越大、可靠性越高。

在一个可选的实施方式中，如图3所示，直流线路上设有至少一个贯通供电段，各贯通供电段设有至少两个第二牵引供电所，在贯通供电段，通过第二牵引供电所将直流线路的电能输送至牵引电网，从而通过贯通供电段为外部电源薄弱地区和无电地区供电，提高轨道交通牵引供电系统在这些地区的供电能力。

在一个可选的实施方式中，同一贯通供电段中，各第二牵引供电所的输出电压幅值及相位相同（即各第二牵引供电所输出电压的幅值相同、且输出电压的相位相同），将电压幅值及相位相同的电能输送至牵引电网，与贯通供电段连通的牵引电网可不设置电分相，从而提高同一贯通供电段内电力机车运行的稳定性。在同一贯通供电段内，第二牵引供电所的数量越多则供电容量越大、可靠性越高，其中，各第二牵引供电所内设有至少一个牵引供电换流器。

在一个可选的实施方式中，如图3所示，贯通供电段通过第二电源换流器连接轨道沿线的交直流负荷，其中，第二电源换流器分别与交直流负荷、贯通供电段区域内的直流线路连接，将直流线路的电能经过交直流转换输送至交直流负荷，实现为交直流负荷供电，从而充分利用轨道交通牵引供电系统的供电功能，为周边地区（尤其是无电地区）提供用电便利。其中，轨道沿线的交直流负荷为轨道沿线的铁路用电负荷、居民用电负荷以及工业用电负荷。

在一个可选的实施方式中，如图3所示，贯通供电段还可以通过第二电源换流器连接轨道沿线的分布式新能源电源，将分布式新能源电源的电能输送至直流线路，从而充分利用轨道交通牵引供电系统的受电能力，既为周边地区提供电能消纳便利，又提高轨道交通牵引供电系统的供电能力。其中，分布式新能源电源包括风力发电、太阳能发电等。

图4为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图，图中的“上行”和“下行”表示电力机车行驶的上行轨道和下行轨道上的牵引电网，外部电源进线1和外部电源进线2用于连接外部电源，并不限定第一牵引供电所连接有两个外部电源，第一牵引供电所和第二牵引供电所的位置分布，仅表示第一牵引供电所与第二牵引供电所设于直流线路上，不限定第一牵引供电与第二牵引供电所之间的位置关系，同样也不限定第一牵引供电所的数量和第二牵引供电所的具体数量与图中所示相同。

如图4所示，轨道交通牵引供电系统包括：沿轨道铺设的双回路直流线路、设在双回路直流线路上的第一牵引供电所和第二牵引供电所，其中：

第一牵引供电所内设有第一电源换流器，第一电源换流器与外部电源连接，将外部电源的电能输送至双回路直流线路；第二牵引供电所内设有牵引供电换流器，牵引供电换流器与牵引电网连接，将第一牵引供电所输送至双回路直流线路的电能输送至牵引电网，为电力机车供电。

具体的，双回路直流线路包括两条直流正极线和两条直流负极线，当其中一个直流回路退出时，还可通过另外一条直流回路输送直流电能，有效地提高了直流线路的供电能力和容错能力。第一牵引供电所包括第一牵引供电所a和第一牵引供电所b，第一牵引供电所a和第一牵引供电所b结构相同，仅表示两个不同的牵引供电所，在外部电源强劲可靠的不同地区设置第一牵引供电所a和第二牵引供电所b作为电源侧，为直流线路提供稳定充足的电能。图4中的第一电源换流器、贯通供电段、第二牵引供电所、第二电源换流器、交直流负荷、分布式新能源电源等内容可参照上述图2~图3对应的描述内容以及任一可行实施方式的描述内容，不再赘述。

在一个可行的实施方式中，在各第一牵引供电所中，每回直流线路连接至少一个独立的第一电源换流器，从而任一第一电源换流器或者任意一回直流线路退出，另一回直流线路还可获取另一第一电源换流器输送的电能，均不影响第一牵引供电所向第二牵引供电所输送电能，提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。其中，每回直流线路连接至少一个独立的第一电源换流器，不包括每回直流线路共用一个第一电源换流器的情况。若第一牵引供电所中每回直流线路共用一个第一电源换流器，则当该第一电源换流器退出时，该第一牵引供电所无法将外部电源的电能输送至直流线路上，但在本申请实施例提供的方案中还可以通过剩余的第一牵引供电所为直流线路输送电能，只是单个第一牵引供电所的可靠性降低。

在一个可行的实施方式中，若第一牵引供电所中每回直流线路共用一个第一电源换流器，则当任意一回直流线路退出时，可通过预先设置的开关将该第一电源换流器切换至另一回直流线路上，以提高轨道交通牵引供电系统的可靠性。

在一个可行的实施方式中，第一牵引供电所内设有接线式变压器11，通过接线式变压器11将外部电源的电能转换为牵引电网所需电流制式的电能，并输送至牵引电网，从而第一牵引供电所在将外部电源的电能提供给双回路直流线路的同时，能够通过接线式变压器11向牵引电网供电。除了采用接线式变压器11，还可在第一牵引供电所内设置牵引供电换流器，如第二牵引供电所内的牵引供电换流器一样，第一牵引供电所内的牵引供电换流器分别与直流线路、牵引电网连接，将直流线路的电能输送至牵引电网。

图5为本公开实施例提供的轨道交通牵引供电系统的结构示意图，图中的“上行”和“下行”表示电力机车行驶的上行轨道和下行轨道上的牵引电网，外部电源进线1和外部电源进线2用于连接外部电源，并不限定第一牵引供电所连接有两个外部电源，第一牵引供电所和第二牵引供电所的位置分布，仅表示第一牵引供电所与第二牵引供电所设于直流线路上，不限定第一牵引供电与第二牵引供电所之间的位置关系，同样也不限定第一牵引供电所的数量和第二牵引供电所的具体数量与图中所示相同。

如图5所示，轨道交通牵引供电系统包括：沿轨道铺设的双极直流线路、设在双极直流线路上的第一牵引供电所和第二牵引供电所，其中：

第一牵引供电所内设有第一电源换流器，第一电源换流器与外部电源连接，将外部电源的电能输送至双极直流线路；第二牵引供电所内设有牵引供电换流器，牵引供电换流器与牵引电网连接，将第一牵引供电所输送至双极路直流线路的电能输送至牵引电网，为电力机车供电。

具体的，双极直流线路包括一条直流正极线、一条直流中性线和一条直流负极线，但这里的“双极”是指直流正极线和直流负极线，其中的任一极直流线退出时，还可通过另一极直流线和直流中性线输送直流电能，当直流中性线退出时，还可以通过直流正极线和直流负极线输送直流电能，有效地提高了直流线路的供电能力和容错能力。图5中的第一牵引供电所a、第一牵引供电所b、第一电源换流器、贯通供电段、第二牵引供电所、第二电源换流器、交直流负荷、分布式新能源电源等内容可参照上述图2~图4相应的描述内容以及上述任一可行实施方式的描述内容，不再赘述。

在一个可行的实施方式中，在各第一牵引供电所中，每极直流线路连接至少一个独立的第一电源换流器，从而任一第一电源换流器或者任意一极直流线路退出，另一极直流线路还可获取另一第一电源换流器输送的电能，均不影响第一牵引供电所向第二牵引供电所输送电能，提高了轨道交通牵引供电系统的可靠性。其中，每极直流线路连接至少一个独立的第一电源换流器，不包括每极直流线路共用一个第一电源换流器的情况。若第一牵引供电所中每极直流线路共用一个第一电源换流器，则当该第一电源换流器退出时，该第一牵引供电所无法将外部电源的电能输送至直流线路上，但在本申请实施例提供的方案中还可以通过剩余的第一牵引供电所为直流线路输送电能，只是单个第一牵引供电所的可靠性降低。

在一个可行的实施方式中，若第一牵引供电所中每极直流线路共用一个第一电源换流器，则当任意一极直流线路退出时，可通过预先设置的开关将该第一电源换流器切换至另一极直流线路上，通过该另一极直流线路与直流中性线输送直流电能，以提高轨道交通牵引供电系统的可靠性。同样的，当直流中性线退出时，可以通过预先设置的开关将连接直流中性线和其中一极直流线的第一电源换流器，从直流中性线上切换至另一极直流线路上。

在图2~图5所示的轨道交通牵引供电系统中，由于直流线路和牵引供电换流器的存在，单个第二牵引供电所的功率能够通过牵引供电换流器进行调整，各个第二牵引供电所能够保持最优或恒定功率运行，从而提高了轨道交通牵引供电系统的供电能力。

可以理解的是，在本公开实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本公开实施例的范围。

可以理解的是，在本公开的实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本公开实施例的实施过程构成任何限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。