一种列车供电网络及其准双边供电的牵引供电系统的制作方法

本发明涉及轨道交通技术领域，特别是涉及一种列车供电网络及其准双边供电的牵引供电系统。

背景技术：

目前，我国的电气化铁路采用的是25kv单相交流制式的交流供电系统，普遍采用变电所2回进线高压回路，以及地面牵引变压器一主一备来提升系统的可靠性。而为了负荷平衡及消除负序分量，通常采用分段轮换相序的方式，可参阅图1，为目前通常采用的交流牵引供电系统原理图。

图1呈现了两个牵引变电所及一个分区所，整个系统中包括牵引变压器、断路器、馈线开关、配电母线、牵引网、越区开关等装置，均为无源装置，具有结构简单、可靠高等特征，由于整个系统具有简单可靠这一突出特点，因此得到了大规模应用，但是随着技术的发展，其与目前高效化、智能化的发展要求的差距越来越明显。具体的，牵引供电系统采用分段供电，变电所需要进行电分相。例如图1的变电所1，以上行线路为例，便需要设置两个过渡区以及一个中性段无电区实现电分相。电分相严重影响了整个系统的运行效率，会出现列车速度受限、旅客舒适度受影响、闯分相甚至烧网等诸多问题。

综上所述，如何有效地避免电分相所带来的诸多问题，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种列车供电网络及其准双边供电的牵引供电系统，以。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种准双边供电的牵引供电系统，包括：

设置在第一变电所中的第一牵引变压器，用于接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出；

与所述第一牵引变压器连接的第一同相供电变流装置，用于在控制器的控制下向所述牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与所述第一牵引变压器向所述牵引网输出的电压相位相同；

设置在第二变电所中的第二牵引变压器，用于接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出；

与所述第二牵引变压器连接的第二同相供电变流装置，用于在控制器的控制下向所述牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与所述第二牵引变压器向所述牵引网输出的电压相位相同；

设置在所述第一变电所与所述第二变电所之间的分区所；

所述控制器；其中，所述第一变电所以及所述第二变电所均仅具有一个过渡区。

优选的，所述第一牵引变压器向所述牵引网输出的电压相位，与所述第二牵引变压器向所述牵引网输出的电压相位相同；且所述分区所仅具有一个过渡区。

优选的，还包括：

设置在所述分区所中，第一端与所述分区所的过渡区的第一端连接，第二端与所述分区所的过渡区的第二端连接的变流器；

所述控制器还用于：基于接收到的有功功率交换指令对所述变流器进行控制，以进行第一供电臂与第二供电臂之间的有功功率交换；

其中，所述分区所与所述第一变电所之间的供电臂为第一供电臂，所述分区所与所述第二变电所之间的供电臂为第二供电臂。

优选的，所述控制器还用于：

基于接收到的无功功率补偿指令对所述变流器进行控制，对所述第一供电臂和/或所述第二供电臂进行无功功率补偿。

优选的，所述控制器，还用于：

在确定出所述第一供电臂失电时，通过所述变流器将所述第二供电臂的电能提供至所述第一供电臂，在确定出所述第二供电臂失电时，通过所述变流器将所述第一供电臂的电能提供至所述第二供电臂。

优选的，所述控制器还用于：

控制所述第一同相供电变流装置和/或所述第二同相供电变流装置，以进行电能质量调整。

优选的，还包括：

设置在所述第一变电所与所述分区所之间的第一检测装置；设置在所述第二变电所与所述分区所之间的第二检测装置；其中，所述第一检测装置与所述第二检测装置之间的区域为过分相区域；

第一端与所述分区所的过渡区的第一端连接，第二端与所述分区所的过渡区的第二端连接的变流器；

所述控制器还用于：在通过所述第一检测装置和所述第二检测装置确定出列车进入到所述过分相区域之后，控制所述变流器进行电压输出，使得所述分区所的过渡区的第一端的电压与所述分区所的过渡区的第二端的电压相等。

优选的，所述第一同相供电变流装置以及所述第二同相供电变流装置均为交直交结构的同相供电变流装置。

一种列车供电网络，包括上述任一项所述的准双边供电的牵引供电系统。

应用本发明实施例所提供的技术方案，将传统的2个单相输出的其中之一，通过同相供电变流装置进行转换，转换为同相的电压输出。具体的，第一牵引变压器设置在第一变电所中，可以接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出。而第一同相供电变流装置与第一牵引变压器连接，在控制器的控制下，可以向牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与第一牵引变压器向牵引网输出的电压相位相同。因此，第一变电所便不存在电分相，从而第一变电所仅需要设置有一个过渡区，实现电气隔离即可。由于第一变电所不存在电分相，使得第一变电所的过渡区的两端的电压不存在幅值和相位的差异，因此可以避免变电所的电分相所带来的诸多问题。第二变电所与第一变电所同理。因此，本申请的方案避免了变电所的电分相所带来的诸多问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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为传统的交流牵引供电系统原理图；

图2为本发明中一种准双边供电的牵引供电系统的结构示意图；

图3为本发明一种具体实施方式中的准双边供电的牵引供电系统的结构示意图；

图4为本发明另一种具体实施方式中的准双边供电的牵引供电系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种准双边供电的牵引供电系统，避免了变电所的电分相所带来的诸多问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例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。

请参考图2，图2为本发明中一种准双边供电的牵引供电系统的结构示意图，该准双边供电的牵引供电系统包括：

设置在第一变电所中的第一牵引变压器10，用于接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出；

与第一牵引变压器10连接的第一同相供电变流装置20，用于在控制器的控制下向牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与第一牵引变压器10向牵引网输出的电压相位相同；

设置在第二变电所中的第二牵引变压器30，用于接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出；

与第二牵引变压器30连接的第二同相供电变流装置40，用于在控制器的控制下向牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与第二牵引变压器30向牵引网输出的电压相位相同；

设置在第一变电所与第二变电所之间的分区所50；

控制器；其中，第一变电所以及第二变电所均仅具有一个过渡区。

具体的，第一牵引变压器10可以接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出，例如图2中，第一牵引变压器10接收第一外部电源的三相电，并向牵引网进行a相的电压输出。同时，与第一牵引变压器10连接的第一同相供电变流装置20会在控制器的控制下向牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与第一牵引变压器10向牵引网输出的电压相位相同，即图2中，第一同相供电变流装置20也会进行a相的电压输出。也就是说，相较于传统的由主牵引变压器进行2个单相输出的方案，例如图1中输出a相和b相，本申请的方案中，利用第一同相供电变流装置20将原来的2个单相输出的其中一相进行转换，转换为同相的电压输出。

并且，通过第一牵引变压器10和第一同相供电变流装置20共同进行电压输出，可以使得第一变电所的供电母线a相的供电容量与图1传统的供电系统的供电容量是一致的，并且也能够保证第一牵引变压器10高压侧的三相平衡。

而由于本申请的第一变电所不存在电分相，因此，可参阅图2，第一变电所仅需要设置有一个过渡区，实现电气隔离即可。并且需要强调的是，本申请描述的第一变电所仅设置有一个过渡区，针对的是一条线路上，仅需要设置有一个过渡区。例如图3，示出了上行线路和下行线路，则在上行线路上设置有一个过渡区，在下行线路上也设置有一个过渡区。当然，实际应用中，变电所的线路情况可以有更多。此外，图2和图3中均未示出控制器。

第一变电所的过渡区的两端的电压不存在幅值和相位的差异，例如图2中均为a相，因此可以避免变电所的电分相所带来的诸多问题。并且，由于本申请的第一变电所仅需要设置有一个过渡区，相较于图1中需要两个过渡区以及一个中性段无电区的设计，降低了系统的施工工作量，也提升了牵引网的可靠性。

第二变电所与第一变电所同理，此处不再重复说明。但需要强调的是，第二同相供电变流装置40输出的电压相位与第二牵引变压器30向牵引网输出的电压相位相同，但是，第二牵引变压器30输出的电压相位和第一牵引变压器10输出的电压相位可以相同，也可以不同。当然，在实际应用中，通常可以设置成：第一牵引变压器10向牵引网输出的电压相位，与第二牵引变压器30向牵引网输出的电压相位相同。这样，分区所50便不需要进行电分相，仅设置一个过渡区进行电气隔离即可。图2的实施方式中，第二牵引变压器30向牵引网输出的电压相位也是a相。即实现了全线的无电分相，便于相邻变电所的再生能量的进一步共享。

如果第二牵引变压器30输出的电压相位和第一牵引变压器10输出的电压相位不相同，则分区所50需要进行电分相。

第一同相供电变流装置20以及第二同相供电变流装置40的具体结构可以根据实际需要进行设定和调整，通常，第一同相供电变流装置20以及第二同相供电变流装置40可以均为交直交结构的同相供电变流装置，便于控制器进行控制。当然，可以采用各种形式的拓扑结构，能够实现本申请的功能即可，例如可以采用2电平、三电平、多电平、级联及mmc等形式的拓扑，其中的开关器件可以采用igbt、igct、sic等。此外，后文实施例中描述的分区所50中的变流器也是同理，可以采用各种形式的拓扑结构。并且变流器可以直接接入牵引网25kv，也可以通过变压器降压再接入牵引网，并不影响本发明的实施。

在本发明的一种具体实施方式中，还可以包括：

设置在分区所50中，第一端与分区所50的过渡区的第一端连接，第二端与分区所50的过渡区的第二端连接的变流器；

控制器还用于：基于接收到的有功功率交换指令对变流器进行控制，以进行第一供电臂与第二供电臂之间的有功功率交换；

其中，分区所50与第一变电所之间的供电臂为第一供电臂，分区所50与第二变电所之间的供电臂为第二供电臂。

具体的，控制器可以基于接收到的有功功率交换指令对变流器进行控制，以进行第一供电臂与第二供电臂之间的有功功率交换，而有功功率交换指令的具体内容，可以取决于当前实际的有功功率策略。例如，列车位于第一供电臂且当前是下坡，产生的电能通过变流器输送至第二供电臂，从而实现电网的电能调度。这样的方案有利于提升整个供电系统的再生能量利用率及全局效率。而在传统的方案中，对于列车再生制动的能量，由于中性段无电区的存在，使得能量的再利用会受到各个分段的制约，即能量不能充分利用。

该种实施方式中分区所50采用变流器来实现两端功率的交换，对电力系统而言，相当于通过变流器实现两个高压电源之间的可控互联，这与目前广泛采用的hvdc实现大电网之间互联是完全一致的，可以被电力系统接受，能够避免全双边供电制式下两个变电所之间的不可控能量交换，甚至可能的环流，以及由此带来的安全问题。

在本发明的一种具体实施方式中，控制器还可以用于：

基于接收到的无功功率补偿指令对变流器进行控制，对第一供电臂和/或第二供电臂进行无功功率补偿。

该种实施方式中，考虑到变流器的两端分别连接在第一供电臂和第二供电臂上，因此也可以视为一个电力电子功率补偿器，实现对第一供电臂和/或第二供电臂的无功功率补偿。当然，具体的进行无功功率补偿的策略取决与实际的需要。通过进行无功功率补偿，有利于进一步地优化整个供电系统的电能质量。

在本发明的一种具体实施方式中，控制器还可用于：

控制第一同相供电变流装置20和/或第二同相供电变流装置40，以进行电能质量调整。

前述实施方式中，利用控制器对变流器进行控制，实现有功功率交换和无功功率补偿，该种实施方式中，考虑到第一同相供电变流装置20以及第二同相供电变流装置40也均是有源装置，因此，也可以在控制器的控制下，进行电能质量调整。例如降低电压波动、无功、谐波等，提高牵引网的供电电压的电能品质。

在本发明的一种具体实施方式中，控制器还可以用于：

在确定出第一供电臂失电时，通过变流器将第二供电臂的电能提供至第一供电臂，在确定出第二供电臂失电时，通过变流器将第一供电臂的电能提供至第二供电臂。

该种实施方式中，利用变流器和控制器实现越区供电的功能，即在一个供电臂故障时，可以快速地将另一个供电臂能量转换为相同幅值、相位的能量提供到故障供电臂。相较于传统的的需要手动操作越区开关的方案，本申请的方案可以实现远程，且快速、自动地进行越区供电，因此缩短了越区操作带来的断电时间，提升了系统效率及智能化水平。

并且，考虑到本申请可以方便，快速地进行越区供电，因此，本申请取消备用变压器以及第二路高压供电回路。而在传统方案中，高压电源侧采用了1主1备的模式。导致装置的利用率偏低，电力系统容量被闲置。取消了备用变压器以及第二路高压供电回路之后，有利于节省变电所初期投资以及建筑面积，更重要的是能够释放大量的电力系统为铁路牵引供电系统设置的备用容量，提升了整个电力系统的供电能力，并可以减少铁路部门的容量费。

此外，图3中的分区所变流器针对的是牵引网末端不并联的应用方案，如果是末端并联，则可改为图4所示的进一步的简化方案，即上行线路和下行线路可以复用一个变流器。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

设置在第一变电所与分区所50之间的第一检测装置；设置在第二变电所与分区所50之间的第二检测装置；其中，第一检测装置与第二检测装置之间的区域为过分相区域；

第一端与分区所50的过渡区的第一端连接，第二端与分区所50的过渡区的第二端连接的变流器；

控制器还用于：在通过第一检测装置和第二检测装置确定出列车进入到过分相区域之后，控制变流器进行电压输出，使得分区所50的过渡区的第一端的电压与分区所50的过渡区的第二端的电压相等。

如上文的描述，第二牵引变压器30向牵引网输出的电压相位，通常可以与第一牵引变压器10向牵引网输出的电压相位相同，实现全线的无电分相，当然，如果第二牵引变压器30向牵引网输出的电压相位，不同于第一牵引变压器10向牵引网输出的电压相位，方案也可以实施，但分区所50就需要进行电分相。该种实施方式便是一种分区所自动过分相的方案，便于实施，且有利于保障系统的安全性。

具体的，该种实施方式中，设置在第一变电所与第二变电所之间的分区所50仅具有一个过渡区。变流器的第一端则与该过渡区的第一端连接，变流器的第二端与该过渡区的第二端连接。第一检测装置与第二检测装置之间的区域称为过分相区域，在列车进入到过分相区域之后，控制器便会按照相应的策略对变流器进行控制。第一检测装置以及第二检测装置便是用于确定列车是否进入过分相区域的装置。并且可以理解的是，该实施例中描述的列车是否进入过分相区域，具体针对的是列车的受电弓的位置，当列车的受电弓位于过分相区域内时，便可以确定列车进入了过分相区域。

第一检测装置以及第二检测装置的具体形式以及位置设置，均可以根据实际需要进行设定和选取。例如，第一检测装置可以距离分区所50的过渡区几十米或者更短，当然，该距离可以根据需要进行调整。第一检测装置以及第二检测装置均可以采用常用的进行受电弓位置检测的检测装置，此外，也可以是基于车地通讯的方式确定出列车的受电弓是否进入过分相区域。例如可以采用计轴器、磁钢、电流传感器、受电弓检测器等检测装置。

第一检测装置以及第二检测装置均与控制器连接，因此，基于第一检测装置以及第二检测装置确定出列车进入到过分相区域之后，控制器便会控制变流器进行电压输出，使得分区所50的过渡区的第一端的电压与分区所50的过渡区的第二端的电压相等。

当列车的受电弓位于分区所50的过渡区时，此时分区所50的过渡区的第一端通过受电弓与分区所50的过渡区的第二端电气连接，此时需要使得分区所50的过渡区的第一端与分区所50的过渡区的第二端的电压的相同，否则会产生电火花等危险情况。因此，本申请的方案中，列车进入到过分相区域之后，控制器便会控制分区所50的过渡区的第一端的电压与分区所50的过渡区的第二端的电压相等。而控制器在控制变流器使得分区所50的过渡区的第一端的电压与分区所50的过渡区的第二端的电压相等时，可以以分区所50的过渡区的第一端的电压为基准，也可以以分区所50的过渡区的第二端的电压为基准。当然，也可以是以一个预定的电压值作为基准，但通常是以分区所50的过渡区的第一端的电压为基准或者以分区所50的过渡区的第二端的电压为基准。此外需要强调的是，本申请描述的电压相等，指的电压的幅值和相位均相等，即是一个矢量。

应用本发明实施例所提供的技术方案，将传统的2个单相输出的其中之一，通过同相供电变流装置进行转换，转换为同相的电压输出。具体的，第一牵引变压器10设置在第一变电所中，可以接收外部电能并向牵引网进行单相的电压输出。而第一同相供电变流装置20与第一牵引变压器10连接，在控制器的控制下，可以向牵引网进行单相的电压输出，且输出的电压相位与第一牵引变压器10向牵引网输出的电压相位相同。因此，第一变电所便不存在电分相，从而第一变电所仅需要设置有一个过渡区，实现电气隔离即可。由于第一变电所不存在电分相，使得第一变电所的过渡区的两端的电压不存在幅值和相位的差异，因此可以避免变电所的电分相所带来的诸多问题。第二变电所与第一变电所同理。因此，本申请的方案避免了变电所的电分相所带来的诸多问题。

相应于上面的准双边供电的牵引供电系统实施例，本发明实施例还提供了一种列车供电网络，可以包括上述任一实施例中的准双边供电的牵引供电系统，此处不再重复说明。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。