一种长定子直线同步电机的供电系统及方法与流程

本发明涉及高速磁浮牵引转动领域，特别是涉及一种长定子直线同步电机的供电系统及方法。

背景技术：

目前，高速磁浮列车由于具有速度快、能耗低、运量大且适合远距离高速运输等优点而得到越来越广泛地应用。现有技术中，高速磁浮列车通常采用单端供电模式进行供电，即由一个变流器通过馈电电缆为高速磁浮列车的牵引动力来源—长定子直线同步电机供电。但是，当高速磁浮列车高速运行且需要较大加速度时，一个变流器的电流承受能力往往不能满足高速磁浮列车实际的牵引需求，从而限制了高速磁浮列车的运行；而且，当此变流器出现故障时，高速磁浮列车无法继续运行，从而降低了高速磁浮列车的安全性和可靠性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种长定子直线同步电机的供电系统及方法，由多个变流器同时为长定子直线同步电机供电，从而可满足高速磁浮列车的高速运行需求；且当一个变流器出现故障时，其余变流器可继续供电，从而提高了系统的容错能力，且保证了高速磁浮列车继续运行，进而提高了高速磁浮列车的安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种长定子直线同步电机的供电系统，包括：

铺设于高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上、与铺设于所述运行轨道上的长定子直线同步电机连接的n个变流器，其中，n为大于1的整数；

与n个所述变流器一一连接的n个分控制器；

与n个所述分控制器连接的主控制器，用于根据所述高速磁浮列车的牵引需求电流对各所述变流器进行电流分配，并利用各所述分控制器相应控制各所述变流器的输出电流达到各自的电流分配值。

优选地，所述主控制器包括：

电流分配模块，用于在满足所述长定子直线同步电机与各所述变流器之间连接的馈电电缆的总损耗功率最小的情况下，根据所述高速磁浮列车的牵引需求电流对各所述变流器进行电流分配；

电流控制模块，用于利用各所述分控制器相应控制各所述变流器的输出电流达到各自的电流分配值。

优选地，当所述高速磁浮列车采用id＝0的矢量控制策略时，所述电流分配模块包括：

电阻求取子模块，用于根据所述高速磁浮列车的行驶位置分别计算各所述变流器与所述长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻；

最优分配子模块，用于根据总损耗功率关系式及总损耗功率最小的约束条件，对各所述变流器进行电流分配；其中，ploss(x)为所述总损耗功率，为第n个变流器的电流分配值，rn(x)为第n个变流器与所述长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻。

优选地，所述电流控制模块包括：

公共部分求取子模块，用于根据各所述变流器在两相旋转坐标系下的两相数学模型中所包含的公共关系式，计算各所述两相数学模型的公共值；

相应的，各所述分控制器均包括：

坐标变换模块，用于从所述主控制器中获取所述行驶位置和所述长定子直线同步电机的电机转速，并根据所述行驶位置和所述电机转速，将目标变流器在三相静止坐标系下的三相数学模型转换至两相旋转坐标系，得到所述目标变流器在两相旋转坐标系下的两相数学模型；其中，所述目标变流器为与所述坐标变换模块所属的分控制器连接的变流器；

变流器控制模块，用于根据所述公共值和所述目标变流器在两相旋转坐标系下的两相数学模型，求取所述目标变流器在两相旋转坐标系下的目标电压值，并在所述目标变流器的输出电压满足所述目标电压值的情况下，控制所述目标变流器的输出电流达到自身的电流分配值。

优选地，各所述分控制器还用于当检测到自身所连接的变流器出现故障时，将故障变流器的故障信息发送至所述主控制器；

相应的，所述主控制器还用于根据所述故障信息确定故障变流器和正常变流器，并重新根据所述高速磁浮列车的牵引需求电流对各所述正常变流器进行电流分配，并利用各所述正常变流器对应的分控制器，相应控制各所述正常变流器的输出电流达到各自的电流分配值。

优选地，所述供电系统还包括：

与所述主控制器连接的传输模块，用于将所述故障变流器的故障信息传输至所述供电系统的上层管理系统。

优选地，所述传输模块具体为无线传输模块或有线传输模块。

优选地，所述故障信息包括所述故障变流器的安装位置和故障发生时间。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种长定子直线同步电机的供电方法，包括：

预先在高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上铺设n个变流器，其中，n为大于1的整数；

根据所述高速磁浮列车的牵引需求电流对各所述变流器进行电流分配；

根据电流分配结果控制各所述变流器的输出电流达到各自的电流分配值，以便于各所述变流器共同为铺设于所述运行轨道上的长定子直线同步电机供电。

优选地，所述根据所述高速磁浮列车的牵引需求电流对各所述变流器进行电流分配的过程具体为：

在满足所述长定子直线同步电机与各所述变流器之间连接的馈电电缆的总损耗功率最小的情况下，根据所述高速磁浮列车的牵引需求电流对各所述变流器进行电流分配。

本发明提供了一种长定子直线同步电机的供电系统，包括：铺设于高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上、与铺设于运行轨道上的长定子直线同步电机连接的n个变流器，其中，n为大于1的整数；与n个变流器一一连接的n个分控制器；与n个分控制器连接的主控制器，用于根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器进行电流分配，并利用各分控制器相应控制各变流器的输出电流达到各自的电流分配值。

可见，本申请由多个变流器同时为长定子直线同步电机供电，多个变流器的输出电流之和可以达到高速磁浮列车的牵引需求电流，从而满足了高速磁浮列车的高速运行需求；而且，当其中某一个变流器出现故障时，仍然有n-1个变流器可以进行供电，从而提高了供电系统的容错能力，且保证了高速磁浮列车继续运行，进而提高了高速磁浮列车的安全性和可靠性。

本发明还提供了一种长定子直线同步电机的供电方法，与上述供电系统具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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长定子直线同步电机的供电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种长定子直线同步电机的供电系统的等效电路图；

图3为本发明实施例提供的一种长定子直线同步电机的供电方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种长定子直线同步电机的供电系统及方法，由多个变流器同时为长定子直线同步电机供电，从而可满足高速磁浮列车的高速运行需求；且当一个变流器出现故障时，其余变流器可继续供电，从而提高了系统的容错能力，且保证了高速磁浮列车继续运行，进而提高了高速磁浮列车的安全性和可靠性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种长定子直线同步电机的供电系统的结构示意图。

该长定子直线同步电机的供电系统包括：

铺设于高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上、与铺设于运行轨道上的长定子直线同步电机连接的n个变流器1，其中，n为大于1的整数；

与n个变流器1一一连接的n个分控制器2；

与n个分控制器2连接的主控制器3，用于根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器1进行电流分配，并利用各分控制器2相应控制各变流器1的输出电流达到各自的电流分配值。

具体地，本申请的长定子直线同步电机的供电系统包括多个变流器1、多个分控制器2及主控制器3，其工作原理为：

考虑到变流器1的输出电流不能超过其最大输出电流限制，所以单个变流器1的电流承受能力往往不能满足高速磁浮列车高速、高可靠运行的要求，所以本申请采用多端供电模式，即由多个变流器1共同为高速磁浮列车的牵引动力来源—长定子直线同步电机供电，也即由多个变流器1共同分担高速磁浮列车的牵引需求电流，从而满足高速磁浮列车的牵引需求。

由于长定子直线同步电机铺设于高速磁浮列车的运行轨道上，所以为长定子直线同步电机供电的多个变流器1应铺设于高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上，从而便于为长定子直线同步电机供电。至于多个变流器1在地面上的具体铺设位置，按理来说，多个变流器1可放置在任意位置，但本申请考虑到多个变流器1的铺设位置不同，多个变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的总传输损耗有所不同，所以本申请在尽可能降低馈电电缆的总传输损耗的情况下为多个变流器1选择合适位置。

本申请还为每个变流器1设置一个分控制器2，即每个变流器1都由一个独立的控制器对其进行控制。可以理解的是，任一变流器1对应的分控制器2应设置于此变流器1周围，从而便于二者进行信息交互。而本申请为多个分控制器2设置一个主控制器3，即由主控制器3统一对多个分控制器2进行管理。具体地，主控制器3根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器1进行电流分配，从而在每个变流器1不超过其最大输出电流限制基础上满足各变流器1的电流分配值之和等于高速磁浮列车的牵引需求电流，然后将各变流器1的电流分配值一一对应发送至各分控制器2，从而利用各分控制器2相应控制各变流器1的输出电流达到各自的电流分配值。

此外，需要说明的是，本申请的供电系统最简单的结构为铺设两个变流器1，但本申请考虑到当一个变流器1出现故障时，只剩一个变流器1可以进行供电，所以本申请的供电系统通常选择铺设超过两个变流器1，即n为大于2的整数，当其中某一个变流器1出现故障时，仍然有多个变流器1可以进行供电，从而进一步提高了供电系统的容错能力。

本发明提供了一种长定子直线同步电机的供电系统，包括：铺设于高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上、与铺设于运行轨道上的长定子直线同步电机连接的n个变流器，其中，n为大于1的整数；与n个变流器一一连接的n个分控制器；与n个分控制器连接的主控制器，用于根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器进行电流分配，并利用各分控制器相应控制各变流器的输出电流达到各自的电流分配值。

可见，本申请由多个变流器同时为长定子直线同步电机供电，多个变流器的输出电流之和可以达到高速磁浮列车的牵引需求电流，从而满足了高速磁浮列车的高速运行需求；而且，当其中某一个变流器出现故障时，仍然有n-1个变流器可以进行供电，从而提高了供电系统的容错能力，且保证了高速磁浮列车继续运行，进而提高了高速磁浮列车的安全性和可靠性。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选地实施例，主控制器3包括：

电流分配模块，用于在满足长定子直线同步电机与各变流器1之间连接的馈电电缆的总损耗功率最小的情况下，根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器1进行电流分配；

电流控制模块，用于利用各分控制器2相应控制各变流器1的输出电流达到各自的电流分配值。

具体地，考虑到各变流器1与长定子直线同步电机之间均通过馈电电缆连接，变流器1的输出电流大小会影响其与长定子直线同步电机之间的馈电电缆的损耗功率，所以本申请的主控制器3应在满足长定子直线同步电机与各变流器1之间连接的馈电电缆的总损耗功率最小的情况下对各变流器1进行电流分配，从而进一步优化供电系统的性能。

作为一种可选地实施例，当高速磁浮列车采用id＝0的矢量控制策略时，电流分配模块包括：

电阻求取子模块，用于根据高速磁浮列车的行驶位置分别计算各变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻；

最优分配子模块，用于根据总损耗功率关系式及总损耗功率最小的约束条件，对各变流器1进行电流分配；其中，ploss(x)为总损耗功率，为第n个变流器1的电流分配值，rn(x)为第n个变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻。

具体地，高速磁浮列车通常采用id＝0的矢量控制策略(id为长定子直线同步电机在两相旋转坐标系下的励磁电流)，在此控制策略下，高速磁浮列车的牵引力全部来自于长定子直线同步电机在两相旋转坐标系下的转矩电流iq，而iq由各变流器1共同提供，即(为第n个变流器1的输出电流)。

已知各变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻是高速磁浮列车的行驶位置的函数，假设分别为r1(x)、r2(x)…rn(x)(rn(x)为第n个变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻，x表示列车行驶位置)，所以本申请的主控制器3在获取到高速磁浮列车的行驶位置后，便可以计算得到r1(x)、r2(x)…rn(x)。

基于此，长定子直线同步电机与各变流器1之间连接的馈电电缆的总损耗功率为其约束条件为：

主控制器3按照最优算法对进行合理分配，可以得到ploss(x)的最小值。

比如，以n＝2为例，两个变流器1设置于高速磁浮列车的运行轨道两端所对应的地面上，假设两端变流器1之间的距离为l，高速磁浮列车与其中一个变流器1之间的距离为x，长定子直线同步电机与各变流器1之间连接的馈电电缆的总等效电阻为r，高速磁浮列车的牵引需求电流为iq，电流分配系数为则馈电电缆的总损耗功率为：

求导得：

得到在总损耗功率最小时，有：

假设按照上述关系式得到的两个电流均未超过变流器1最大电流限制，则主控制器3按照两个电流相应对两个变流器1进行电流分配；假设按照上述关系式得到的电流超过变流器1最大电流限制，未超过变流器1最大电流限制，则两个变流器1的输出电流按照如下分配：

作为一种可选地实施例，电流控制模块包括：

公共部分求取子模块，用于根据各变流器1在两相旋转坐标系下的两相数学模型中所包含的公共关系式，计算各两相数学模型的公共值；

相应的，各分控制器2均包括：

坐标变换模块，用于从主控制器3中获取行驶位置和长定子直线同步电机的电机转速，并根据行驶位置和电机转速，将目标变流器在三相静止坐标系下的三相数学模型转换至两相旋转坐标系，得到目标变流器在两相旋转坐标系下的两相数学模型；其中，目标变流器为与坐标变换模块所属的分控制器2连接的变流器1；

变流器控制模块，用于根据公共值和目标变流器在两相旋转坐标系下的两相数学模型，求取目标变流器在两相旋转坐标系下的目标电压值，并在目标变流器的输出电压满足目标电压值的情况下，控制目标变流器的输出电流达到自身的电流分配值。

具体地，请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种长定子直线同步电机的供电系统的等效电路图。

各变流器1在三相静止坐标系下的三相数学模型可表示为：

…

其中，uan、ubn、ucn为第n个变流器1的abc三相输出电压，ian、ibn、icn为第n个变流器1的abc三相输出电流，ψa、ψb、ψc为长定子直线同步电机的abc三相定子磁链，rs为长定子直线同步电机的定子电阻，rcablen为第n个变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电阻，lcablen为第n个变流器1与长定子直线同步电机之间连接的馈电电缆的等效电感。

将各变流器1在三相静止坐标系下的三相数学模型分别转换至两相旋转坐标系，并且按照转子磁场定向，得到各变流器1在两相旋转坐标系下的两相数学模型：

…

其中，udn、uqn为第n个变流器1的dq两相输出电压，idn、iqn为第n个变流器1的dq两相输出电流，ld为长定子直线同步电机的d轴电感，lq为长定子直线同步电机的q轴电感，ψf为高速磁浮列车产生的磁链，ωr为长定子直线同步电机的等效角频率。

从各变流器1在两相旋转坐标系下的两相数学模型可以看出，各变流器1的两相数学模型均包含相同的公共关系式：

则得到各变流器1在两相旋转坐标系下的简化数学模型：

…

基于此，本申请由主控制器3获取高速磁浮列车的行驶位置和长定子直线同步电机的电机转速，然后将二者发送至各分控制器2。每个分控制器2均根据列车行驶位置和电机转速，将自身所连接的变流器1(称为目标变流器)在三相静止坐标系下的三相数学模型转换至两相旋转坐标系，得到目标变流器在两相旋转坐标系下的两相数学模型(包含目标变流器的dq两相输出电流)。

然后，每个分控制器2均将目标变流器的dq两相输出电流返回至主控制器3，主控制器3中提前存储好各变流器1的两相数学模型均包含的公共关系式，然后将各目标变流器的dq两相输出电流代入公共关系式，计算得到各两相数学模型的公共值，并将公共值返回至各分控制器2。

每个分控制器2均根据公共值和目标变流器在两相旋转坐标系下的简化数学模型，求取目标变流器在两相旋转坐标系下的目标电压值，并在目标变流器的输出电压满足目标电压值的情况下，控制目标变流器的输出电流达到自身的电流分配值。

可见，分控制器2需要快速采集目标变流器的电压和电流信息(交流量传输)，所以分控制器2与目标变流器之间需要采用快速数据交换通道。而分控制器2与主控制器3之间传输的是目标变流器的dq轴电流分量，由于dq轴电流分量是经过坐标变换得到的，表现为直流量，与交流量传输相比可以大大降低传输速度要求，所以分控制器2与主控制器3之间可采用慢速数据交换通道。

作为一种可选地实施例，各分控制器2还用于当检测到自身所连接的变流器1出现故障时，将故障变流器的故障信息发送至主控制器3；

相应的，主控制器3还用于根据故障信息确定故障变流器和正常变流器，并重新根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各正常变流器进行电流分配，并利用各正常变流器对应的分控制器2，相应控制各正常变流器的输出电流达到各自的电流分配值。

进一步地，考虑到变流器1在运行过程中可能会出现故障，从而影响整个供电系统的正常运行，所以本申请的每个分控制器2还可以检测与自身所连接的变流器1是否出现故障，若出现故障，则将故障变流器的故障信息发送至主控制器3。

主控制器3在接收到故障信息后，可根据故障信息从所有变流器1中区别出处于故障状态的变流器(故障变流器)和处于正常运行状态的变流器(正常变流器)。然后，主控制器3重新根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各正常变流器进行电流分配，并利用各正常变流器对应的分控制器2，相应控制各正常变流器的输出电流达到各自的电流分配值，从而保证整个供电系统的正常运行。

需要说明的是，如果正常变流器的输出电流之和不足以提供故障前的高速磁浮列车的牵引需求电流，则高速磁浮列车降额运行。

作为一种可选地实施例，供电系统还包括：

与主控制器3连接的传输模块，用于将故障变流器的故障信息传输至供电系统的上层管理系统。

进一步地，本申请的供电系统还包括传输模块，其工作原理为：主控制器3在接收到故障变流器的故障信息后，利用传输模块将故障变流器的故障信息传输至供电系统的上层管理系统，以便于位于上层管理系统的工作人员及时了解到出故障的变流器的相关信息，从而方便工作人员进行后续维修工作。

作为一种可选地实施例，传输模块具体为无线传输模块或有线传输模块。

具体地，本申请的传输模块可以选用无线传输模块(如蓝牙模块、wifi模块)，也可以选用有线传输模块(如otn环网)，从而实现故障信息的传输。

作为一种可选地实施例，故障信息包括故障变流器的安装位置和故障发生时间。

具体地，本申请的故障信息可包括故障变流器的安装位置，以便于工作人员对故障变流器进行定位；故障信息还可包括故障变流器的故障发生时间，以便于工作人员了解更多关于故障变流器的信息。当然，故障信息还可包括其他信息(如故障变流器的故障原因)，本申请在此不做特别的限定。

请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种长定子直线同步电机的供电方法的流程图。

该长定子直线同步电机的供电方法包括：

步骤s1：预先在高速磁浮列车的运行轨道所在的地面上铺设n个变流器，其中，n为大于1的整数。

步骤s2：根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器进行电流分配。

步骤s3：根据电流分配结果控制各变流器的输出电流达到各自的电流分配值，以便于各变流器共同为铺设于运行轨道上的长定子直线同步电机供电。

作为一种可选地实施例，根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器进行电流分配的过程具体为：

在满足长定子直线同步电机与各变流器之间连接的馈电电缆的总损耗功率最小的情况下，根据高速磁浮列车的牵引需求电流对各变流器进行电流分配。

本申请提供的供电方法的介绍请参考上述供电系统的实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。