一种柔性牵引供电系统的电热防融冰方法

技术领域

本发明涉及牵引供电领域，特别是涉及一种柔性牵引供电系统的电热防融冰方法。

背景技术

目前，我国现行的铁路牵引供电系统多采用三相-两相牵引供电模式，其所采用的分区供电模式存在着诸多难以解决的问题，主要表现在：(1)电能质量问题：牵引供电系统、机车及三相电力系统之间存在电磁耦合，机车所产生的无功、谐波等电能质量问题会通过电磁耦合关系传递至牵引供电系统之中，危害着系统的正常运行；(2)过分相问题：电分相结构复杂、可靠性差，机车过电分相需要降速运行，尤其在恶劣环境条件和长大坡道区间常引起机车停车，给铁路运行规划带来不便；(3)供电能力问题：电分相的存在导致跨区供电难度大，且变电所设置的一主一备牵引变压器形成了较大的容量浪费。除此，铁路牵引网覆冰也威胁着铁路牵引供电系统及其牵引负荷的安全运行，一些突发的冰灾及结冰事件使得铁路牵引网融冰方法需求更加迫切。

然而，传统的牵引供电系统的电热防融冰方法受限于现行牵引供电系统结构，增加了额外的电力电子装置，并没有解决不同环境条件和牵引网覆冰程度下的防融冰问题，仅适用于单种覆冰程度，会对牵引负荷的长距离稳定运行造成影响。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种柔性牵引供电系统的电热防融冰方法解决了传统的电热防融冰方法受限于牵引供电系统结构，增加了额外的电力电子装置，缺少不同环境条件和牵引网覆冰程度下的防融冰问题，同时解决了传统电热防融冰方法仅适用于单种覆冰程度，对牵引负荷的长距离稳定运行造成影响的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种柔性牵引供电系统，包括柔性牵引变电所和牵引网，所述柔性牵引变电所包括多绕组降压变压器和三相-单相变流器，所述牵引网包括接触网、钢轨和回流线，所述接触网包括上行接触网和下行接触网，所述钢轨包括上行钢轨和下行钢轨，所述多绕组降压变压器的原边与三相电网连接，其副边与三相-单相变流器的输入侧连接，所述三相-单相变流器的单相逆变器端口输出进行级联，级联输出的单相工频交流电接入牵引网。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，提供了一种牵引供电系统，基于牵引供电系统，本发明设计了一种牵引供电系统的协调运行控制方法，实现牵引供电系统的稳定运行。

除此之外，本发明还采用的技术方案为：一种柔性牵引供电系统的电热防融冰方法，包括以下步骤：

S1：将多模块单相逆变器输出级联后等效为单相逆变器，采用电压电流双闭环控制方法和PI控制器对单相逆变器的输出进行控制；

S2：采集单相逆变器的输出电压u

S3：将dq坐标系下的电压量和电流量输入PI控制器得到单相逆变器的调制信号u

S4：基于对单相逆变器输出电压的稳定控制，利用柔性牵引变电所内的综合控制器将输出电压信号和输出电流信号传输至其他变电所的综合控制器，实现两柔性牵引变电所输出功率的协调控制；

S5：基于对两柔性牵引变电所输出功率的协调控制，设计适用不同接触网覆冰程度的防融冰方法，在机车脱离牵引网时采用融冰方法，在机车在线运行时针对不同情况分别采用轻度防冰方法和重度防冰方法，实现柔性牵引供电系统的电热防融冰。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，在列车在线运行时采用轻度防冰方法和重度防冰方法，在列车因严重牵引网覆冰而离网运行时采用融冰方法，实现柔性牵引供电系统的稳定运行和铁路接触网在不同覆冰程度下的防融冰，解决了传统的电热防融冰方法受限于牵引供电系统结构，增加了额外的电力电子装置，缺少不同环境条件和牵引网覆冰程度下的防融冰问题，同时解决了传统电热防融冰方法仅适用于单种覆冰程度的问题，有利于牵引负荷的长距离稳定运行。

进一步地，S5中不同接触网覆冰程度具体包括以下情况：

(1)当0A≤防融冰所需电流I

(2)当458A≤防融冰所需电流I

(3)当700A≤防融冰所需电流I

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据防融冰所需电流的区间判断覆冰程度的轻重，从而确定采用哪种方法，解决了不同环境条件和牵引网覆冰程度下的防融冰问题。

进一步地，轻度防冰方法包括以下分步骤：

A1：定义临界防冰电流为使防冰区间的接触网不覆冰的电流最小值；

A2：利用虚拟阻抗环对电压电流双闭环控制进行改进，将变电所输出电流的dq分量耦合到电压电流双闭环控制中的参考电压dq分量中，公式为

其中，

A3：基于虚拟阻抗环和功率传输关系，利用PI控制器处理变电所输出电流有效值与定义的临界防冰电流的差值，实现虚拟阻抗自适应变化，使变电所输出电流达到临界防冰电流，所述功率传输关系为

其中，P

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，提供了轻度防冰方法，在电压电流双闭环控制的基础上加入虚拟阻抗环，将变电所输出电流的dq分量耦合到电压电流双闭环控制中的参考电压dq分量中，同时利用PI控制器实现虚拟阻抗的自适应变化。

进一步地，重度防冰方法包括以下分步骤：

B1：将轻度防冰方法的电压控制作为基频电压控制，并增加带有自适应的二倍频电压控制，实现对基频电压和二倍频电压的分别控制；

B2：基于基频电压控制和二倍频电压控制，利用级联逆变器同时输出基频电压和二倍频电压，所述级联逆变器的调制波公式为

u

其中，u

B3：利用二倍频电压在牵引网上产生二倍频电流，将二倍频电流与基频电流叠加使接触网上流过相应的防冰电流。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，提供一种重度防冰方法，在轻度防冰方法为基频电压控制的基础上加入二倍频电压控制，通过级联逆变器同时输出基频电压和二倍频电压，进而获得二倍频电流，对二倍频电流与基频电流进行叠加，从而实现重度防冰。

进一步地，融冰方法包括将柔性牵引变电所作为融冰设备，向牵引网输出融冰电流，利用焦耳热进行融冰，包括以下公式：

两个柔性牵引变电所输出电压电流公式为

其中，u

则两个柔性牵引变电所输出的视在功率为

其中，S

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，提供了一种融冰方法，通过向牵引网输出融冰电流，利用产生的焦耳热实现融冰。

附图说明

图1为一种柔性牵引供电系统结构示意图。

图2为一种柔性牵引供电系统的电热防融冰方法流程图。

图3为单相级联逆变器输出电压控制示意图。

图4为轻度防冰方法中加入虚拟阻抗的单相逆变器简化控制框图。

图5为轻度防冰方法中自适应虚拟阻抗控制框图。

图6为重度防冰方法中柔性牵引变电所输出电压示意图。

图7为重度防冰方法中基频电压和二倍频电压的柔性牵引供电系统简化电路模型图。

图8为重度防冰方法中叠加二倍频电流的控制框图。

图9为融冰方法中柔性牵引供电系统等效电路示意图。

图10为融冰方法中柔性牵引变电所输出电压示意图。

图11为融冰方法中接触网电流波形仿真模拟图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1，如图1所示，一种柔性牵引供电系统，包括柔性牵引变电所和牵引网，所述柔性牵引变电所包括多绕组降压变压器和三相-单相变流器，所述牵引网包括接触网、钢轨和回流线，所述接触网包括上行接触网和下行接触网，所述钢轨包括上行钢轨和下行钢轨，所述多绕组降压变压器的原边与三相电网连接，其副边与三相-单相变流器的输入侧连接，所述三相-单相变流器的单相逆变器端口输出进行级联，级联输出的单相工频交流电接入牵引网。

实施例2，如图2所示，一种柔性牵引供电系统的电热防融冰方法，包括以下步骤：

S1：将多模块单相逆变器输出级联后等效为单相逆变器，采用电压电流双闭环控制方法和PI控制器对单相逆变器的输出进行控制；

S2：采集单相逆变器的输出电压u

S3：将dq坐标系下的电压量和电流量输入PI控制器得到单相逆变器的调制信号u

S4：基于对单相逆变器输出电压的稳定控制，利用柔性牵引变电所内的综合控制器将输出电压信号和输出电流信号传输至其他变电所的综合控制器，实现两柔性牵引变电所输出功率的协调控制；

S5：基于对两柔性牵引变电所输出功率的协调控制，设计适用不同接触网覆冰程度的防融冰方法，在机车脱离牵引网时采用融冰方法，在机车在线运行时针对不同情况分别采用轻度防冰方法和重度防冰方法，实现柔性牵引供电系统的电热防融冰。

在本发明的一个实施例中，通过传感器采集逆变器输出的电压u

柔性牵引供电系统的稳定运行依赖变电所间的协调控制。本实施例中，每个变电所安装综合控制器，两变电所之间安装信号传输光纤以及电流源型电源线，该电源线可以消除由通信线路阻抗导致的信号相位偏移。

综合控制器可将输出电压、电感电流的信号通过信号传输线路传输给其他变电所的综合控制器。正常稳定协调控制时，两柔性牵引变电所功率输出由机车位置决定，机车遵循“就近出力”原则，即机车靠近的变电所输出功率更大出力越多；在防融冰状态时，牵引变电所输出的功率也是可调可控的。

S5中不同接触网覆冰程度具体包括以下情况：

(1)当0A≤防融冰所需电流I

(2)当458A≤防融冰所需电流I

(3)当700A≤防融冰所需电流I

轻度防冰方法包括以下分步骤：

A1：定义临界防冰电流为使防冰区间的接触网不覆冰的电流最小值；

A2：利用虚拟阻抗环对电压电流双闭环控制进行改进，将变电所输出电流的dq分量耦合到电压电流双闭环控制中的参考电压dq分量中，公式为

其中，

A3：基于虚拟阻抗环和功率传输关系，利用PI控制器处理变电所输出电流有效值与定义的临界防冰电流的差值，实现虚拟阻抗自适应变化，使变电所输出电流达到临界防冰电流，所述功率传输关系为

其中，P

该方法基于虚拟阻抗控制的方法改变变电所输出电压的幅值与相位，使得行进方向的牵引变电所输出电流有效值大小与临界防冰电流相等，以使得机车前进方向的接触网有足够的防冰电流而不会覆冰，保证机车安全地前进。

在本发明的一个实施例中，加入虚拟阻抗的单相逆变器简化控制框图如图4所示，采用带有电感电流前馈的电压电流双环控制，根据功率传输关系式，线路阻抗和虚拟阻抗共同决定着变流器输出的功率大小，R

重度防冰方法包括以下分步骤：

B1：将轻度防冰方法的电压控制作为基频电压控制，并增加带有自适应的二倍频电压控制，实现对基频电压和二倍频电压的分别控制；

B2：基于基频电压控制和二倍频电压控制，利用级联逆变器同时输出基频电压和二倍频电压，所述级联逆变器的调制波公式为

u

其中，u

B3：利用二倍频电压在牵引网上产生二倍频电流，将二倍频电流与基频电流叠加使接触网上流过相应的防冰电流。

在本发明的一个实施例中，当机车处于运行状态而气象条件十分恶劣，但轻度防冰方法中机车自身工作所需电流小于临界防冰电流，此时采取重度防冰方法，通过控制两变电所的级联逆变器，在输出基频电压的同时，输出二倍频的电压，二倍频电压在牵引网上产生二倍频电流，其与基频电流叠加使得接触网上流过足够的防冰电流，示意图如图6所示。

基频电压和二倍频电压的柔性牵引供电系统简化电路模型如图7所示。图中u′

不考虑高次谐波对系统的影响，假设变电所1在牵引网侧输出电压的表达式为

u

其中，U′

要使逆变器同时输出基频和二倍频电压，需要对基频电压和二倍频电压分别进行控制。

在牵引网侧输出电压的两边同乘cosωt，可得：

在牵引网侧输出电压的两边都乘以sinωt，可得：

根据上式，利用低通滤波器将交流分量滤除，可以得到u

在牵引网侧输出电压的两边都乘以cos2ωt，可得：

在牵引网侧输出电压的两边都乘以sin2ωt，可得：

利用低通滤波器将上式的交流分量滤除，可以得到u

对dq坐标系下加入前馈解耦的电压电流双闭环控制策略的设计可以得到重度防冰控制策略的控制框图如图8所示。其中二倍频控制环中的频率为2ω。

融冰方法包括将柔性牵引变电所作为融冰设备，向牵引网输出融冰电流，利用焦耳热进行融冰，包括以下公式：

两个柔性牵引变电所输出电压电流公式为

其中，u

则两个柔性牵引变电所输出的视在功率为

其中，S

在本发明的一个实施例中，当气象条件十分恶劣时，为保护运行安全，机车离网。融冰方法将柔性牵引变电所作为融冰设备，利用柔性牵引变电所向牵引网注入融冰电流，利用融冰电流的焦耳热进行融冰。该方法中，仅由两变电所和牵引网构成融冰回路，其等效电路如图9，其中u

本实施例所采用的柔性牵引供电系统的接触网电热融冰方法，如图10所示，两所输出幅值相同，相位相差π的电压，将牵引网作为负载。此时两变电所输出的有功功率相等，且不会向各自电网返送能量。图11为融冰方法接触网电流波形，可以看出两所之间的接触网流过的电流有效值达到750A，满足融冰电流需求。

本发明针对三种不同程度的接触网覆冰状态，设计了相应的防融冰方法和实现方法。在覆冰程度最严重时机车离网，利用两变电所的级联逆变器输出相反相位的低电压，使接触网上流过大电流从而进行融冰；在覆冰程度较轻时机车在线运行，在逆变器的电压电流双闭环控制中设计加入自适应虚拟阻抗环，改变两所输出功率，保证防冰区间流过足够防冰的电流，实现轻度防冰；在覆冰程度较重时，通过两变电所输出工频电压的同时输出相位相反的二倍频电压，使得接触网上流过二倍频电流，二倍频电流与供给机车工作的基频电流叠加使得防冰区间流过足够防冰的电流实现重度防冰。本发明实现柔性牵引供电系统的稳定运行和铁路接触网在不同覆冰程度下的防融冰。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在发明的保护范围内。