阅读说明：本技术 一种柔性自动过分相系统及其控制方法 (Flexible automatic passing neutral section system and control method thereof ) 是由 胡君楷 胡家喜 邱文俊 何多昌 周方圆 王婷 刘斐 胡前 吕顺凯 文韬 何健明 于 2018-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柔性自动过分相系统,包括列车位置识别子系统,用于检测轨道上列车位置；功率调节子系统,用于接收检测信号实现列车自动过分相、两相供电臂之间的电能质量治理和功率融通；储能装置,用于吸收制动能量,并在供电臂故障时,配合另一相供电臂或者单独为中性区供电。本发明还公开了一种控制方法,包括：S01、实时监控两相供电臂在列车过分相时的供电是否正常；S02、当其中一相供电臂故障时,由另一相供电臂为中性区供电；如果另一相供电臂不能满足供电需求时,投入储能装置配合另一相供电臂供电；当两侧供电臂均无法为中性区供电时,由储能装置直接为中性区提供供电。本发明的系统及方法均具有可靠性高等优点。(The invention discloses a flexible automatic passing neutral section system, which comprises a train position identification subsystem, a signal acquisition subsystem and a signal processing subsystem, wherein the train position identification subsystem is used for detecting the position of a train on a track; the power regulation subsystem is used for receiving the detection signal to realize automatic passing through of the split phase of the train, power quality control and power fusion between the two phase power supply arms; and the energy storage device is used for absorbing braking energy and is matched with the other phase power supply arm or independently supplies power to the neutral zone when the power supply arm fails. The invention also discloses a control method, which comprises the following steps: s01, monitoring whether the power supply of the two-phase power supply arm is normal when the train passes through the neutral section in real time; s02, when one phase of power supply arm fails, the other phase of power supply arm supplies power to the neutral zone; if the other phase of power supply arm can not meet the power supply requirement, the energy storage device is put into cooperation with the other phase of power supply arm to supply power; when both sides power supply arm all can't provide the power supply for neutral region, directly provide the power supply for neutral region by energy memory. The system and the method have the advantages of high reliability and the like.)

一种柔性自动过分相系统及其控制方法

技术领域

本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种柔性自动过分相系统及其控制方法。

背景技术

目前电气化铁路均是采用单相供电的方式，两供电臂之间必然存在一段中性区用于供电臂之间的电气隔离。我国铁路公司常用的是车载自动过分相方式，在通过无电中性区时在一定程度上会丧失牵引力，造成速度损失，特别是在一些爬坡区段，影响更为严重。我国高速铁路具有规模大，距离长的特点。长距离线路过分相点数量多，现行的车载自动过分相方案一方面会造成列车动力损失明显，限制了列车运行时间的缩短和效率的提高，另一方面也导致高速列车维护工作量大、维护时间长的问题。因此，需要发展一种不断电过分相的装置和方案。许多学者和公司在这方面都进行了研究，但从已有研究和装置看来，往往缺乏一定的故障备用手段，若装置供电侧故障，则需整套退出运行，从而给过分相的列车造成损失甚至风险。

根据电力机车在经过分相区时车载主断路器是否断开，主要分为断电过分相和带电过分相两大类。

（一）断电自动过分相

该方式列车通过检测地面传感器信号，调整机车出力及进行主断分合，实现列车自动断电通过中性区。

1）主要优点：列车自动完成主断路器和牵引电路的操作，无需人工干预，减轻了司机的劳动强度，避免了因司机误操作带来的危害；技术成熟，可适应低速、常速、准高速和高速列车的要求；

2）主要缺点：断电区间较长，存在列车降牵引、速度损失大、存在过电压冲击等缺点。在大坡道低速行驶时，自动过分相断电和合闸相距时间较长，机车速度损失大、牵引力丢失严重；列车通过分相区后速度衰减较大，重新加速的过程，电能消耗大；同时由于断路器的受机械寿命限制，如此频繁开断，大大降低了其使用寿命，维护量大。同时也随着我国速铁路和重载铁路的发展，断电过分相的方式越来越不能满足高速铁路和重载铁路的需求。

（二）带电自动过分相

考虑到断电过分相存在的主要问题，因此发展出了带电过分相的技术方案。带电过分相方式主要有柱上式自动过分相和地面自动过分相装置两种方式。研究较多的为地面自动过分相装置。

其中，专利《采用电力电子变换装置实现列车带电自动过分相方法》，采用地面自动过分相装置换相开关，从电网电源侧引入功率≥12000kW的电源，经过电力电子装置的交流-直流-交流变换，给中性区提供一个回路的电源，可以实现任何指定相位或目标相位的27.5kV电压足额功率输出。该装置也可以保证列车在中性区带电运行，不减速通过分相区。与现行其它过分相方式相比，列车在供电臂和中性区之间可平滑过渡，无操作过电压，具有柔性过分相的特点。但该专利与本发明设计相比较，设备为单独取源，且供电渠道单一，可靠性难以保证。

专利《牵引网电分相无断电柔性连接—补偿装置及其方法》，所述装置主要包括两相“背靠背”式变流器组、三个位置传感器和两台单相降压变压器组。该装置具有两种工作模式，不仅可以实现列车的无断电过分相功能，而且具有功率转移、无功补偿和谐波补偿功能，能够解决牵引变电站存在的三相电压不平衡和电压波动、功率因数低下及谐波污染的问题。该装置与现行大多数过分相装置相比，装置布线更加简单，功能更加完善，具有较好的适应性。但该装置也仍旧存在单侧供电，可靠性不高的缺点。

专利《无断电过分相供电装置》采用了两个单相变压器和一个多绕组变压器，三个共直流母线的AC-DC变流器和多个隔离开关。两侧供电臂通过装置协同对触网中性段进行供电，当任一侧供电臂故障时，装置采用相应的故障切除策略，保证装置能正常实现无断电自动过分相功能。该设计发明协同利用两侧供电臂对中性段供电，制定了故障时的运行动作策略，能够安全可靠的完成不断电过分相的功能，但同时也存在装置功能单一，面对牵引供电网络不同的运行状态，难以保证及时适应调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可靠性高的柔性自动过分相系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种柔性自动过分相系统，包括列车位置识别子系统、功率调节子系统和储能装置；

所述列车位置识别子系统，用于检测轨道上指定位置是否有列车到达、检测列车的行驶方向以及轨道检测区间是否占用，并将检测信号传输给功率调节子系统；

所述功率调节子系统，用于接收所述列车位置识别子系统的检测信号，并根据检测信号实现列车自动过分相、两相供电臂之间的电能质量治理和功率融通；

所述储能装置，用于吸收供电臂的再生制动能量，并在其中一相供电臂无法为中性区供电时，配合另一相供电臂共同为中性区供电；或者在两相供电臂均无法为中性区供电时，为中性区供电。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述功率调节子系统包括第一功率调节回路、第二功率调节回路和第三功率调节回路；所述第一功率调节回路和第二功率调节回路的一端均通过第三功率调节回路与中性区相连；所述第一功率调节回路和第二功率调节回路的另一端分别与两相供电臂相连。

所述第一功率调节回路包括依次串联的隔离开关QS1、断路器QF1、隔离变压器T1、断路器QF5、变流器1#和断路器QF6；所述第二功率调节回路包括依次串联的隔离开关QS2、断路器QF4、隔离变压器T2、断路器QF8、变流器2#和断路器QF7；所述第三功率调节回路包括依次串联的断路器QF9、变流器3#和断路器QF10和隔离变压器T3。

本发明还公开了一种基于如上所述的柔性自动过分相系统的控制方法，包括以下步骤：

S01、在列车运行过程中，实时监控两相供电臂在列车过分相时的供电是否正常；

S02、当其中一相供电臂无法为中性区供电时，由另一相供电臂为中性区供电；如果另一相供电臂不能满足中性区供电需求时，投入储能装置，配合另一相供电臂为中性区共同供电；

当两侧供电臂均无法为中性区供电时，投入储能装置，由储能装置直接为中性区提供供电。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S02中，供电臂无法为中性区供电的情况包括供电臂故障或/和供电开关故障。

当无列车过分相时，实时检测供电臂上是否存在能量回馈；当有能量回馈时，通过储能装置储存回馈能量。

当无列车过分相，并且供电臂供电正常时，通过功率调节子系统对两相供电臂之间的电能质量进行治理和功率融通。

通过采集供电母线电压以及电流信号进行有功、无功及谐波分解以实现电能质量治理。

在过分相时，功率调节子系统使得中性区带电，相位与一侧供电臂电源相位一致；当列车到达中性区时，开始以另一侧供电臂电源相位为目标进行移相控制，在固定时间内完成电源移相，使得中性区内电源相位与另一侧供电臂电源相位一致。

在过分相过程中，实时采集中性区的电压信号，实时调节功率输出，输出功率跟随机车功率变化而变化，最大值满足列车的最大输出功率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的柔性自动过分相系统及其控制方法，采用双供电臂与储能装置结合的供电方式，能够提高中性区供电的可靠性，实现机车全功率、安全、平稳的通过分相区；另外，系统不改变机车保护参数，机车适应能力强，同时还具有电能质量治理及功率融通的功能；储能装置具有再生制动能量储存功能，利用储能装置对能量进行储存利用，提高了铁路供电网的能量利用率。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的系统过分相时的原理图。

图3为本发明的系统在功率融通时的原理图。

图4为本发明的系统方框结构图。

图5为本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的柔性自动过分相系统，包括列车位置识别子系统、功率调节子系统和储能装置；

列车位置识别子系统，用于检测轨道上指定位置是否有列车到达、检测列车的行驶方向以及轨道检测区间是否占用，并将检测信号传输给功率调节子系统；

功率调节子系统，用于接收所述列车位置识别子系统的检测信号，并根据检测信号实现列车自动过分相、两相供电臂之间的电能质量治理和功率融通；

储能装置，用于吸收供电臂的再生制动能量，并在其中一相供电臂无法为中性区供电时，配合另一相供电臂共同为中性区供电；或者在两相供电臂均无法为中性区供电时，为中性区供电。

本发明的柔性自动过分相系统，采用双供电臂与储能装置结合的供电方式，能够提高中性区供电的可靠性，实现机车全功率、安全、平稳的通过分相区；另外，系统不改变机车保护参数，机车适应能力强，同时还具有电能质量治理及功率融通的功能；储能装置具有再生制动能量储存功能，利用储能装置对能量进行储存利用，提高了铁路供电网的能量利用率。

本实施例中，功率调节子系统包括第一功率调节回路、第二功率调节回路和第三功率调节回路；第一功率调节回路和第二功率调节回路的一端均通过第三功率调节回路与中性区相连；第一功率调节回路和第二功率调节回路的另一端分别与两相供电臂相连。其中第一功率调节回路包括依次串联的隔离开关QS1、断路器QF1、隔离变压器T1、断路器QF5、变流器1#和断路器QF6；第二功率调节回路包括依次串联的隔离开关QS2、断路器QF4、隔离变压器T2、断路器QF8、变流器2#和断路器QF7；第三功率调节回路包括依次串联的断路器QF9、变流器3#和断路器QF10和隔离变压器T3。

如图1所示，本系统按照功能主要划分为两个子系统：列车位置识别子系统和功率调节子系统。

（1）列车位置识别子系统

功能：列车位置识别系统主要实现列车区段位置识别，用于检测铁路轨道上指定位置是否有列车到达、检测列车的行驶方向以及轨道检测区间是否占用，并将检测处理后的信号状态生成列车区段位置信号传输给功率调节子系统的控制系统。其中列车位置识别子系统由列车位置传感器（CGn）及相关供电线路组成。

（2）功率调节子系统

功能：接收列车位置识别子系统的检测信号，通过控制变流器机组和储能装置，实现电能从供电臂、储能装置向中性区的转移及两供电臂、储能装置间的能量转移，实现列车安全、平稳带过通过分相区。在无列车通过时，通过改变控制断路器的开关状态，实现两供电臂之间的电能质量治理和功率融通，也可在供电臂存在回馈能量时利用储能装置将回馈能量储存起来。在装置一侧供电出现故障情况下，通过储能的接入完成过分相和电能质量治理的作用。其中功率调节子系统由开关设备（QSn、QFnn）、检测及保护设备（YHn、TAnn、BLn），功率调节装置（变流器n#、TCn）、控制系统及相关供电线路组成。

其中图1中各设备代号说明如表1所示：

表1：

序号	代号	设备名称	备注
				1	YH1、YH2、YH3	电压互感器	检测两供电臂母线电压。
2	QF1、QF2、QF3、QF4	断路器	系统投入、退出功率调节子系统之用。
				3	QF5~QF11	断路器	投入退出变流器和储能
4	QS1、QS2	隔离开关	检修功率调节子系统之用
				5	TA11、TA21、TA31	电流互感器	检测供电线路电流，供系统保护及测量控制之用。
6	T1~T5	单相变压器	实现供电电压的升降压
				7	CG1~CG4	列车位置传感器	安装在铁轨两侧，用于检测列车是否到达，来车方向等信息。

其中以上本专利的过分相系统具有的功能如下：

（1）地面柔性自动过分相功能

如图2所示，当列车即将通过准备过分相时，断路器QF1~QF10闭合，隔离开关QS1~QS2闭合，整套装置启动投入运行。以左侧来车为例，当传感器CG1检测到列车通过时，CG1输出高电平信号给功率调节子系统的控制器，通过检测左侧母线电压信号（YH1），控制功率调节子系统，输出与左侧同相位的电压，中性段带电。其中输出功率不小于长编组机车总功率，实现机车平稳、安全不减载进入中性区；

当电力机车进入中性区到达CG2时，CG2输出高电平信号给功率调节子系统的控制器，通过检测右侧供电臂电源的相位，开始逐步平滑的调节中性区的电源相位，使得电力机车到达CG3前中性区电源相位与右侧母线电源相位一致，实现机车安全、平稳、不减载的驶离中性区；

当电力机车到达CG4时，完成电力机车带电自动过分相的全流程，此时断开开关QF2、QF3，使变流器3#停机。后续利用变流器1#和变流器2#，进入两供电臂的电能质量治理及功率融通模式，待机车再次靠近中性区。

（2）功率融通及电能质量治理功能

如图3所示，当机车未接近中性区时，成套装置QF1、QF4和QF5~QF8闭合，此时相当于直挂式铁路功率调节器。通过控制变流器1#和变流器2#，从而调节输出电压，达到调节各臂功率和补偿谐波的目的。

（3）能量回馈储存功能

当两供电臂存在多余再生制动能量时可通过变流器1#或变流器2#将能量存储在储能装置中，并在列车牵引工况时输出有功能量，达到能量管理及节能的目的。该功能适用于过分相、功率融通及电能治理工况。

综上所述，如图4所示，列车位置识别系统采集列车位置传感器信号，传递给控制系统进行过分相功能与电能质量治理功能切换及过分相功能时的移相控制。过分相工作模式下，控制系统根据采集的电压信号（YH1、YH2、YH3）和电流信号（TA11、TA21、TA31），判断装置运行的状态是否正常，采取相应的方式控制变流器实现能量转移、电源相位移相变化和储能的接入状态。在电能质量治理模式下，控制系统通过采集母线电流信号（TA01、TA02）及母线电压信号（YH1、YH3）进行有功、无功及谐波分解，控制变流器输出和储能的接入状态实现电能质量治理功能。若供电臂存在电能回馈，则控制系统将储能装置接入，对储能装置进行充电。控制系统可采集开关状态信号（QSn、QFn）并控制断路器通断。保护系统通过采集成套装置电流信号（TA1n、TA2n）进行实时保护。通过采集母线电流信号（TA01、TA02）及母线电压信号（YH1、YH3）判断线路与机车的状态，控制调整成套装置运行模式。

下面结合一具体实施例对本发明系统及控制方法三种控制逻辑进行说明：

总控制逻辑：根据列车位置传感器CG1、CG4判断来车方向，根据TA01、TA02和YH1和YH3的实时监控判断供电网的运行状态，调整成套装置进入相应的功能模式。

（1）过分相模式控制逻辑：

成套装置根据列车位置传感器CG1、CG4判断来车方向，根据TA01、TA02和YH1和YH3的实时监控判断供电网的运行状态，调整成套装置进入相应的功能模式。当需要进行列车过分相时，功率调节子系统以两侧供电臂为供电电源，使中性段电压、相位与来车方向供电臂相位一致（实时采集电压互感器YH1、YH2、YH3信号同步及比较），以左侧来车为例，当列车到达CG1时，开始进入过分相模式，功率调节子系统使得中性区带电，相位与左侧供电臂电源相位一致。当列车到达CG2时，开始以右侧供电臂电源相位为目标进行移相控制，在固定时间内完成电源移相，使得中性区内电源相位与右侧供电臂电源相位一致。此期间控制系统通过实时采集中性区内电压信号，实时调节功率输出，输出功率跟随机车功率变化而变化，最大值满足长编组列车的最大输出功率。当电力机车到达CG4时，完成电力机车带电自动过分相的全流程，此时断开开关QF2、QF3、QS9和QS10，将中性区连接变流器切入右侧供电臂，后续进入两供电臂的电能质量治理及功率融通模式，待机车再次靠近中性区。

（2）电能质量治理控制逻辑：控制装置实时检测牵引供电母线电流（TA01、TA02）以及母线电压（YH1、YH3），实时计算系统有功、无功及谐波，通过功率调节单元输出与之相位相反、幅值相等的无功、谐波电流，保证两供电臂高功率因数及低谐波含量运行，同时将有功功率大的一侧功率转移差值的一半至有功功率小的一侧，实现有功功率融通，提高变压器的利用率及抑制负序。

（3）再生制动能量储存功能：当系统检测到供电臂上存在能量回馈时，进入储能的能量储存模式，储能装置充电，为前两种模式补充和备用供电做准备。若储能装置达到满荷电状态，则将电能回馈到另一侧供电臂。

如图5所示，本发明还相应公开了一种基于如上所述的柔性自动过分相系统的控制方法，包括步骤：

S01、在列车运行过程中，实时监控两相供电臂在列车过分相时的供电是否正常；

S02、当其中一相供电臂无法为中性区供电时，由另一相供电臂为中性区供电；如果另一相供电臂不能满足中性区供电需求时，投入储能装置，配合另一相供电臂为中性区共同供电；

当两侧供电臂均无法为中性区供电时，投入储能装置，由储能装置直接为中性区提供供电。

在过分相模式下，储能装置主要起供电补充和备用的作用。控制功率调节子系统，在两供电臂正常且供电充足情况下，储能装置处于等待隔离状态，仅仅通过两供电臂为中性段进行供电；当供电臂供电不足或装置一侧供电输入故障而被切除时，投入储能装置，以保证完成列车过分相功能。以左侧来车为例，若装置左侧供电开关或变流器故障，则闭合QF1、QF2、QF5、QF6，将装置左侧供电线路切除，此时若右侧供电能满足中性段的供电需求，则继续保持QF11的断开状态（即不投入储能装置），利用装置右侧线路为中性段供电；若右侧供电不能满足中性段供电需求时，则闭合QF11，接入储能装置，协同装置右侧线路为中性段供电。当两侧供电输入均因故障被切除时，直接接入储能装置对中性段进行供电。其中储能装置的功率要满足长编组列车的最大输出功率，储能装置的容量要满足长编组列车通过时所需的最大供电容量。

在电能质量治理模式下，储能装置主要起供电补充和备用作用。由于储能装置只能输出有功功率，因此在供电臂有功功率融通时存在有功不足或者一侧供电臂有功不足，且装置另一侧供电因故障被切除时，投入储能装置，为供电臂补偿有功功率。

在列车未接近中性区时，通过开关切换实现对两供电臂的电能质量治理及有功功率融通。在功率融通模式下，由于储能装置的存在，大大增加了功率调节的容量和范围，调节效果更佳。在检测到供电网存在能量回馈时，可及时利用储能装置对多出的能量进行吸收储存，为过分相模式和功率融通模式提供备用电能，提高了铁路供电网的能量利用率。

正常情况下利用两侧供电臂为中性段供电，即便装置一侧供电线路故障被切除，也可通过另一侧供电线路完成列车过分相的供电；即便在最严重故障时，装置两侧供电线路对中性段的供电均失效，也可通过储能装置完成对列车过分相的临时供电。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。