本發(fā)明屬于電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法及其裝置，該方法及裝置用于27.5kV以上50HZ和60HZ單相供電領(lǐng)域的同相供電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)的電氣化鐵道采用單相27.5kV牽引供電系統(tǒng)，由變電所經(jīng)過接觸網(wǎng)供電臂向電力機(jī)車或動(dòng)車組供電，兩個(gè)相鄰供電臂往往相位不同，不能連接在一起進(jìn)行同相供電，因此，必須在兩個(gè)相鄰供電臂之間設(shè)置一個(gè)分相區(qū)，分相區(qū)實(shí)際上由一段接觸網(wǎng)中性段，和中性段兩側(cè)的斷口組成，兩個(gè)斷口分別是入段斷口和出段斷口，通過這兩個(gè)斷口，把中性段兩側(cè)的供電臂隔離開。中性段長度一般有四百米至五百米。電力機(jī)車從分相的一側(cè)接觸網(wǎng)供電臂滑行至中性段的入段斷口，再從入段斷口進(jìn)入中性段，再經(jīng)過出段斷口離開中性段并到達(dá)另一側(cè)接觸網(wǎng)供電臂的過程，叫過分相。機(jī)車或高速動(dòng)車組是通過在機(jī)車或動(dòng)車頂部的受電弓與接觸網(wǎng)接觸中獲得能量的，機(jī)車行走過程中，受電弓也隨著機(jī)車滑行并始終與接觸網(wǎng)接觸，因此能夠連續(xù)不斷地從接觸網(wǎng)上取流，如果在機(jī)車帶負(fù)荷情況下，受電弓從帶電部分接觸網(wǎng)供電臂向不帶電的中性段滑行時(shí)，受電弓在逐步離開帶電部分的過程中，就會導(dǎo)致受電弓與帶電之間出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，這種電弧會在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大熱量，甚至燒斷接觸網(wǎng)，造成事故，這種情況叫做機(jī)車帶負(fù)荷闖分相，相反，如果機(jī)車不帶負(fù)荷過分相時(shí)，因?yàn)樾尾怀呻娏骰芈?，就不會出現(xiàn)上述拉弧現(xiàn)象。

為了解決此問題，可以采用同相供電技術(shù)，即在牽引變電所設(shè)置交-直-交相位固定變換裝置，使得其中的一個(gè)變電所的相位和相鄰變電所的相位一致，也就是說，兩個(gè)相鄰供電臂往往相位不同相同了，這樣，就不需要分相區(qū)了，該方法原理簡單易懂，但由于變電所要向多輛機(jī)車供電，容量很大，占地面積大，對現(xiàn)有電氣化牽引供電系統(tǒng)的改造大，造價(jià)非常昂貴，國外只有德國有低頻的固定式同相供電系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，而提供一種可降低工程造價(jià)的用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法。

本發(fā)明的另一目的是提供上述用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法所用的裝置。

如上構(gòu)思，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法，其特征在于：在兩個(gè)相鄰的牽引變電所設(shè)置分相區(qū)且在分相處設(shè)置一套柔性相位變換裝置，該裝置的電源取自其中一側(cè)牽引變電所的供電臂或取自外部電源，柔性相位變換裝置的輸出向中性段供電；柔性相位變換裝置輸出與機(jī)車的位置有關(guān)，在機(jī)車進(jìn)入中性段前，使得中性段的相位與機(jī)車后面的接觸網(wǎng)供電臂相位一致，當(dāng)機(jī)車進(jìn)入中性段后，柔性相位變換裝置的輸出在每個(gè)周波增加一個(gè)相位角，這樣，經(jīng)過幾個(gè)周波的變換，逐步使中性段的相位變換成機(jī)車前進(jìn)方向的接觸網(wǎng)供電臂的相位。

上述用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法所用的裝置，牽引變電所1(1)經(jīng)饋線斷路器(4)向接觸網(wǎng)供電臂(6)供電，牽引變電所2(2)經(jīng)饋線斷路器(5)向接觸網(wǎng)供電臂(7)供電，接觸網(wǎng)供電臂(6)經(jīng)分段絕緣器(10)與中性段(14)相連，供電臂(7)經(jīng)分段絕緣器(11)與中性段(14)相連，其特征在于：接觸網(wǎng)供電臂(6)上連接監(jiān)測裝置(8)用于監(jiān)測供電臂(6)的電流和電壓信號，接觸網(wǎng)供電臂(7)上連接監(jiān)測裝置(9)用于監(jiān)測供電臂(7)的電流電壓信號；柔性相位變換裝置(3)經(jīng)過斷路器(12)與接觸網(wǎng)供電臂(6)相連并經(jīng)斷路器(13)與中性段(14)相連，中性段(14)連接有一臺單相電壓傳感器(37)用于監(jiān)測中性段(14)的電壓；

所述柔性相位變換裝置(3)由輸入電流互感器(34)、輸入整流變壓器(32)、交直交移相模塊(31)、電抗型升壓輸出變壓器(33)、電抗器(35)、電阻(30)以及控制裝置組成；上述斷路器(12)經(jīng)過輸入電流互感器(34)連接至輸入整流變壓器(32)的原邊一端，而輸入整流變壓器(32)的原邊另一端和鋼軌(25)連接；所述輸入整流變壓器(32)的次邊連接至交直交移相模塊(31)的輸入端，交直交移相模塊(31)的兩個(gè)輸出端連接至電抗型升壓輸出變壓器(33)原邊的兩個(gè)輸入端，電抗型升壓輸出變壓器(33)的次邊的一端連接至電抗器(35)的輸入端，次邊的另一端與鋼軌(25)連接；所述電抗器(35)和一臺電阻(30)的并聯(lián)后形成的輸出端(B)與斷路器(13)輸出端連接，可以向中性段(14)的負(fù)載供電；

所述控制裝置由一套監(jiān)控單元(22)、一套DSP控制單元(21)和一組功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)組成，監(jiān)控單元(22)與DSP控制單元(21)之間通過光纖或雙絞線通信，而DSP控制單元(21)與功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)之間通過光纖通信；功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)與柔性相位變換裝置(3)中的交直交移相模塊(31)相連，實(shí)現(xiàn)對交直交移相模塊(31)的控制；DSP控制單元(21)與監(jiān)測裝置(8)和監(jiān)測裝置(9)中的單向電壓互感器(38)的輸出端連接、與柔性相位變換裝置(3)中的輸入電流互感器(34)和單相電壓傳感器(37)的輸出端連接，用于接收被連接設(shè)備的電流和電壓數(shù)據(jù)；監(jiān)控單元(22)與斷路器(12)、斷路器(13)連接實(shí)現(xiàn)柔性相位變換裝置(3)的投入與切除。

上述交直交移相模塊(31)是由整流橋或全控整流橋(28)、整形回路(29)、全控逆變橋(30)的串接形成的。

上述整形回路(29)是在整流橋(30)輸出的直流環(huán)節(jié)的正極回路中串聯(lián)一臺電抗器，在正、負(fù)極之間并聯(lián)一組電解電容和高頻電容、二極管、IGBT電子開關(guān)和電阻，以整理直流波形和吸收高頻信號。

上述在輸入端側(cè)的接觸網(wǎng)供電臂(6)安裝一段機(jī)車位置監(jiān)測導(dǎo)線(39)與接觸網(wǎng)供電臂(6)平行，監(jiān)測裝置(8)中的單相電壓互感器(38)輸入端中的一端與這一段接觸導(dǎo)線(39)相連，而另一端與鋼軌(25)相連。

上述中性段外側(cè)設(shè)置一段接觸導(dǎo)線(40)。

本發(fā)明基于大功率IGCT或IGBT等大功率電力電子制造技術(shù)的逐漸成熟而提出來的，通過DSP控制的PWM或SPWM正弦波調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大功率電力電子電源裝置，該裝置從接觸網(wǎng)供電臂上取電，或從外部電源取電，并獨(dú)立向接觸網(wǎng)中性段供電，當(dāng)電力機(jī)車到達(dá)中性段時(shí)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)柔性移相、電壓調(diào)整、穩(wěn)壓和限流等功能，使得機(jī)車運(yùn)行到分相區(qū)時(shí)，逐漸實(shí)現(xiàn)相位轉(zhuǎn)換，達(dá)到與前進(jìn)方向的變電所饋線的相位一致。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：1、實(shí)現(xiàn)了電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的同相供電。2、柔性控制。過分相時(shí)對機(jī)車的影響平穩(wěn)，系統(tǒng)安全可靠，提高了機(jī)車過分相時(shí)的安全性；3、適應(yīng)性廣。適合各種速度和各種長度的動(dòng)車、電力機(jī)車；4、直接監(jiān)測機(jī)車的受電弓，無需在地面設(shè)置計(jì)軸裝置而監(jiān)測整列列車。5、由于過分相處只能由一輛機(jī)車通過，柔性相位變換裝置只向一臺通過分相的機(jī)車供電。因此，柔性相位變換裝置的容量較小，裝置更容易制造，占地面積小，對現(xiàn)有電氣化牽引供電系統(tǒng)的改造很小，因此，工程成本低。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明的架構(gòu)圖。

圖2是柔性相位變換裝置回路圖。

圖3是一種機(jī)車受電弓位置檢測回路圖。

具體實(shí)施方式：

一種用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法，在兩個(gè)相鄰的牽引變電所設(shè)置分相區(qū)且在分相處設(shè)置一套柔性相位變換裝置，該裝置的電源取自其中一側(cè)牽引變電所的供電臂或取自外部電源，柔性相位變換裝置的輸出向中性段供電；柔性相位變換裝置輸出與機(jī)車的位置有關(guān)，在機(jī)車進(jìn)入中性段前，使得中性段的相位與機(jī)車后面的接觸網(wǎng)供電臂相位一致，當(dāng)機(jī)車進(jìn)入中性段后，柔性相位變換裝置的輸出在每個(gè)周波增加一個(gè)相位角，這樣，經(jīng)過幾個(gè)周波的變換，逐步使中性段的相位變換成機(jī)車前進(jìn)方向的接觸網(wǎng)供電臂的相位。

如圖1、2所示：上述用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法所用的裝置，牽引變電所1(1)經(jīng)饋線斷路器(4)向接觸網(wǎng)供電臂(6)供電，牽引變電所2(2)經(jīng)饋線斷路器(5)向接觸網(wǎng)供電臂(7)供電，接觸網(wǎng)供電臂(6)經(jīng)分段絕緣器(10)與中性段(14)相連，供電臂(7)經(jīng)分段絕緣器(11)與中性段(14)相連。接觸網(wǎng)供電臂(6)上連接監(jiān)測裝置(8)用于監(jiān)測供電臂(6)的電流和電壓信號，接觸網(wǎng)供電臂(7)上連接監(jiān)測裝置(9)用于監(jiān)測供電臂(7)的電流電壓信號；柔性相位變換裝置(3)經(jīng)過斷路器(12)與接觸網(wǎng)供電臂(6)相連并經(jīng)斷路器(13)與中性段(14)相連，中性段(14)連接有一臺單相電壓傳感器(37)用于監(jiān)測中性段(14)的電壓；

所述柔性相位變換裝置(3)由輸入電流互感器(34)、輸入整流變壓器(32)、交直交移相模塊(31)、電抗型升壓輸出變壓器(33)、電抗器(35)、電阻(30)以及控制裝置組成；上述斷路器(12)經(jīng)過輸入電流互感器(34)連接至輸入整流變壓器(32)的原邊一端，而輸入整流變壓器(32)的原邊另一端和鋼軌(25)連接；所述輸入整流變壓器(32)的次邊連接至交直交移相模塊(31)的輸入端，交直交移相模塊(31)的兩個(gè)輸出端連接至電抗型升壓輸出變壓器(33)原邊的兩個(gè)輸入端，電抗型升壓輸出變壓器(33)的次邊的一端連接至電抗器(35)的輸入端，次邊的另一端與鋼軌(25)連接，該電抗器(35)不參與變壓器的電磁變換，僅用于輸出波形的整理；所述電抗器(35)和一臺電阻(30)的并聯(lián)后形成的輸出端(B)與斷路器(13)輸出端連接，可以向中性段(14)的負(fù)載供電；

所述控制裝置由一套監(jiān)控單元(22)、一套DSP控制單元(21)和一組功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)組成，監(jiān)控單元(22)與DSP控制單元(21)之間通過光纖或雙絞線通信，而DSP控制單元(21)與功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)之間通過光纖通信；功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)與柔性相位變換裝置(3)中的交直交移相模塊(31)通過控制線(26)相連，實(shí)現(xiàn)對交直交移相模塊(31)的控制；DSP控制單元(21)與監(jiān)測裝置(8)和監(jiān)測裝置(9)中的單向電壓互感器(38)的輸出端連接、與柔性相位變換裝置(3)中的輸入電流互感器(34)通過導(dǎo)線(27)連接、與單相電壓傳感器(37)的輸出端連接，用于接收被連接設(shè)備的電流和電壓數(shù)據(jù)；監(jiān)控單元(22)與斷路器(12)、斷路器(13)連接，實(shí)現(xiàn)柔性相位變換裝置(3)的投入與切除。

上述交直交移相模塊(31)是由整流橋或全控整流橋(28)、整形回路(29)、全控逆變橋(30)的串接形成的。整形回路(29)是在整流橋(30)輸出的直流環(huán)節(jié)的正極回路中串聯(lián)一臺電抗器，在正、負(fù)極之間并聯(lián)一組電解電容和高頻電容、二極管、IGBT電子開關(guān)和電阻，以整理直流波形和吸收高頻信號。

在牽引變電所1(1)處的接觸網(wǎng)有一分段絕緣器(18)，斷路器(23)和斷路器(4)一端分別接入牽引變電所1(1)的電源，另一端分別與分段絕緣器(18)連接；在牽引變電所2(2)處的接觸網(wǎng)有一分段絕緣器(19)，斷路器(24)和斷路器(5)一端分別接入牽引變電所2(2)的電源，另一端分別與分段絕緣器(19)連接。分段絕緣器(18)與分段絕緣器(19)之間的電氣回路是接觸網(wǎng)的一個(gè)典型的柔性同相供電區(qū)間，一條電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)可以由若干個(gè)典型的柔性同相供電區(qū)間組成。

一、柔性同相供電系統(tǒng)方法的實(shí)施方式:

如圖1所示：一種柔性同相供電系統(tǒng)方法，設(shè)置柔性相位變換裝置(3)，該裝置的輸入電源取自供電臂(6)，也可以取自外部電源，但不管輸入電源取自哪里，都要向中性段(14)輸出供電。柔性相位變換裝置(3)的輸出電壓波形、相位隨著機(jī)車受電弓的位置柔性調(diào)整，當(dāng)前進(jìn)中的機(jī)車位于供電臂(6)時(shí)，柔性相位變換裝置(3)的輸出狀態(tài)處于初始狀態(tài)，即其輸出給中性段(14)的電壓波形、相位和幅值與供電臂(6)的相同，也就是說與變電所(1)的電壓波形、相位和幅值相同，形成了柔性相位變換裝置(3)與變電所(1)同相供電，同時(shí)，中性段(14)也和供電臂(6)電壓波形、相位和幅值相同。當(dāng)機(jī)車受電弓進(jìn)入到中性段(14)后并在離開中性段(14)區(qū)域前，柔性相位變換裝置(3)按照每一個(gè)周波柔性增加一個(gè)相位，逐漸調(diào)整輸出電壓的相位，直至與供電臂(7)的相位相同，也就是說，通過多個(gè)周波緩慢的過渡，實(shí)現(xiàn)了柔性相位變換裝置(3)與變電所(2)同相供電。在柔性變換調(diào)整過程中，幅值和波形這始終不變，機(jī)車電源基本平穩(wěn)的條件下，順利通過分相區(qū)。在機(jī)車通過分相區(qū)后，柔性相位變換裝置(3)的相位又恢復(fù)到了初始狀態(tài)。

本裝置始終接入監(jiān)測裝置(8)和監(jiān)測裝置(9)，監(jiān)測裝置始終監(jiān)測供電臂(6)和供電臂(7)上的電壓和電流數(shù)值，輸出端連接有一臺單相電壓傳感器(37)，該電壓傳感器(37)輸出連接到功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)，功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)始終動(dòng)態(tài)監(jiān)測著監(jiān)測裝置(8)、監(jiān)測裝置(9)和單相電壓傳感器(37)的三個(gè)點(diǎn)的電壓波形、相位和幅值，根據(jù)按照上述邏輯，根據(jù)機(jī)車受電弓的位置，決定著柔性相位變換裝置(3)的輸出。

二、機(jī)車受電弓位置監(jiān)測的實(shí)施方式：

機(jī)車受電弓位置的監(jiān)測，是通過監(jiān)測裝置(8)和輸入電流互感器(34)配合實(shí)現(xiàn)的。監(jiān)測裝置(8)將電流和電壓信號傳輸?shù)紻SP控制單元(21)，輸入電流互感器(34)也經(jīng)過導(dǎo)線(27)將電流信號輸入到DSP控制單元(21)。當(dāng)電力機(jī)車(15)按照箭頭(16)所指引的方向，從入段斷口的分段絕緣器(10)向出段斷口的分段絕緣器(11)側(cè)的方向行駛時(shí)，有兩種方式實(shí)現(xiàn)機(jī)車受電弓的位置監(jiān)測：

方式一，如圖1和圖2所示，當(dāng)受電弓經(jīng)過監(jiān)測裝置(8)后但沒有到達(dá)入段斷口的分段絕緣器(10)時(shí)，監(jiān)測裝置(8)中的電流互感器監(jiān)測到電流信號，表明電力機(jī)車負(fù)載尚未到達(dá)中性段(14)，而如果監(jiān)測裝置(8)與輸入電流互感器(34)電流值相同時(shí)，則表明電力機(jī)車的受電弓已經(jīng)完全進(jìn)入到了中性段(14)內(nèi)。

方式二，如圖3所示的，在輸入端側(cè)的接觸網(wǎng)供電臂(6)安裝一段機(jī)車位置監(jiān)測導(dǎo)線(39)與接觸網(wǎng)供電臂(6)平行，監(jiān)測裝置(8)中的單相電壓互感器(38)輸入端中的一端與這一段接觸導(dǎo)線(39)相連，而另一端與鋼軌(25)相連，當(dāng)電力機(jī)車的受電弓(17)在進(jìn)入中性段(14)前觸及到該段接觸導(dǎo)線時(shí)，受電弓(17)將接觸網(wǎng)供電臂(6)和機(jī)車位置監(jiān)測導(dǎo)線(39)連接到一起，因此監(jiān)測裝置(8)中的電壓互感器(38)受電，這樣也能監(jiān)測到電力機(jī)車的受電弓尚未進(jìn)入中性段(14)的信號，而當(dāng)電壓互感器(38)沒有電壓信號，同時(shí)輸入電流互感器(34)有電流信號時(shí)，則表明電力機(jī)車負(fù)載已經(jīng)進(jìn)入了中性段。

在電力機(jī)車(15)遠(yuǎn)離中性段后，因出段斷口的分段絕緣器(10)的存在，而使得電壓互感器(38)和輸入電流互感器(34)沒有了電流信號，表明電力機(jī)車負(fù)載已經(jīng)不在中性段了。也可以在中性段外側(cè)設(shè)置一段接觸導(dǎo)線(40)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車位置監(jiān)測功能。

DSP控制單元的作用：

DSP控制單元(21)的作用是，作用一，接收來自輸入端側(cè)的電壓互感器(38)的信號，以及輸入電流互感器(34)的信號，綜合判斷，當(dāng)同時(shí)接收到電壓互感器(38)和輸入電流互感器(34)的電流信號后，DSP控制單元(21)根據(jù)程序啟動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)執(zhí)行柔性移相程序；該柔性移相程序?yàn)?，接收裝置監(jiān)測裝置(8)、監(jiān)測裝置(9)以及電壓互感器(37)的波形信號進(jìn)行跟蹤判斷，并通過柔性移相、調(diào)壓和穩(wěn)壓，通過PWM或SPWM調(diào)制變換，使輸出端最終的電壓波形達(dá)到和接觸網(wǎng)供電臂(6)中的一致；作用二，當(dāng)DSP控制單元(21)監(jiān)測到來自電壓互感器(38)和輸入電流互感器(34)的值超出相關(guān)移相回路允許耐受的范圍時(shí)，立即向功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)發(fā)出封鎖PWM或SPWM調(diào)制信號、關(guān)斷全控逆變橋(30)、斷開斷路器(12)和斷路器(13)，并通知監(jiān)控單元(22)等。

本裝置的第二種工況是：當(dāng)DSP控制單元(21)監(jiān)測到來自電壓互感器(38)和輸入電流互感器(34)的值超出交直交移相模塊(31)允許耐受的范圍時(shí)，立即向功率驅(qū)動(dòng)模塊(20)發(fā)出封鎖PWM或SPWM調(diào)制信號、關(guān)斷全控逆變橋(30)、斷開斷路器(12)和斷路器(13)，并通知監(jiān)控單元(22)。監(jiān)控單元(22)接收到該信息后，經(jīng)過一段時(shí)間，再次命令斷路器(12)和斷路器(13)，并執(zhí)行預(yù)定好的同樣的程序，如果裝置再次短路，則監(jiān)控單元(22)命令DSP控制單元(21)關(guān)斷全控逆變橋(30)，通過監(jiān)控單元(22)的保護(hù)斷開輸入端和輸出端所接電網(wǎng)的電源。如果發(fā)生交直交移相模塊元件損壞等故障時(shí)，通過監(jiān)控單元啟動(dòng)越區(qū)供電，即斷開斷路器(5)，并由牽引供電系統(tǒng)設(shè)施實(shí)現(xiàn)從變電所1到變電所2饋線斷路器(5)的線路側(cè)的供電。