CN104340085A - 一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法及装置，方法步骤包括预先布置大功率电子开关器件，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压、整流器空载电压，判断列车运行状态，从而控制二极管整流器、能馈变流器的投入和退出以及大功率电子开关器件的通断以消除环流；装置包括高压开关单元、变压器、二极管整流器、第一直流开关单元、能馈变流器、第二直流开关单元、大功率电子开关器件和开关器件驱动电路。本发明能确保在城轨列车在牵引供电状态、能量回馈状态以及两种工作状态切换的所有过程中能馈变流器与二极管整流器不构成回路，从而达到消除环流的功能，并且不需要增加隔离变压器和电抗器，成本相对较低，结构紧凑。

Description

一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法及装置

技术领域

本发明涉及城轨牵引供电***的能馈供电装置，具体涉及一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置。

背景技术

城轨的再生制动能量回收装置中，能馈供电装置能够充分利用列车的再生制动能量，节能效果好，与中压交流网兼容性好，再生制动能量能够直接回馈至交流电网供其他设备使用，没有耗能电阻的发热问题，也不需要其他储能元件，因此成为了城轨牵引供电***最有前景的再生能量回收方案。

城轨能馈供电装置按交流回馈点的不同分为城轨高压型能馈供电装置、城轨中压型能馈供电装置、城轨低压型能馈供电装置。其中城轨高压型能馈供电装置、城轨低压型能馈供电装置都通过能馈变压器将逆变后的交流电升压或降压后回馈至变电所内部的中压交流网或低压配电网。城轨中压型能馈供电装置包括二极管整流器、能馈变流器以及共用的变压器，城轨牵引供电***的直流电网依次通过二极管整流器、变压器与中压交流网相连，且所述能馈变流器与二极管整流器并联连接，在城轨列车制动时，再生制动能量通过能馈变流器逆变后，得到的交流电回馈至牵引变电所内整流机组中的整流变压器低压侧，通过整流变压器升压，最终将能量回馈到牵引变电所内的中压交流网中。城轨中压型能馈供电装置由于节省了能馈变压器装置，成本相对较低，占地面积小，并且回馈的电能能完全利用，是一种很有前景的能量回馈装置方案。

目前在城轨牵引供电***中应用的城轨中压型能馈供电装置中，能馈变流器与二极管整流器共用一个变压器，这样虽然能节省能馈变压器的成本，减小能馈供电装置体积，但该技术方案中能馈变流器与整流器能构成一个回路，在能量回馈的过程中，当能馈变流器交流侧的线电压达到峰值时，再生制动能量会导致整流变压器二次侧电压升高，部分峰值电压会高于直流电网的直流母线电压，从而导致二极管整流器的二极管自开通，与能馈变流器形成回路，产生环流。该环流在城轨中压型能馈供电装置中会引起电流畸变，降低装置的整体性能，增加装置的***损耗，增大供电装置噪音，降低装置的回馈效率，这成为目前城轨中压型能馈供电装置的一个固有缺点，不利于能量回馈供电***稳定、可靠的运行，限制了城轨中压型能馈供电装置的推广和应用。

因此，环流问题已经成为城轨中压型能馈供电装置亟待解决的关键技术问题。针对该技术问题，现有技术有以下几种解决方案。

现有技术一： 在能馈变流器交流侧串联电抗器，由于环流电流量的大小与环路电感的大小成反比，因此可以通过外加电抗器增大环路电感的方法抑制环流。但该方案在实施过程中，为了防止电感饱和，需要选用较大体积的磁心或空心电抗器，从而增大了装置体积和重量，增加了成本。

现有技术二： 在能馈变流器直流侧串联电抗器，与现有技术一的原理相同，通过增大环路电感来抑制环流。但电抗器将引起变流器交流侧和直流网压升高，而以上两种方案都只能尽量减小环流，并不能完全抑制环流。

现有技术三：通过在能馈变流器低压交流侧加入隔离变压器抑制环流，利用隔离变压器的隔离作用，能断开环流通路，从而实现抑制环流的功能。该方案相对上述两种方案的环流抑制效果要好，但增加了隔离变压器，增加了成本，也使体积增大。

综上所述，现有技术的城轨中压型能馈供电装置存在的最主要的缺点是在能馈装置投入运行时，能馈变流器与整流器之间存在环流。环流将会引起电流畸变，增大***损耗，降低***的性能和效率，这都影响了***的稳定性和可靠性。目前存在的几种抑制环流的技术方案，都有增加装置成本，增大装置体积的缺点，且增加环路电感的方案只能尽量减小环流，环流对***的影响仍然存在。众所周知，城轨能馈式供电***已经成为一种基本成熟的应用***，在地铁等轨道交通领域使用，能量回馈装置的可靠性、稳定性成为城轨供电***的重要指标。因此，如何提供一种可靠性、稳定性的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述技术问题，提供一种能够确保在城轨列车在牵引供电状态、能量回馈状态以及两种工作状态切换的所有过程中能馈变流器与二极管整流器之间不构成回路，从而达到消除环流的功能，并且不需要增加隔离变压器和电抗器，成本相对较低，结构紧凑的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法，步骤包括：

1）在城轨中压型能馈供电装置的二极管整流器的直流侧出口的正负极和城轨牵引供电***的直流电网之间布置大功率电子开关器件，所述城轨中压型能馈供电装置包括二极管整流器、能馈变流器以及共用的变压器，城轨牵引供电***的直流电网依次通过二极管整流器、变压器与中压交流网相连，且所述能馈变流器与二极管整流器并联连接；初始化设置能馈变流器的投入电压门槛值以及退出电压门槛值、退出电流门槛值，默认断开大功率电子开关器件；

2）在城轨列车运行过程中，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压，获取二极管整流器的整流器空载电压；如果所述直流网压小于或等于整流器空载电压，则跳转执行步骤3）；如果所述直流网压大于整流器空载电压、且小于投入电压门槛值，则跳转执行步骤4）；如果所述直流网压大于或等于投入电压门槛值与整流器空载电压，则跳转执行步骤5）；

3）判定无城轨列车制动、未达到能量回馈条件，闭合大功率电子开关器件，二极管整流器处于投入态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，中压交流网的交流电经过变压器变压、再经过二极管整流器整流后为城轨牵引供电***的直流电网供电；跳转执行步骤2）；

4）判定有城轨列车制动但制动能量较小或者部分制动能量被附近的其他城轨列车吸收、未达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，通过城轨列车制动产生的再生制动能量支撑直流网压；跳转执行步骤2）；

5）判定有城轨列车制动、达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于投入态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，来自城轨牵引供电***的直流电网的多余再生制动能量通过能馈变流器逆变为三相交流电、再经过变压器变压后回馈至中压交流网；跳转执行步骤6）；

6）检测能馈变流器直流侧电流，如果所述直流网压大于或等于退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流大于或等于退出电流门槛值两个条件同时成立，则跳转执行步骤7）；如果所述直流网压小于退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流小于退出电流门槛值两个条件同时成立，则判定达到退出能量回馈条件，跳转执行步骤8）；

7）判定未达到退出能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于投入态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，此时来自城轨牵引供电***的直流电网的多余再生制动能量的回馈尚未完成，继续通过能馈变流器逆变为三相交流电、再经过变压器变压后回馈至中压交流网；跳转执行步骤6）；

8）闭合大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流；跳转执行步骤9）；

9）检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压，获取二极管整流器的整流器空载电压，当所述直流网压大于整流器空载电压、且所述直流网压小于所述退出电压门槛值时判定***处于完成能量回馈后母线电压恢复稳定的过程，保持闭合大功率电子开关器件、二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，当所述直流网压小于或等于整流器空载电压时跳转执行步骤2）。

优选地，所述步骤2）的详细步骤包括：

2.1）在城轨列车运行过程中，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压（简称直流网压），获取二极管整流器的整流器空载电压；

2.2）将检测得到的城轨牵引供电***的直流电网的直流网压与二极管整流器的整流器空载电压进行对比，如果所述直流网压发生电压变化时整流器空载电压也同步发生相应变化，则说明所述直流网压的变化是由交流网电压变化引起，而不是由列车运行状态改变引起，结束并退出；否则判定直流网压的变化是由列车运行状态改变引起的，跳转执行步骤2.3）；

2.3）针对城轨牵引供电***的直流电网的直流网压、整流器空载电压进行判断，如果所述直流网压小于或等于整流器空载电压，则跳转执行步骤3）；如果所述直流网压大于整流器空载电压、且小于投入电压门槛值，则跳转执行步骤4）；如果所述直流网压大于或等于投入电压门槛值与整流器空载电压，则跳转执行步骤5）。

本发明还提供一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，包括高压开关单元、变压器、二极管整流器、第一直流开关单元、能馈变流器、第二直流开关单元、大功率电子开关器件和开关器件驱动电路，所述变压器的初级线圈通过高压开关单元与中压交流网相连，所述变压器的次级线圈依次通过二极管整流器、第一直流开关单元与城轨牵引供电***的直流电网相连，且所述变压器的次级线圈还依次通过能馈变流器、第二直流开关单元与城轨牵引供电***的直流电网相连，所述大功率电子开关器件串联连接于二极管整流器的直流侧出口的正负极和第一直流开关单元之间，所述开关器件驱动电路的输出端与大功率电子开关器件的控制端相连。

优选地，所述变压器包括一个初级线圈和至少两个次级线圈。

优选地，所述二极管整流器为24脉波整流器。

优选地，所述大功率电子开关器件为集成门极换流晶闸管。

优选地，所述开关器件驱动电路包括电源模块、逻辑控制器、开通维持模块、关断模块、检测保护模块、发送模块、接收模块和状态显示模块，所述电源模块的输出端分别与逻辑控制器、开通维持模块、关断模块相连，所述逻辑控制器的输出端分别与开通维持模块、关断模块、发送模块、状态显示模块相连，所述逻辑控制器的输入端分别与检测保护模块、接收模块相连。

优选地，所述逻辑控制器为可编程逻辑控制芯片FPGA，所述发送模块为光纤发送模块，所述接收模块为光纤接收模块。

本发明具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法的优点如下：本发明通过在城轨中压型能馈供电装置的二极管整流器直流侧出口的正负极和城轨牵引供电***的直流电网之间布置大功率电子开关器件，通过对***中各电压电流实时监测，并对信号进行处理，判断列车的运行状态，控制二极管整流器直流侧大功率电子开关器件的通断状态与能馈变流器在***各种工作状态下进行相应的动作，即可确保在城轨列车的牵引供电状态、能量回馈状态以及两种工作状态切换的所有过程中，通过对二极管整流机组直流侧大功率电子开关器件的通断控制，能馈变流器与二极管整流器之间不构成回路，从而实现完全消除环流的功能，并且不需要增加隔离变压器和电抗器，成本相对较低，不会增大装置体积。

本发明具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置具有下述优点：本发明具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置为本发明具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法对应的装置，变压器的次级线圈依次通过二极管整流器、第一直流开关单元与城轨牵引供电***的直流电网相连，且变压器的次级线圈还依次通过能馈变流器、第二直流开关单元与城轨牵引供电***的直流电网相连，大功率电子开关器件串联连接于二极管整流器的直流侧出口的正负极和第一直流开关单元之间，开关器件驱动电路的输出端与大功率电子开关器件的控制端相连，以控制二极管整流器直流侧电子开关在各种工作状态下进行相应的动作，即可确保在城轨列车的牵引供电状态、能量回馈状态以及两种工作状态切换的所有过程中，通过对二极管整流机组直流侧大功率电子开关器件的通断控制，能馈变流器与二极管整流器之间不构成回路，从而实现完全消除环流的功能，并且不需要增加隔离变压器和电抗器，成本相对较低，不会增大装置体积。

附图说明

图1为本发明实施例方法的流程示意图。

图2为本发明实施例装置的电路结构示意图。

图3为现有技术GCT结构的剖面示意图。

图4为现有技术IGCT导通时的等效电路图。

图5为现有技术IGCT关断时的等效电路图。

图6为本发明实施例中开关器件驱动电路的框架结构示意图。

图7为本发明实施例中在大功率电子开关器件闭合时的等效电路结构示意图。

图例说明：1、高压开关单元；2、变压器；3、二极管整流器；4、第一直流开关单元；5、能馈变流器；6、第二直流开关单元；7、大功率电子开关器件；8、开关器件驱动电路；81、电源模块；82、逻辑控制器；83、开通维持模块；84、关断模块；85、检测保护模块；86、发送模块；87、接收模块；88、状态显示模块。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法的步骤包括：

1）在城轨中压型能馈供电装置的二极管整流器的直流侧出口的正负极和城轨牵引供电***的直流电网之间布置大功率电子开关器件，城轨中压型能馈供电装置包括二极管整流器、能馈变流器以及共用的变压器，城轨牵引供电***的直流电网依次通过二极管整流器、变压器与中压交流网相连，且能馈变流器与二极管整流器并联连接；初始化设置能馈变流器的投入电压门槛值以及退出电压门槛值、退出电流门槛值，默认断开大功率电子开关器件；

2）在城轨列车运行过程中，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压（简称直流网压），获取二极管整流器的整流器空载电压；如果直流网压小于或等于整流器空载电压，则跳转执行步骤3）；如果直流网压大于整流器空载电压、且小于投入电压门槛值，则跳转执行步骤4）；如果直流网压大于或等于投入电压门槛值与整流器空载电压，则跳转执行步骤5）；

3）判定无城轨列车制动、未达到能量回馈条件，闭合大功率电子开关器件，二极管整流器处于投入态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，中压交流网的交流电经过变压器变压、再经过二极管整流器整流后为城轨牵引供电***的直流电网供电；跳转执行步骤2）；

4）判定有城轨列车制动但制动能量较小或者部分制动能量被附近的其他城轨列车吸收、未达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，通过城轨列车制动产生的再生制动能量支撑直流网压；跳转执行步骤2）；

5）判定有城轨列车制动、达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于投入态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，来自城轨牵引供电***的直流电网的多余再生制动能量通过能馈变流器逆变为三相交流电、再经过变压器变压后回馈至中压交流网；跳转执行步骤6）；

6）检测能馈变流器直流侧电流，如果直流网压大于或等于退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流大于或等于退出电流门槛值两个条件同时成立，则跳转执行步骤7）；如果直流网压小于退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流小于退出电流门槛值两个条件同时成立，则判定达到退出能量回馈条件，跳转执行步骤8）；

7）判定未达到退出能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于投入态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，此时来自城轨牵引供电***的直流电网的多余再生制动能量的回馈尚未完成，继续通过能馈变流器逆变为三相交流电、再经过变压器变压后回馈至中压交流网；跳转执行步骤6）；

8）闭合大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流；跳转执行步骤9）；

9）检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压，获取二极管整流器的整流器空载电压，当直流网压大于整流器空载电压、且直流网压小于退出电压门槛值时判定***处于完成能量回馈后母线电压恢复稳定的过程，保持闭合大功率电子开关器件、二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，当所述直流网压小于或等于整流器空载电压时跳转执行步骤2）。

由于城轨供电***自身结构的复杂性，大功率电子开关器件7的实现比较困难，一个方面的原因是针对大功率电子开关器件7的通断状态逻辑控制非常复杂，因此现有技术普遍想到的是通过增加电抗器的方式来增大环路电感并达到抑制环流的功能，本实施例通过上述步骤1）～9），实现了针对大功率电子开关器件7的完整的逻辑控制，从而能够实现基于大功率电子开关器件7来消除城轨中压型能馈供电的环流，确保在城轨列车的牵引供电状态、能量回馈状态以及两种工作状态切换的所有过程中，通过对二极管整流机组直流侧大功率电子开关器件的通断控制，能馈变流器与二极管整流器之间不构成回路，从而实现完全消除环流的功能，并且不需要增加隔离变压器和电抗器，成本相对较低，不会增大装置体积。

本实施例中步骤2）的详细步骤包括：

2.1）在城轨列车运行过程中，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压（简称直流网压），获取二极管整流器的整流器空载电压；

2.2）将检测得到的城轨牵引供电***的直流电网的直流网压与二极管整流器的整流器空载电压进行对比，如果直流网压发生电压变化时整流器空载电压也同步发生相应变化，则说明直流网压的变化是由交流网电压变化引起，而不是由列车运行状态改变引起，结束并退出；否则判定直流网压的变化是由列车运行状态改变引起的，跳转执行步骤2.3）；

2.3）针对城轨牵引供电***的直流电网的直流网压、整流器空载电压进行判断，如果直流网压小于或等于整流器空载电压，则跳转执行步骤3）；如果直流网压大于整流器空载电压、且小于投入电压门槛值，则跳转执行步骤4）；如果直流网压大于或等于投入电压门槛值与整流器空载电压，则跳转执行步骤5）。

综上步骤2.1）～2.3），当直流网压发生变化时，本实施例首先通过上述步骤排除引起直流网压变化的干扰情况，即非列车牵引、制动而引起的网压变化，避免误操作。当确定了直流网压变化是由列车运行引起的，则进行列车运行状态的判断。

如图2所示，本实施例的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置包括高压开关单元1、变压器2、二极管整流器3、第一直流开关单元4、能馈变流器5、第二直流开关单元6、大功率电子开关器件7和开关器件驱动电路8，变压器2的初级线圈通过高压开关单元1与中压交流网相连，变压器2的次级线圈依次通过二极管整流器3、第一直流开关单元4与城轨牵引供电***的直流电网相连，且变压器2的次级线圈还依次通过能馈变流器5、第二直流开关单元6与城轨牵引供电***的直流电网相连，大功率电子开关器件7串联连接于二极管整流器3的直流侧出口的正负极和第一直流开关单元4之间，开关器件驱动电路8的输出端与大功率电子开关器件7的控制端相连。

本实施例中，高压开关单元1布置在高压开关柜内，第一直流开关单元4、第二直流开关单元6分别布置在直流开关柜内，二极管整流器3布置在二极管整流柜内，能馈变流器5布置在能馈变流柜内，能馈变流柜与交流侧PT柜连接，交流侧PT柜用于对交流电网电压进行采样，将采样信号通过内部的同步变压器转换为电压同步信号。

本实施例中，变压器2包括一个初级线圈和至少两个次级线圈。

二极管整流器3通过控制二极管开关，将交流电转换为直流电，供给列车的直流接触网。本实施例中，二极管整流器3为24脉波整流器，此外二极管整流器3也可以根据需要采用其他类型的基于二极管的整流器。

本实施例中对于大功率电子开关器件7的选择，考虑到断路器受开关次数的影响，不能使用在频繁通断的位置，因此不适用于本实施例；接触器在开关速度和承受电流的能力上都达不到要求；GTO开关损耗过高；IGBT电流等级达不到要求。综合考虑大功率电子开关器件7的电流等级、开关寿命、开关速度等各方面因素，本实施例中选择集成门极换流晶闸管（IGCT）作为二极管整流器2直流侧的电子开关器件，通过采用IGCT能够保证大功率电子开关器件7的开关速度、实时性，以及使用寿命；而且当二极管整流器2的交流侧断电后，再恢复上电时会对二极管整流器2中的二极管造成冲击，频繁断电将会影响二极管寿命，因此选择在二极管整流器的直流侧加入大功率电子开关器件7，还能够起到有效保护二极管整流器2中的二极管的目的。IGCT是由门极换流晶闸管（GCT）和硬门极驱动电路集成而来的，结合了IGBT和GTO的优点，GCT是在GTO（门极可关断晶闸管）芯片上引入缓冲层、可穿透发射区和逆导结构形成的，其机械结构与IGBT相比要简单。如图3所示的GCT结构剖面可知，GCT是四层三端器件，即由四层半导体材料（PNPN）构成，外部引出三个极，GCT内部由成百上千个GCT元组成，与GTO结构类似。但GCT利用缓冲层技术，在相同的阻断电压下，硅片更薄，可大大降低导通损耗，同时采用可穿透发射技术使GCT阳极更薄，且为弱掺杂，关断时电子可以被扫过阳极发射区，而无空穴注入，提高了关断速度，降低了关断损耗。IGCT采用门极硬驱动技术，将门极驱动电路、GCT集成在一起，其导通是通过驱动电路向门极提供驱动电流来控制的，通过提高驱动电流的幅值和上升率，可以大大缩小芯片中不同梳条单元开通过程中延迟时间的差异。采用这样的硬驱动门极触发电流方式，可以提高IGCT自身的di/dt（即电流变化率，相应的dv/dt即电压变化率）耐量，从而减小IGCT阳极回路所需的抑制电感量。强开通门极触发电流脉冲使阴极电子注入非常均匀，在阳极电流增大之前降低了IGCT器件的通态压降，从而提高器件开通速度，减小损耗。IGCT的工作原理取决于GCT的工作过程，可用两个晶体管表示，其导通时等效电路图以及关断时等效电路图如图4和图5所示。IGCT开通时的瞬间，门极施加正强电压，GCT处于NPN晶体管状态。导通以后，GCT等效为两正反馈的晶体管，强烈的正反馈使得两晶体管都饱和导通，因此GCT在导通状态时，等效于一个类似晶闸管的正反馈开关，携带电流能力强，通态压降低。当IGCT关断，电荷从阳极N基区完全被抽出之前，整个阳极电流由阴极迅速转向门极，即强关断时让GCT门-阴极PN结提前进入反向偏置并退出工作，阴极注入瞬间停止，使器件在双极晶体管模式下关断。在承受任何阻断电压之前，IGCT即已变成晶体管，所以无外加dv/dt的限制，无需吸收电路，因此IGCT无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。综上，在合适的门极强驱动下，IGCT开通瞬间处于NPN晶体管状态，导通时为晶闸管状态，关断瞬间和截止状态均为PNP晶体管状态。

如图6所示，开关器件驱动电路8包括电源模块81、逻辑控制器82、开通维持模块83、关断模块84、检测保护模块85、发送模块86、接收模块87和状态显示模块88，电源模块81的输出端分别与逻辑控制器82、开通维持模块83、关断模块84相连，逻辑控制器82的输出端分别与开通维持模块83、关断模块84、发送模块86、状态显示模块88相连，逻辑控制器82的输入端分别与检测保护模块85、接收模块87相连。目前大功率电子开关器件7难以在城轨中压型能馈供电装置中应用的另一个原因是大功率电子开关器件7的驱动电路设计都有难度，因此现有技术普遍通过增加电抗器的方式来增大环路电感并达到抑制环流的功能，而不会使用增加大功率电子开关器件7的方法。本实施例基于上述开关器件驱动电路8的结构，能够有效实现对大功率电子开关器件7的通断控制。

本实施例中，电源模块81采用20V直流电源，并生成5V、15V的控制电源，开通维持模块83在获得逻辑控制器82的导通信号时向IGCT提供开通脉冲电流和通态门极维持电流，关断模块84在获得逻辑控制器82关断信号时控制IGCT关断，检测保护模块85负责监视驱动电路板和IGCT工作状态，在故障时进行保护和报警，逻辑控制器82为可编程逻辑控制芯片FPGA，发送模块86、接收模块87用于实现驱动器与控制***的信号联系。本实施例中，发送模块86为光纤发送模块，接收模块87为光纤接收模块；此外也可以根据需要采用其他类型的收发接口模块。

在工作状态下，通过对中压交流网、城轨牵引供电***的直流电网以及本实施例的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置电压电流的实时采样监测，对各电压电流信号进行处理，判断列车的运行状态以及是否满足能量回馈的条件，从而控制能馈变流器5的运行状态和二极管整流器3直流侧大功率电子开关器件7的通断，最终达到消除能馈变流器5与二极管整流器3之间环流的目的。

本实施例中针对大功率电子开关器件7的控制实现供电的过程如下：在城轨列车运行过程中，交流侧PT柜对交流侧电压进行实时采样监测，采集到的信号通过同步变压器输送至能馈变流柜的控制***，同时对直流接触网、能馈装置以及整流器的电压电流进行实时监测，主要基于检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压、二极管整流器的整流器空载电压、能馈变流器直流侧电流来实现判断能馈变流器5的运行状态和二极管整流器的投入、退出的条件，及控制大功率电子开关器件7的通断。当直流网压发生变化时，首先需要根据整流器空载电压排除引起直流网压变化的干扰情况，即非列车牵引、制动而引起的网压变化，避免误操作。当确定了直流网压变化是由列车运行引起的，则进行列车运行状态的判断。

结合图1可知，本实施例中能馈变流器5进入投入态的判断有以下几种情况：

（1）直流网压≤整流器空载电压。判定无城轨列车制动、未达到能量回馈条件，闭合大功率电子开关器件7，二极管整流器3处于投入态、能馈变流器5处于退出态，使得二极管整流器3和能馈变流器5之间没有环流，供电***处于牵引供电状态，中压交流网的交流电经过变压器2变压、再经过二极管整流器3整流后为城轨牵引供电***的直流电网供电。

（2）整流器空载电压＜直流网压＜投入电压门槛值。判定有城轨列车制动但制动能量较小或者部分制动能量被附近的其他城轨列车吸收、未达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件7，二极管整流器3处于退出态、能馈变流器5处于退出态，使得二极管整流器3和能馈变流器5之间没有环流。此时由于仍未达到能量回馈的条件，因此能馈变流器5未投入使用，与二极管整流器3之间没有环流，断开大功率电子开关器件7后二极管整流器3所在的整流支路断开，由于此时有城轨列车处于制动状态，制动能量能够支撑直流网压，保持正常运行。断开大功率电子开关器件7时，相当于只有能馈变流器5支路，其等效电路图如图7所示。

（3）直流网压≥整流器空载电压及投入电压门槛值。

判定有城轨列车制动、达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件7，二极管整流器处于退出态3、能馈变流器5处于投入态，使得二极管整流器3和能馈变流器5之间没有环流，***处于能量回馈状态，来自城轨牵引供电***的直流电网的多余在再生制动能量通过能馈变流器5（IGBT变流模块）逆变为三相交流电、再经过变压器2变压后回馈至中压交流网。直流网压达到投入电压门槛值之前处于一个上升过程，当直流网压大于整流器空载电压时且小于能馈装置的投入电压门槛值时，即处于上述情况（2），则大功率电子开关器件7能在能馈变流器5启动投入前迅速断开，避免了二极管整流器3与能馈变流器5在***牵引供电与能量回馈状态切换时构成回路，因此避免了状态切换瞬间的冲击电流和环流，使城轨供电***能够平稳的实现从牵引供电状态到能量回馈状态的转换。在整个能量回馈过程中，由于断开了大功率电子开关器件7，二极管整流器3所在的整流支路断开，二极管整流器3与能馈变流器5不再形成一个回路，因此二者之间不存在环流。

结合图1可知，本实施例中进入投入态后，退出投入态、进入退出态有以下几种情况。

（4）直流网压≥退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流≥退出电流门槛值。判定未达到退出能量回馈条件，断开大功率电子开关器件7，二极管整流器3处于退出态、能馈变流器5处于投入态，使得二极管整流器3和能馈变流器5之间没有环流，此时来自城轨牵引供电***的直流电网的多余在再生制动能量的回馈尚未完成，继续通过能馈变流器5逆变为三相交流电、再经过变压器2变压后回馈至中压交流网。

（5）直流网压＜退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流＜退出电流门槛值。判定达到退出能量回馈条件，闭合大功率电子开关器件7，二极管整流器3处于退出态、能馈变流器5处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流。

（6）整流器空载电压<直流网压<退出电压门槛值。判定***处于完成能量回馈后母线电压恢复稳定的过程，保持闭合大功率电子开关器件、二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，当所述直流网压≤整流器空载电压时跳转执行步骤2）。

步骤2）中参见前述的条件（1），当直流网压≤整流器空载电压时判定处于牵引供电状态下，闭合大功率电子开关器件7，二极管整流器3处于投入态、能馈变流器5处于退出态，使得二极管整流器3和能馈变流器5之间没有环流，中压交流网的交流电经过变压器2变压、再经过二极管整流器3整流后为城轨牵引供电***的直流电网供电，等待城轨列车制动。

综上，本实施例在中压型能量回馈供电***中，在列车牵引供电状态、能量回馈状态以及两种状态切换的所有过程中，通过对各电压电流信号的处理和判断，控制二极管整流器3直流侧的大功率电子开关器件7，能够在整个供电***运行的过程中都将能馈变流器5与二极管整流器3的回路断开，消除二者间的环流。本实施例在二极管整流器3的直流侧加入大功率电子开关器件7，由交流侧PT柜提供电压同步信号，***实时采样监测直流电网、能馈变流器5的电压电流，并设置能馈变流器5的投入电压门槛值、退出电流门槛值。基于检测的直流网压、整流器空载电压、能馈变流器直流侧电流判断列车运行状态及***运行状态，根据判断得到的状态得到运行指令，对二极管整流器直流侧电子开关状态及能馈装置运行状态进行相应的控制，使列车在牵引供电状态、能量回馈状态以及两种状态切换的所有过程中，能馈变流器与二极管整流器都不构成回路，达到了消除环流的目的，相比常规的中压型能量回馈装置抑制环流的方法，本实施例消除环流的效果更好，能够完全消除环流，而不是尽量抑制环流；而且本实施例的可靠性高，在消除环流的同时，还保证了***各种运行状态之间的切换平稳，安全稳定性高；此外，本实施例相比常规的中压型能量回馈装置抑制环流的方法，省去了隔离变压器和电抗器装置，节约了***成本，减小了体积。

以上所述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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法，其特征在于步骤包括：

1）在城轨中压型能馈供电装置的二极管整流器的直流侧出口的正负极和城轨牵引供电***的直流电网之间布置大功率电子开关器件，所述城轨中压型能馈供电装置包括二极管整流器、能馈变流器以及共用的变压器，城轨牵引供电***的直流电网依次通过二极管整流器、变压器与中压交流网相连，且所述能馈变流器与二极管整流器并联连接；初始化设置能馈变流器的投入电压门槛值以及退出电压门槛值、退出电流门槛值，默认断开大功率电子开关器件；

2）在城轨列车运行过程中，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压，获取二极管整流器的整流器空载电压；如果所述直流网压小于或等于整流器空载电压，则跳转执行步骤3）；如果所述直流网压大于整流器空载电压、且小于投入电压门槛值，则跳转执行步骤4）；如果所述直流网压大于或等于投入电压门槛值与整流器空载电压，则跳转执行步骤5）；

3）判定无城轨列车制动、未达到能量回馈条件，闭合大功率电子开关器件，二极管整流器处于投入态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，中压交流网的交流电经过变压器变压、再经过二极管整流器整流后为城轨牵引供电***的直流电网供电；跳转执行步骤2）；

4）判定有城轨列车制动但制动能量较小或者部分制动能量被附近的其他城轨列车吸收、未达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，通过城轨列车制动产生的再生制动能量支撑直流网压；跳转执行步骤2）；

5）判定有城轨列车制动、达到能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于投入态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，来自城轨牵引供电***的直流电网的多余再生制动能量通过能馈变流器逆变为三相交流电、再经过变压器变压后回馈至中压交流网；跳转执行步骤6）；

6）检测能馈变流器直流侧电流，如果所述直流网压大于或等于退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流大于或等于退出电流门槛值两个条件同时成立，则跳转执行步骤7）；如果所述直流网压小于退出电压门槛值、能馈变流器直流侧电流小于退出电流门槛值两个条件同时成立，则判定达到退出能量回馈条件，跳转执行步骤8）；

7）判定未达到退出能量回馈条件，断开大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于投入态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流，此时来自城轨牵引供电***的直流电网的多余再生制动能量的回馈尚未完成，继续通过能馈变流器逆变为三相交流电、再经过变压器变压后回馈至中压交流网；跳转执行步骤6）；

8）闭合大功率电子开关器件，二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，使得二极管整流器和能馈变流器之间没有环流；跳转执行步骤9）；

9）检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压，获取二极管整流器的整流器空载电压，当所述直流网压大于整流器空载电压、且所述直流网压小于所述退出电压门槛值时判定***处于完成能量回馈后母线电压恢复稳定的过程，保持闭合大功率电子开关器件、二极管整流器处于退出态、能馈变流器处于退出态，当所述直流网压小于或等于整流器空载电压时跳转执行步骤2）。

2.根据权利要求1所述的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电方法，其特征在于，所述步骤2）的详细步骤包括：

2.1）在城轨列车运行过程中，检测城轨牵引供电***的直流电网的直流网压（简称直流网压），获取二极管整流器的整流器空载电压；

2.2）将检测得到的城轨牵引供电***的直流电网的直流网压与二极管整流器的整流器空载电压进行对比，如果所述直流网压发生电压变化时整流器空载电压也同步发生相应变化，则说明所述直流网压的变化是由交流网电压变化引起，而不是由列车运行状态改变引起，结束并退出；否则判定直流网压的变化是由列车运行状态改变引起的，跳转执行步骤2.3）；

2.3）针对城轨牵引供电***的直流电网的直流网压、整流器空载电压进行判断，如果所述直流网压小于或等于整流器空载电压，则跳转执行步骤3）；如果所述直流网压大于整流器空载电压、且小于投入电压门槛值，则跳转执行步骤4）；如果所述直流网压大于或等于投入电压门槛值与整流器空载电压，则跳转执行步骤5）。

3.一种具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，其特征在于：包括高压开关单元（1）、变压器（2）、二极管整流器（3）、第一直流开关单元（4）、能馈变流器（5）、第二直流开关单元（6）、大功率电子开关器件（7）和开关器件驱动电路（8），所述变压器（2）的初级线圈通过高压开关单元（1）与中压交流网相连，所述变压器（2）的次级线圈依次通过二极管整流器（3）、第一直流开关单元（4）与城轨牵引供电***的直流电网相连，且所述变压器（2）的次级线圈还依次通过能馈变流器（5）、第二直流开关单元（6）与城轨牵引供电***的直流电网相连，所述大功率电子开关器件（7）串联连接于二极管整流器（3）的直流侧出口的正负极和第一直流开关单元（4）之间，所述开关器件驱动电路（8）的输出端与大功率电子开关器件（7）的控制端相连。

4.根据权利要求3所述的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，其特征在于：所述变压器（2）包括一个初级线圈和至少两个次级线圈。

5.根据权利要求4所述的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，其特征在于：所述二极管整流器（3）为24脉波整流器。

6.根据权利要求3或4或5所述的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，其特征在于：所述大功率电子开关器件（7）为集成门极换流晶闸管。

7.根据权利要求6所述的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，其特征在于：所述开关器件驱动电路（8）包括电源模块（81）、逻辑控制器（82）、开通维持模块（83）、关断模块（84）、检测保护模块（85）、发送模块（86）、接收模块（87）和状态显示模块（88），所述电源模块（81）的输出端分别与逻辑控制器（82）、开通维持模块（83）、关断模块（84）相连，所述逻辑控制器（82）的输出端分别与开通维持模块（83）、关断模块（84）、发送模块（86）、状态显示模块（88）相连，所述逻辑控制器（82）的输入端分别与检测保护模块（85）、接收模块（87）相连。

8.根据权利要求7所述的具有环流消除功能的城轨中压型能馈供电装置，其特征在于：所述逻辑控制器（82）为可编程逻辑控制芯片FPGA，所述发送模块（86）为光纤发送模块，所述接收模块（87）为光纤接收模块。