本發明屬于電氣化鐵道牽引供電系統技術領域，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單相供電領域的同相供電系統。

背景技術：
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傳統的電氣化鐵道采用單相27.5kV牽引供電系統，由變電所經過接觸網供電臂向電力機車或動車組供電，兩個相鄰供電臂往往相位不同，不能連接在一起進行同相供電，因此，必須在兩個相鄰供電臂之間設置一個分相區，分相區實際上由一段接觸網中性段，和中性段兩側的斷口組成，兩個斷口分別是入段斷口和出段斷口，通過這兩個斷口，把中性段兩側的供電臂隔離開。中性段長度一般有四百米至五百米。電力機車從分相的一側接觸網供電臂滑行至中性段的入段斷口，再從入段斷口進入中性段，再經過出段斷口離開中性段并到達另一側接觸網供電臂的過程，叫過分相。機車或高速動車組是通過在機車或動車頂部的受電弓與接觸網接觸中獲得能量的，機車行走過程中，受電弓也隨著機車滑行并始終與接觸網接觸，因此能夠連續不斷地從接觸網上取流，如果在機車帶負荷情況下，受電弓從帶電部分接觸網供電臂向不帶電的中性段滑行時，受電弓在逐步離開帶電部分的過程中，就會導致受電弓與帶電之間出現拉弧現象，這種電弧會在短時間內產生很大熱量，甚至燒斷接觸網，造成事故，這種情況叫做機車帶負荷闖分相，相反，如果機車不帶負荷過分相時，因為形不成電流回路，就不會出現上述拉弧現象。

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

技術實現要素：
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本發明的目的就在于克服上述現有技術中存在的不足，而提供一種可降低工程造價的用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法。

本發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。

如上構思，本發明的技術方案是：一種用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法，其特征在于：在兩個相鄰的牽引變電所設置分相區且在分相處設置一套柔性相位變換裝置，該裝置的電源取自其中一側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車的位置有關，在機車進入中性段前，使得中性段的相位與機車后面的接觸網供電臂相位一致，當機車進入中性段后，柔性相位變換裝置的輸出在每個周波增加一個相位角，這樣，經過幾個周波的變換，逐步使中性段的相位變換成機車前進方向的接觸網供電臂的相位。

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)經饋線斷路器(4)向接觸網供電臂(6)供電，牽引變電所2(2)經饋線斷路器(5)向接觸網供電臂(7)供電，接觸網供電臂(6)經分段絕緣器(10)與中性段(14)相連，供電臂(7)經分段絕緣器(11)與中性段(14)相連，其特征在于：接觸網供電臂(6)上連接監測裝置(8)用于監測供電臂(6)的電流和電壓信號，接觸網供電臂(7)上連接監測裝置(9)用于監測供電臂(7)的電流電壓信號；柔性相位變換裝置(3)經過斷路器(12)與接觸網供電臂(6)相連并經斷路器(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)的兩個輸出端連接至電抗型升壓輸出變壓器(33)原邊的兩個輸入端，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)的負載供電；

所述控制裝置由一套監控單元(22)、一套DSP控制單元(21)和一組功率驅動模塊(20)組成，監控單元(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)與功率驅動模塊(20)之間通過光纖通信；功率驅動模塊(20)與柔性相位變換裝置(3)中的交直交移相模塊(31)相連，實現對交直交移相模塊(31)的控制；DSP控制單元(21)與監測裝置(8)和監測裝置(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，用于接收被連接設備的電流和電壓數據；監控單元(22)與斷路器(12)、斷路器(13)連接實現柔性相位變換裝置(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)輸出的直流環節的正極回路中串聯一臺電抗器，在正、負極之間并聯一組電解電容和高頻電容、二極管、IGBT電子開關和電阻，以整理直流波形和吸收高頻信號。

上述在輸入端側的接觸網供電臂(6)安裝一段機車位置監測導線(39)與接觸網供電臂(6)平行，監測裝置(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線(39)相連，而另一端與鋼軌(25)相連。

上述中性段外側設置一段接觸導線(40)。

本發明基于大功率IGCT或IGBT等大功率電力電子制造技術的逐漸成熟而提出來的，通過DSP控制的PWM或SPWM正弦波調制技術，實現大功率電力電子電源裝置，該裝置從接觸網供電臂上取電，或從外部電源取電，并獨立向接觸網中性段供電，當電力機車到達中性段時，該裝置能夠實現柔性移相、電壓調整、穩壓和限流等功能，使得機車運行到分相區時，逐漸實現相位轉換，達到與前進方向的變電所饋線的相位一致。

本發明的優點是：1、實現了電氣化鐵道牽引供電系統的同相供電。2、柔性控制。過分相時對機車的影響平穩，系統安全可靠，提高了機車過分相時的安全性；3、適應性廣。適合各種速度和各種長度的動車、電力機車；4、直接監測機車的受電弓，無需在地面設置計軸裝置而監測整列列車。5、由于過分相處只能由一輛機車通過，柔性相位變換裝置只向一臺通過分相的機車供電。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，對現有電氣化牽引供電系統的改造很小，因此，工程成本低。

附圖說明：

圖1是本發明的架構圖。

圖2是柔性相位變換裝置回路圖。

圖3是一種機車受電弓位置檢測回路圖。

具體實施方式：

一種用于電氣化鐵道的柔性同相供電方法，在兩個相鄰的牽引變電所設置分相區且在分相處設置一套柔性相位變換裝置，該裝置的電源取自其中一側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車的位置有關，在機車進入中性段前，使得中性段的相位與機車后面的接觸網供電臂相位一致，當機車進入中性段后，柔性相位變換裝置的輸出在每個周波增加一個相位角，這樣，經過幾個周波的變換，逐步使中性段的相位變換成機車前進方向的接觸網供電臂的相位。

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)經饋線斷路器(4)向接觸網供電臂(6)供電，牽引變電所2(2)經饋線斷路器(5)向接觸網供電臂(7)供電，接觸網供電臂(6)經分段絕緣器(10)與中性段(14)相連，供電臂(7)經分段絕緣器(11)與中性段(14)相連。接觸網供電臂(6)上連接監測裝置(8)用于監測供電臂(6)的電流和電壓信號，接觸網供電臂(7)上連接監測裝置(9)用于監測供電臂(7)的電流電壓信號；柔性相位變換裝置(3)經過斷路器(12)與接觸網供電臂(6)相連并經斷路器(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)的兩個輸出端連接至電抗型升壓輸出變壓器(33)原邊的兩個輸入端，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)的負載供電；

所述控制裝置由一套監控單元(22)、一套DSP控制單元(21)和一組功率驅動模塊(20)組成，監控單元(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)與功率驅動模塊(20)之間通過光纖通信；功率驅動模塊(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，實現對交直交移相模塊(31)的控制；DSP控制單元(21)與監測裝置(8)和監測裝置(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，用于接收被連接設備的電流和電壓數據；監控單元(22)與斷路器(12)、斷路器(13)連接，實現柔性相位變換裝置(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)輸出的直流環節的正極回路中串聯一臺電抗器，在正、負極之間并聯一組電解電容和高頻電容、二極管、IGBT電子開關和電阻，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的一個典型的柔性同相供電區間，一條電氣化鐵道牽引供電系統可以由若干個典型的柔性同相供電區間組成。

一、柔性同相供電系統方法的實施方式:

如圖1所示：一種柔性同相供電系統方法，設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、相位隨著機車受電弓的位置柔性調整，當前進中的機車位于供電臂(6)時，柔性相位變換裝置(3)的輸出狀態處于初始狀態，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，中性段(14)也和供電臂(6)電壓波形、相位和幅值相同。當機車受電弓進入到中性段(14)后并在離開中性段(14)區域前，柔性相位變換裝置(3)按照每一個周波柔性增加一個相位，逐漸調整輸出電壓的相位，直至與供電臂(7)的相位相同，也就是說，通過多個周波緩慢的過渡，實現了柔性相位變換裝置(3)與變電所(2)同相供電。在柔性變換調整過程中，幅值和波形這始終不變，機車電源基本平穩的條件下，順利通過分相區。在機車通過分相區后，柔性相位變換裝置(3)的相位又恢復到了初始狀態。

本裝置始終接入監測裝置(8)和監測裝置(9)，監測裝置始終監測供電臂(6)和供電臂(7)上的電壓和電流數值，輸出端連接有一臺單相電壓傳感器(37)，該電壓傳感器(37)輸出連接到功率驅動模塊(20)，功率驅動模塊(20)始終動態監測著監測裝置(8)、監測裝置(9)和單相電壓傳感器(37)的三個點的電壓波形、相位和幅值，根據按照上述邏輯，根據機車受電弓的位置，決定著柔性相位變換裝置(3)的輸出。

二、機車受電弓位置監測的實施方式：

機車受電弓位置的監測，是通過監測裝置(8)和輸入電流互感器(34)配合實現的。監測裝置(8)將電流和電壓信號傳輸到DSP控制單元(21)，輸入電流互感器(34)也經過導線(27)將電流信號輸入到DSP控制單元(21)。當電力機車(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)側的方向行駛時，有兩種方式實現機車受電弓的位置監測：

方式一，如圖1和圖2所示，當受電弓經過監測裝置(8)后但沒有到達入段斷口的分段絕緣器(10)時，監測裝置(8)中的電流互感器監測到電流信號，表明電力機車負載尚未到達中性段(14)，而如果監測裝置(8)與輸入電流互感器(34)電流值相同時，則表明電力機車的受電弓已經完全進入到了中性段(14)內。

方式二，如圖3所示的，在輸入端側的接觸網供電臂(6)安裝一段機車位置監測導線(39)與接觸網供電臂(6)平行，監測裝置(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線(39)相連，而另一端與鋼軌(25)相連，當電力機車的受電弓(17)在進入中性段(14)前觸及到該段接觸導線時，受電弓(17)將接觸網供電臂(6)和機車位置監測導線(39)連接到一起，因此監測裝置(8)中的電壓互感器(38)受電，這樣也能監測到電力機車的受電弓尚未進入中性段(14)的信號，而當電壓互感器(38)沒有電壓信號，同時輸入電流互感器(34)有電流信號時，則表明電力機車負載已經進入了中性段。

在電力機車(15)遠離中性段后，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，表明電力機車負載已經不在中性段了。也可以在中性段外側設置一段接觸導線(40)，實現機車位置監測功能。

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，當同時接收到電壓互感器(38)和輸入電流互感器(34)的電流信號后，DSP控制單元(21)根據程序啟動功率驅動模塊(20)執行柔性移相程序；該柔性移相程序為，接收裝置監測裝置(8)、監測裝置(9)以及電壓互感器(37)的波形信號進行跟蹤判斷，并通過柔性移相、調壓和穩壓，通過PWM或SPWM調制變換，使輸出端最終的電壓波形達到和接觸網供電臂(6)中的一致；作用二，當DSP控制單元(21)監測到來自電壓互感器(38)和輸入電流互感器(34)的值超出相關移相回路允許耐受的范圍時，立即向功率驅動模塊(20)發出封鎖PWM或SPWM調制信號、關斷全控逆變橋(30)、斷開斷路器(12)和斷路器(13)，并通知監控單元(22)等。

本裝置的第二種工況是：當DSP控制單元(21)監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，立即向功率驅動模塊(20)發出封鎖PWM或SPWM調制信號、關斷全控逆變橋(30)、斷開斷路器(12)和斷路器(13)，并通知監控單元(22)。監控單元(22)接收到該信息后，經過一段時間，再次命令斷路器(12)和斷路器(13)，并執行預定好的同樣的程序，如果裝置再次短路，則監控單元(22)命令DSP控制單元(21)關斷全控逆變橋(30)，通過監控單元(22)的保護斷開輸入端和輸出端所接電網的電源。如果發生交直交移相模塊元件損壞等故障時，通過監控單元啟動越區供電，即斷開斷路器(5)，并由牽引供電系統設施實現從變電所1到變電所2饋線斷路器(5)的線路側的供電。