本發(fā)明涉及一種基于電氣化鐵路設(shè)備的無(wú)線取能低壓電源系統(tǒng)，屬于鐵路電氣技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電氣化鐵路需要對(duì)鋼軌、路基、接觸網(wǎng)及周邊環(huán)境等進(jìn)行適當(dāng)監(jiān)控并具備通訊能力，特別是有大量的路段環(huán)境復(fù)雜還需進(jìn)行防災(zāi)監(jiān)控。在漫長(zhǎng)的鐵路沿線中，雖有接觸網(wǎng)在內(nèi)的高電壓供電設(shè)備，卻往往沒有低壓電源提供。而監(jiān)控及通訊設(shè)備通常使用低壓電源供電，因此此類設(shè)備無(wú)法接入，極大地限制了現(xiàn)代化鐵路自動(dòng)化與信息化水平的進(jìn)一步提高與改善。

非電網(wǎng)供電的電源獲取方式有多種，比較常見的有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。然而此類綠色電源受制于外部天氣與氣候因素，比如光照強(qiáng)度、霧霾、溫度、風(fēng)力、雨雪等等，具有間歇性、隨機(jī)性發(fā)電的特點(diǎn)。由于光伏及風(fēng)電自身弱點(diǎn)，因而如需提供優(yōu)質(zhì)可靠的電源尚需采取大量措施進(jìn)行彌補(bǔ)。光伏或風(fēng)電等綠色電源的非電網(wǎng)供電的電源獲取方式受當(dāng)?shù)丨h(huán)境及氣候影響很大，而鐵路覆蓋地區(qū)幅員廣闊，地理環(huán)境復(fù)雜，甚至沒有條件實(shí)施此類綠色能源的安裝與使用。

公告號(hào)CN203537081公開了一種非接觸式供電系統(tǒng)，采用隔離變壓器方案進(jìn)行能量獲取，“解決非接觸式供電系統(tǒng)不能提供交流電的問(wèn)題”，“尤其涉及一種最終可輸出設(shè)備所需交流電的新型非接觸式供電系統(tǒng)”。此專利“包括供電側(cè)電路和取電側(cè)電路”，供電側(cè)電路連接交流電源經(jīng)隔離變壓器后整流(第一整流單元)并逆變(第一逆變單元)為交流電再輸出給取電側(cè)電路。取電側(cè)電路通過(guò)取電側(cè)變壓器與供電側(cè)電路輸出連接，并進(jìn)行后續(xù)處理得到需要的交流輸出。此專利電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且從能量取得方式看，需具備交流電的輸入源即需拉接電纜獲得能量，后續(xù)通過(guò)變壓器進(jìn)行隔離完成非接觸式電能獲得，不適用于高電壓工作下的電氣化鐵路進(jìn)行能量獲取。

實(shí)際上，電氣化鐵路有大量電氣化設(shè)備可以利用獲取電能，完全可以由此獲得低壓電源，以解決電氣化鐵道沿線低壓電源獲取的技術(shù)問(wèn)題。不同于風(fēng)電與光伏等，本發(fā)明的取電方案不受天氣與氣候影響，對(duì)電氣化鐵路沿線的不拉線獲取電能提供了一個(gè)新思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，為了解決電氣化鐵道沿線全天候獲取低壓電源的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于電氣化鐵路設(shè)備的無(wú)線取能低壓電源系統(tǒng)，無(wú)需從電網(wǎng)拉接電力線纜供電的新型方案。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，本發(fā)明一種基于電氣化鐵路設(shè)備的無(wú)線取能低壓電源系統(tǒng)包括：

非拉接線纜隔離式取電單元，利用現(xiàn)有電氣化鐵路設(shè)備在無(wú)需額外拉接線纜的前提下完成無(wú)線電能獲取，并將交流整流成直流輸出；

直接功率變換單元，將非拉接線纜隔離式取電單元直流電進(jìn)行功率變換成所需的直流輸出給負(fù)載；

充電單元，用于對(duì)能量存貯裝置進(jìn)行充電；

電能存儲(chǔ)裝置，存貯能量；

放電單元，將電能存貯裝置存貯的電能進(jìn)行變換得到期望的直流供給負(fù)載。

所述系統(tǒng)通過(guò)安裝在兩個(gè)現(xiàn)有的電氣化鐵路設(shè)備--扼流變壓器之間的中性線上的非拉接線纜隔離式取電單元，實(shí)現(xiàn)非接觸式能量收集，經(jīng)過(guò)整流及電氣控制，形成穩(wěn)定可靠的電源以供給其它負(fù)載。

所述非拉接線纜隔離式取電單元分別連接直接功率變換單元的輸入端及充電單元的輸入端；充電單元的輸出端連接電能存儲(chǔ)裝置；電能存儲(chǔ)裝置連接放電單元的輸入端；放電單元的輸出端連接負(fù)載；充電單元、電能存儲(chǔ)裝置、放電單元串聯(lián)構(gòu)成能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)；能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)與直接功率變換單元并聯(lián)；所述直接功率變換單元的輸入端與非拉接線纜隔離式取電單元的輸出端相連；所述直接功率變換單元的輸出端與負(fù)載相連。

所述非拉接線纜隔離式取電單元的取電方式，是在扼流變壓器組的中性線上加裝同型號(hào)開口式變?cè)驯鹊谝浑娏骰ジ衅髋c第二電流互感器，第一電流互感器與第二電流互感器的副邊輸出連接整流模塊，并根據(jù)此兩互感器輸出端連接整流模塊的數(shù)量與形式不同，分為單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路與雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路兩種。

所述單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路，將第一電流互感器與第二電流互感器的副邊按照輸出電壓順向串聯(lián)連接，再連接整流模塊的輸入端，整流模塊的輸出為本單元輸出U_C。

所述雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路，將第一電流互感器的副邊經(jīng)第一整流模塊整流輸出，第二電流互感器的副邊經(jīng)第二整流模塊整流輸出，并將此兩個(gè)整流輸出順向串聯(lián)得到雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元的輸出U_C。

本發(fā)明電路的非拉接線纜隔離式取電單元利用電氣化鐵路中由接觸網(wǎng)、機(jī)車、鋼軌、扼流變壓器和回流線等構(gòu)成的牽引回路中流過(guò)的大電流，通過(guò)安裝在兩個(gè)扼流變壓器之間的中性線上的開口式電流互感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式能量收集，同時(shí)該裝置在電路上對(duì)原有軌道電路沒有任何影響。從開口式電流互感器端口獲得電能，再進(jìn)行電氣控制之后，形成穩(wěn)定可靠的電源以供給其它負(fù)載。

所述非拉接線纜隔離式取電單元可采用兩種電路，其能量獲取原理相同，整流輸出的方式有差異，分別為單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路與雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路兩種。單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路的成本更低，需進(jìn)行辨別開口式電流互感器的同名端，且有利于低電壓的能量獲?。浑p整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路成本稍高但無(wú)需進(jìn)行辨別開口式電流互感器的同名端；實(shí)際所用電路可選擇其中一種。

本發(fā)明電路的直接功率變換單元，將非拉接線纜隔離式取電單元的直流輸入轉(zhuǎn)化成所需的直流電供給負(fù)載，此負(fù)載一般為低壓電子電氣負(fù)載。

本發(fā)明電路的充電單元，完成給電能存儲(chǔ)裝置充電的功能，其輸入端與非拉接線纜隔離式取電單元的輸出端相連接。

本發(fā)明電路的電能存儲(chǔ)裝置采用超級(jí)電容或是蓄電池或者兩者的結(jié)合，其同時(shí)與充電單元輸出端及放電單元的輸入端相連。

本發(fā)明電路的放電單元，將電能存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化成希望的直流輸出，由于電能存儲(chǔ)裝置的電壓變化范圍較大，可以采用寬電壓輸入范圍的電路拓?fù)?，比如反激式電路拓?fù)?，為了系統(tǒng)可以有較高效率，可采用同步整流方式。具體根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定，其設(shè)計(jì)與一般開關(guān)電源方案類似，此處不再給出具體電路。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明一種基于電氣化鐵路設(shè)備的無(wú)線取能低壓電源系統(tǒng)；此低壓電源系統(tǒng)充分利用電氣化鐵路自身設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量獲取，無(wú)需拉接線纜且無(wú)需改造現(xiàn)有設(shè)備，當(dāng)有電氣化機(jī)車經(jīng)過(guò)時(shí)，就可獲取能量，可以全天候工作；同時(shí)系統(tǒng)具備充電與儲(chǔ)能能力，以確保系統(tǒng)沒有能量輸入的情況下仍能持續(xù)工作。此低壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用。低壓電源系統(tǒng)具備高可靠性與高效率，解決了目前電氣化鐵路沿線不拉接電纜而獲得低壓電源的問(wèn)題。系統(tǒng)好地提供優(yōu)質(zhì)直流電源供給電氣與電子設(shè)備使用，并通過(guò)這類設(shè)備的投入運(yùn)行進(jìn)而大大提高電氣化鐵路系統(tǒng)整體可靠性與信息化水平，控制與監(jiān)控手段也將更靈活。

本發(fā)明的應(yīng)用并不僅限于得到直流電源，也可以用于獲得穩(wěn)定的交流電源，本發(fā)明不限于電氣化鐵路系統(tǒng)應(yīng)用，還可應(yīng)用于其它類似場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1為電氣化鐵路關(guān)聯(lián)設(shè)備工作原理示意圖；

圖2為本發(fā)明單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路工作原理圖；

圖3為本發(fā)明雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路工作原理圖；

圖4為本發(fā)明一種基于電氣化鐵路設(shè)備的無(wú)線取能低壓電源系統(tǒng)的原理框圖；

圖中，非拉接線纜隔離式取電單元、直接功率變換單元、充電單元、電能存儲(chǔ)裝置、放電單元構(gòu)成本發(fā)明基于電氣化鐵路設(shè)備的非接觸式取電低壓電源系統(tǒng)；充電單元、電能存儲(chǔ)裝置、放電單元構(gòu)成能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)；能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)與直接功率變換單元并聯(lián)，其輸入端與非拉接線纜隔離式取電單元輸出端連接，其輸出端與負(fù)載連接。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是電氣化鐵路關(guān)聯(lián)設(shè)備工作原理示意圖。

在電氣化牽引區(qū)段，為了保證牽引電流順利流過(guò)絕緣節(jié)，在軌道電路的發(fā)送端、接受端設(shè)置扼流變壓器，軌道電路設(shè)備通過(guò)扼流變壓器接向軌道，并傳遞信號(hào)信息。扼流變壓器對(duì)牽引電流的阻抗很小，而對(duì)信號(hào)電流的阻抗很大，沿著兩鋼軌流過(guò)的牽引電流在軌道絕緣節(jié)處，因上、下線圈中產(chǎn)生的磁通相等但方向相反，總磁通等于零，其對(duì)次級(jí)線圈的信號(hào)設(shè)備沒有任何影響。第一扼流變壓器與第二扼流變壓器構(gòu)成一組扼流變壓器組。

當(dāng)電氣化機(jī)車在某段鋼軌上運(yùn)行時(shí)，機(jī)車從接觸網(wǎng)上獲得牽引電流并流入兩根鋼軌，并且i₁經(jīng)第一扼流變壓器的原邊1-3端口，i₂經(jīng)扼流變壓器1的原邊2-3端口經(jīng)中間連接線，一面流入另一個(gè)第二扼流變壓器的原邊3-1端口和原邊3-2端口后經(jīng)鋼軌回流，另一面流入N經(jīng)回流線回流。第一扼流變壓器、2的副邊4-5均用于軌道電路，與本發(fā)明相關(guān)電路無(wú)關(guān)。

圖2為單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路工作原理圖。

圖3為雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路工作原理圖。

圖2圖3均為非拉接線纜隔離式取電單元電路，其能量獲取原理相同，而整流輸出聯(lián)結(jié)方式有差別，使用中可選擇其中一種。

本發(fā)明實(shí)施例利用電氣化鐵路的已有設(shè)備獲取能量，接觸網(wǎng)、機(jī)車、鋼軌、扼流變壓器和回流線等構(gòu)成的牽引回路中流過(guò)的大電流，通過(guò)安裝在兩個(gè)扼流變壓器之間的中性線上開口式電流互感器CT，實(shí)現(xiàn)牽引回流的非接觸式能量收集，同時(shí)該裝置在電路上對(duì)原有軌道電路沒有任何影響。從電流互感器CT端口獲得電能，再進(jìn)行電氣控制之后，形成穩(wěn)定可靠的電源以供給其它負(fù)載。

當(dāng)電力機(jī)車經(jīng)過(guò)鐵路沿線，對(duì)于第一扼流變壓器將有電流i₁流過(guò)原邊上側(cè)端口1→原邊中心點(diǎn)3→扼流變壓器組的中性點(diǎn)N、電流i₂流過(guò)原邊下側(cè)端口2→原邊中心點(diǎn)3→扼流變壓器組的中性點(diǎn)N，因而在扼流變壓器中性線將有電流i＝i₁+i₂流過(guò)，在第一扼流變壓器中性線上加裝開口式電流互感器CT1獲取電能。與此類似，在第二扼流變壓器中性線將有電流i’＝i’₁+i’₂流過(guò)，在第二扼流變壓器中性線上加裝開口式電流互感器CT2獲取電能。i與i’電流方向相反。

對(duì)于單一整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路，將第一電流互感器CT1與第二電流互感器CT2的副邊按照輸出電壓順向串聯(lián)連接，再連接整流模塊的輸入端，整流模塊的輸出為本單元輸出U_C。

對(duì)于雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元電路，將第一電流互感器CT1的副邊經(jīng)第一整流模塊整流輸出，第二電流互感器CT2的副邊經(jīng)第二整流模塊整流輸出，并將此兩個(gè)整流輸出順向串聯(lián)得到雙整流模塊的非拉接線纜隔離式取電單元的輸出U_C，第一整流模塊與第二整流模塊采用相同設(shè)計(jì)。

所述整流模塊均由全橋整流橋及LC低通濾波器構(gòu)成，整流模塊的輸出U_C即為非拉接線纜隔離式取電單元的輸出。具備相關(guān)專業(yè)能力的技術(shù)人員均能設(shè)計(jì)整流模塊，此處不再給出具體電路。第一電流互感器CT1與第二電流互感器CT2均為開口式電流互感器且采用相同設(shè)計(jì)或選用相同型號(hào)。

需要指出的是，注入扼流變壓器的電流大小因列車與其距離的變化而變化，且電流大小還受到當(dāng)時(shí)列車受電電流及鋼軌、回流線和道床等多種因素影響，因而在電流互感器CT副邊的出口電壓是變化量。電流互感器CT采用變?cè)驯确桨?，以抑制出口電壓變化范圍，隨著電流i增加，減小副邊/原邊的匝數(shù)比以使輸出電壓變化小些，即第一電流互感器CT1與第二電流互感器CT2均為變?cè)驯乳_口式電流互感器。

圖4是本發(fā)明一種基于電氣化鐵路設(shè)備的無(wú)線取能低壓電源系統(tǒng)的原理框圖。

本實(shí)施例低壓電源系統(tǒng)實(shí)際可分為三個(gè)部分，非拉接線纜隔離式取電單元、直接功率變換單元與能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)，其中能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)由充電單元、電能存儲(chǔ)裝置、放電單元構(gòu)成。非拉接線纜隔離式取電單元利用電氣化鐵路自身設(shè)備獲取能量并進(jìn)行整流濾波；直接功率變換單元進(jìn)行直接功率變換以提供負(fù)載能量；能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)進(jìn)行能量存儲(chǔ)并在無(wú)能量輸入時(shí)給負(fù)載提供能量，它與直接功率變換子系統(tǒng)相互獨(dú)立工作，相互冗余，提高系統(tǒng)可靠性。

非拉接線纜隔離式取電單元的輸出電壓變化范圍較大，為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，系統(tǒng)在進(jìn)行整流后需進(jìn)行后續(xù)處理，其中包括直接功率變換單元與能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)。由于電流i變化范圍較大，從零到數(shù)百安培甚至上千安培，因而電流互感器CT雖然采用了變?cè)驯确桨傅渥兓秶匀惠^大，故整流得到的直流電壓也是變化值。

直接功率變換單元是非拉接線纜隔離式取電單元的后續(xù)單元，將輸入電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的穩(wěn)定直流電壓輸出。由于其為寬電壓輸入，因而此單元需選擇適合寬電壓輸入的電路拓?fù)?，考慮到能量獲取的不易，提高系統(tǒng)效率，采用高效率拓?fù)洌罱K選擇反激式同步整流電路。

充電單元與直接功率變換單元相同，充電單元也有寬電壓輸入條件下的電壓輸出控制問(wèn)題并考慮系統(tǒng)效率，需選擇合適的電路拓?fù)?，比如反激式同步整流電路?/p>

電能存儲(chǔ)裝置可以選用超級(jí)電容或蓄電池或超級(jí)電容+蓄電池，鑒于本電源系統(tǒng)實(shí)際工作需求特別是考慮到低溫工作及快速充電需要，優(yōu)先選用超級(jí)電容，其次選用蓄電池。

放電單元完成將電能存儲(chǔ)裝置的能量變換成負(fù)載所需輸出電壓的任務(wù)。當(dāng)沒有電力機(jī)車途經(jīng)沿線時(shí)或其它原因?qū)е轮苯庸β首儞Q電路不能滿足負(fù)載功率需求時(shí)，將電能儲(chǔ)存裝置的能量進(jìn)行釋放，提供穩(wěn)定直流電源。出于相同考慮，放電單元采用反激式同步整流電路。

充電單元、電能存儲(chǔ)裝置、放電單元構(gòu)成能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)。電能存儲(chǔ)裝置的端口電壓會(huì)隨著工況的不同而變化，當(dāng)充電時(shí)，電壓上升，當(dāng)放電時(shí)，電壓下降。由于超級(jí)電容或蓄電池的過(guò)充或過(guò)放電將會(huì)嚴(yán)重影響其壽命，故加入過(guò)壓保護(hù)以免過(guò)充；加入荷電容量狀態(tài)SOC過(guò)低保護(hù)或低電壓保護(hù)以免過(guò)放，如采用超級(jí)電容作為電能存儲(chǔ)裝置，當(dāng)超級(jí)電容端口電壓低于50％的自身額定電壓時(shí)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)然可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修正電壓保護(hù)值。