一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统和方法与流程

1.本发明涉及高速铁路技术领域，尤其涉及一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统和方法。


背景技术：

2.高速铁路，简称高铁，是指设计标准等级高、可供列车安全高速行驶的铁路系统。中国铁路在速度方面上分了高速铁路（250-380km/h）、快速铁路（160-250 km/h）、普速铁路（80-160 km/h）三级。中国高速铁路全部采用高铁级，快速铁路则以中高标准的国铁ⅰ级为主，低标准的高铁级为辅。高铁级和国铁ⅰ级分别位于我国铁路等级（技术等级）中的第一二位。
3.电气化铁路是当代最重要的一种铁路类型，沿途设有大量电气设备为电力机车（含动车组和非动车组）提供持续的动力能源。电力机车本身不带能源，所需电能由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是由牵引变电所和接触网（或供电轨）两大部分组成。
4.通常情况下，为保证行驶安全，高速列车的实际运行速度会低于其设计的极限速度，在线路提速和列车的研制升级过程中，需要通过冲高试验来检测列车在极限高速情况下的空气动力学特性、机械稳定性和电气安全性。由于高铁干线的建设成本高昂，且考虑到后续的实际应用，因此，冲高试验通常是在既有线路上进行，这就对既有线路的牵引供电系统的瞬时供电的性能、安全性和稳定性提出了调整。
5.现有技术中存在对冲高试验的电力系统进行改进的技术方案，例如，cn113415213a公开了一种高铁接触网250km/h通用无交叉线岔适应350km/h提速改造方法，具体公开了：“在始触区900~950mm范围内，侧线加装1根吊弦，减少始触区内侧线驰度，使该吊弦处侧线接触线相对于正线接触线抬高30~50mm，并调整其余侧线整体吊弦高差，使a柱至b柱间的侧线接触线均匀抬高”；但是，该技术方案仅仅是对无交分线岔局部进行优化调整，改善了接触特性，并未能对电气系统进行改进。cn208721397u公开了一种高铁齿轮箱高速试验台，具体公开了利用高速试验台对机车的机械性能进行测试，能够保证变频加载电机的安全，但是，该技术方案仍然属于台架试验，无法对真实运行环境进行高仿真的模拟。
6.由此可见，现有技术主要存在以下技术问题：1、针对高铁列车的台架试验，由于通常设置在实验室内，具有较高的的试验安全性和充足的实验装备，因此可以进行针对机械结构的冲高试验，例如检测论价、轴承等机械设备在高速情况下的振动特性，但是，针对电气设备的测试效果不佳，无法准确模拟真实运行线路的电气特性，造成台架试验的数据对真实环境的指导意义较弱。
7.2、由于高铁列车在高速运行时所需功率与试验速度约成平方关系，因此，高速列车的实跑冲高试验，对既有路线的负载压力较大，存在功率稳定性不佳、电弧击穿风险较大等危险。
8.3、基于既有线路的冲高试验，如果需要对既有线路的交流接触网进行改造，则需要对牵引网、变电所进行相应的改造，存在改造成本较高，后续使用率低等问题。
9.4、现有的冲高试验中，通常是直接对接触网进行功率加载，且为线性加载，在高功率区的稳定性不足。


技术实现要素：

10.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统。
11.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统，其特征在于，包括直流发电设备、直流蓄能装置、两路配电器、第三轨、车载受电器；所述两路配电器具有第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子向经第三轨向机车书输出直流电，所述第二输出端子经接触网向机车输出交流电；所述两路配电器基于预设的加载曲线，调整所述第一输出端子和第二输出端子的输出功率，且满足以下公式：式中，为davis公式，a为惯性阻力，b为滚动阻力系数，c为气动阻力系数，v为机车速度，为牵引电机的能量转化效率，为牵引电机逆变器的逆变效率，接触网传输效率，为第三轨传输效率，为变电所输出功率，和分别为所述两路配电器的第一输出端子和第二输出端子的输出功率；并且满足以下公式：；式中，为所述第二输出端子的基准功率，交流加载系数。
12.所述随试验时间单调递增，所述随试验时间先增后减，并在机车速度达到预定极值后减为零。
13.进一步的，或。
14.进一步的，所述两路配电器包括直流分流器、dc-dc变换器、dc-ac逆变器。
15.进一步的，所述dc-dc变换器设置于所述直流分流器与所述第一输出端子之间；所述dc-ac逆变器设置于所述直流分流器与所述第二输出端子之间；所述dc-ac逆变器具有连接至变电所的检测端子，所述检测端子确定变电所输出交流电的电压和相位，使所述第二输出端子输出同压同相的交流电。
16.进一步的，所述第三轨包括供电支架和挂设在所述供电支架下方的柔性直流接触网；所述车载受电器包括直流受电架、直流集电靴和直流并路器，所述直流受电架安装在车架的侧下方，所述直流集电靴安装在直流受电架端部，所述直流集电靴与所述直流并路器的一个输入端子连接；所述直流并路器的另一个输入端子与机车逆变器的输出端子连接。
17.进一步的，所述柔性直流接触网通过钢索吊设于第三轨的横向支架下方，所述直流受电架可以在车体一侧伸缩。
18.进一步的，所述直流集电靴通过压力传感器连接于所述直流受电架的端部，当所述直流受电架伸展时，其端部的直流集电靴从下部与柔性直流接触网接触，并使所述柔性
直流接触网发生弯曲，使所述压力传感器的检测值保持在预设范围内。
19.一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电方法，基于所述的适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统实施，其特征在于，包括以下步骤：s1：确定冲高试验机车的惯性阻力、滚动阻力系数和气动阻力系数，构建试验用机车的davis公式；确定试验用“速度-时间曲线”；确定两路配电器的第二输出端子的协同交流加载曲线，所述协同交流加载曲线满足以下公式：；式中，为所述第二输出端子的基准功率，交流加载系数；完成直流蓄能装置的充能；s2：机车升弓，利用既有接触网将机车启动至试验初始速度，发出试验开始指令；s3：根据预设的协同交流加载曲线，通过第二输出端子向接触网输出交流功率；通过第一输出端子向第三轨输出直流功率，所述交流功率和直流功率满足以下公式：式中，为davis公式，a为惯性阻力，b为滚动阻力系数，c为气动阻力系数，v为机车速度，为牵引电机的能量转化效率，为牵引电机逆变器的逆变效率，接触网传输效率，为第三轨传输效率，为变电所输出功率，和分别为所述两路配电器的第一输出端子和第二输出端子的输出功率；s4：确定机车实际速度是否达到阶段预设值，若否，则增大所述第一输出端子的直流功率；若是，在确定各系统正常的情况下，增大所述第二输出端子的交流功率。
20.本发明的有益效果在于：1、本发明相对于台架试验，提供了一种实际场地的高铁冲高试验的协同牵引供电系统，具体来说，本发明基于既有的交流牵引网，设置了直流的第三轨，利用高铁供电时“交-直-交”的特性，利用第三轨直接接入直流电，可以保证直流电的功率输入稳定，避免了直接在接触网上施加大功率交流电时可能产生的波动电磁波以及电弧击穿的问题。
21.2、本发明利用柔性接触的直流线路，基于接触压力来传输直流功率，相对于传统的石墨集电靴直接接触刚性送电轨的方案，具有更高的接触稳定性，不容易发生颠簸跳断的情况，且该接触方法的接触摩擦较小，可以实现高速情况下的稳定送电。
22.3、本发明基于davis 公式确定机车所需的牵引功率，并且将牵引电机的能量转化效率、牵引电机逆变器的逆变效率、接触网传输效率和第三轨传输效率以系数的形式纳入计算，提供了对于牵引功率的判断准确性。
23.4、本技术设置了按时间的平方或立方根增大的交流加载系数，相对于线性加载，可以使交流系统在高功率区具有更平稳的功率增量，提高了记载稳定性，保留了充足的特情处置时间。
24.5、本发明采用外接电源协同供电的方式，两路配电器直接向接触网或机车输出功率，无需对变电所的输出功率进行调整，提高了系统稳定性，减少了对既有电网的干扰。
附图说明
25.图1为现有技术的牵引网结构示意图；图2为本发明牵引系统结构示意图；图3为现有技术的直流-交流转换示意图；图4为本发明的直流-交流转换示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.参照图1-4，一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统，其特征在于，包括直流发电设备、直流蓄能装置、两路配电器、第三轨、车载受电器；所述两路配电器具有第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子向经第三轨向机车书输出直流电，所述第二输出端子经接触网向机车输出交流电；所述两路配电器基于预设的加载曲线，调整所述第一输出端子和第二输出端子的输出功率，且满足以下公式：式中，为davis公式，a为惯性阻力，b为滚动阻力系数，c为气动阻力系数，v为机车速度，为牵引电机的能量转化效率，为牵引电机逆变器的逆变效率，接触网传输效率，为第三轨传输效率，为变电所输出功率，和分别为所述两路配电器的第一输出端子和第二输出端子的输出功率；并且满足以下公式：；式中，为所述第二输出端子的基准功率，交流加载系数。
28.进一步的，或。
29.进一步的，所述两路配电器包括直流分流器、dc-dc变换器、dc-ac逆变器。
30.进一步的，所述dc-dc变换器设置于所述直流分流器与所述第一输出端子之间；所述dc-ac逆变器设置于所述直流分流器与所述第二输出端子之间；所述dc-ac逆变器具有连接至变电所的检测端子，所述检测端子确定变电所输出交流电的电压和相位，使所述第二输出端子输出同压同相的交流电。
31.进一步的，所述第三轨包括供电支架和挂设在所述供电支架下方的柔性直流接触网；所述车载受电器包括直流受电架、直流集电靴和直流并路器，所述直流受电架安装在车架的侧下方，所述直流集电靴安装在直流受电架端部，所述直流集电靴与所述直流并路器的一个输入端子连接；所述直流并路器的另一个输入端子与机车逆变器的输出端子连接。
32.进一步的，所述柔性直流接触网通过钢索吊设于第三轨的横向支架下方，所述直流受电架可以在车体一侧伸缩。
33.进一步的，所述直流集电靴通过压力传感器连接于所述直流受电架的端部，当所述直流受电架伸展时，其端部的直流集电靴从下部与柔性直流接触网接触，并使所述柔性
直流接触网发生弯曲，使所述压力传感器的检测值保持在预设范围内。
34.一种适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电方法，基于所述的适用于高速铁路冲高试验的协同牵引供电系统实施，其特征在于，包括以下步骤：s1：确定冲高试验机车的惯性阻力、滚动阻力系数和气动阻力系数，构建试验用机车的davis公式；确定试验用“速度-时间曲线”；确定两路配电器的第二输出端子的协同交流加载曲线，所述协同交流加载曲线满足以下公式：；式中，为所述第二输出端子的基准功率，交流加载系数；完成直流蓄能装置的充能；s2：机车升弓，利用既有接触网将机车启动至试验初始速度，发出试验开始指令；s3：根据预设的协同交流加载曲线，通过第二输出端子向接触网输出交流功率；通过第一输出端子向第三轨输出直流功率，所述交流功率和直流功率满足以下公式：式中，为davis公式，a为惯性阻力，b为滚动阻力系数，c为气动阻力系数，v为机车速度，为牵引电机的能量转化效率，为牵引电机逆变器的逆变效率，接触网传输效率，为第三轨传输效率，为变电所输出功率，和分别为所述两路配电器的第一输出端子和第二输出端子的输出功率；s4：确定机车实际速度是否达到阶段预设值，若否，则增大所述第一输出端子的直流功率；若是，在确定各系统正常的情况下，增大所述第二输出端子的交流功率。
35.进一步的，所述第三轨可进行非破环性拆卸。
36.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
37.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。