基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統的制作方法
【專利摘要】一種基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，包括降壓變壓器、高壓MMC整流電路、逆變電路和降壓斬波電路，降壓變壓器的輸入端與三相交流相連，降壓變壓器的輸出端與高壓MMC整流電路相連，高壓MMC整流電路的輸出端連接有直流輸電電纜；降壓斬波電路的輸入端通過第二開關組件與直流輸電電纜相連，降壓斬波回電路的輸出端通過第四開關組件與牽引系統相連；逆變電路的輸入端通過第三開關組件與直流輸電電纜相連，逆變電路的輸出端通過第五開關組件與牽引系統相連；第四開關組件與第三開關組件、第五開關組件為互鎖關系。本發(fā)明具有功能集成度高、適用范圍廣、安全性好、供電可靠性好等優(yōu)點。
【專利說明】基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統
【技術領域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到電力牽引技術的供電領域，特指一種基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統。
【背景技術】
[0002]我國電力牽引以其高效、快捷、節(jié)能的特點正更加廣泛地應用于鐵路、城市軌道交通領域。利用新技術改造傳統產業(yè)，加快鐵路電氣化改造進程，兼顧地鐵建設，要成網、成片考慮，以充分發(fā)揮電力牽引拉得多、跑得快的潛力，并較大幅度提高國有資源的利用率已成為當今行業(yè)關注的重點。
[0003]我國電氣化鐵道、城市軌道交通所使用的電能均由國家電力部門發(fā)電廠供給，為了減少輸電過程中的電能損失，把電壓升至110 kV或220 kV(正在向500 kV超高壓輸電方向發(fā)展)以后，再通過輸電線路送到牽引變電所，再經過牽引變壓器直接給電力機車接觸網供電；由于電壓等級和電流制的不同，電力機車牽引供電系統和城市軌道交通車輛牽引供電系統大都采用各自獨立的單制式供電:鐵路電力機車為27.5kV工頻單相交流電，地鐵、輕軌采用1500V/750V直流電。
[0004]傳統的交流牽引供電系統通常由三相的高壓交流電通過輸電線路送到牽引變電所，再經過牽引變壓器直接給機車接觸網供電，高壓交流輸電距離長，存在輸電損耗大、對系統存在一定的充電無功、牽引變壓器設計復雜、機車過分相以及因電氣化鐵道產生的負序和高次諧波。等多種不良問題；對于DC1500V/750V系統，由于采用的大功率整流電路作為列車牽引動力以及大量中高壓長距離電纜導致充電無功較大等因素，因功率因數過低而額外支付大量功率因數調整電費的現象日漸突出。
[0005]牽引變壓器的種類較多，較常用的有:單相V/V結線變壓器、三相Yn/dl I雙繞組變壓器以及斯科特結線變壓器等。其中，單相V/V結線變壓器的主結線較簡單，設備較少，投資較省，但當一臺牽引變壓器故障時，另一臺必須跨相供電，即兼供左右兩邊供電臂的牽引網，此時需一個倒閘過程，且隨之增大對電力系統的負序影響。三相Yn/dll雙繞組變壓器在我國采用時間長，制造相對簡單，價格便宜，但牽引變壓器容量不能得到充分利用，主接線也相對度復雜，工程投資也較多。斯科特結線變壓器可實現對接觸網兩邊供電，在一定條件下牽引變壓器容量可全部利用；但制造難度較大，造價高，主接線復雜，且其原邊T接地電位隨負載變化而產生漂移，嚴重時可能引起電力系統零序電流繼電保護誤動作，對鄰邊平行通信線產生干擾。
[0006]對于城軌直流牽引供電系統，整流機組的存在加大了牽引變電所的復雜性。直流牽引電動機額定電壓受到換向條件限制不能太高，即牽引網電壓很難進一步提高，這就要求牽引網輸送大量電流來供應城軌車輛。牽引電流的增大也就加大了接觸網導線截面，此時應選取適應較大電流的接觸線和承力索，牽引網電壓損失和電能損失相應增大。
[0007]有從業(yè)者提出一種電力機車與城軌車輛雙制式牽引供電系統，在比較分析牽引變壓器利用率、造價以及對電力系統負序影響等因素基礎上，設計了一種交流牽引采用YN，dll結線的牽引變電所，利用交流備用IOkV電源建立直流牽引站的雙制式牽引供電方案，諧波影響小，投資成本較低。但整流機組的存在加大了牽引變電所的復雜性，裝置輸出特性影響直流牽引供電系統的可靠性。另外，直流牽引電動機額定電壓受到換向條件限制不能太高，即牽引網電壓很難進一步提高，這就要求牽引網輸送大量電流來供應城軌車輛，這就會受限于備用電源容量。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種功能集成度高、適用范圍廣、安全性好、供電可靠性好的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統。
[0009]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:
一種基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，包括降壓變壓器、高壓MMC整流電路、逆變電路和降壓斬波電路，所述降壓變壓器的輸入端與三相交流相連，所述降壓變壓器的輸出端與高壓MMC整流電路相連，所述高壓MMC整流電路的輸出端連接有直流輸電電纜；所述降壓斬波電路的輸入端通過第二開關組件與直流輸電電纜相連，所述降壓斬波電路的輸出端通過第四開關組件與牽引系統相連；所述逆變電路的輸入端通過第三開關組件與直流輸電電纜相連，所述逆變回路的輸出端通過第五開關組件與牽引系統相連；所述第四開關組件與第三開關組件、第五開關組件為互鎖關系。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進:所述降壓變壓器為用來將三相交流110kV/220kV/500kV降壓成實際所需電壓等級。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進:當地鐵/輕軌運行時，第四開關組件閉合，第三開關組件、第五開關組件斷開；當電力機車運行時，第三開關組件和第五開關組件閉合，第四開關組件斷開。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進:所述高壓MMC整流電路采用模塊化多電平換流器技術，由三相構成，每相分為上下橋臂，各橋臂由N個相同結構的子模塊SM和閥電抗器L串聯--? 。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進:所述逆變電路采用模塊化多電平換流器技術，由兩相構成，每相分為上下橋臂，各橋臂由N個相同結構的子模塊SM和閥電抗器L串聯而成。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進:所述逆變回路與高壓MMC整流電路之間的直流輸電電纜上設有限流電阻，并通過開關組件來控制。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進:所述逆變電路的輸出電壓為O~55kV連續(xù)可調，可用于直接供電和AT供電方式的系統中。與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統通過采用MMC整流-逆變，可省掉設計復雜、占地面積大的牽引變壓器，也解決了牽引網三相平衡，功率因數及諧波等一系列問題，保證供電可靠性。
[0016]2、本發(fā)明的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統通過采用MMC整流-降壓斬波，可省掉牽引變壓器和整流機組，可減少牽引網電壓和電能損失，降低諧波含量，提高系統功率因數。
[0017]3、本發(fā)明的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，既可實現對電氣化鐵路車輛供電，也可對城軌交通車輛供電，有助于提高電氣化鐵道建設的聯網效益，充分利用現有資源，可減少因重復建設造成的資源浪費。
[0018]4、本發(fā)明的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，可在同一條接觸網上分別處于交流供電、直流供電模式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的牽引供電系統的主電路示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明中模塊化多電平換流器的子模塊結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，包括:降壓變壓器、高壓MMC整流電路、逆變電路和降壓斬波電路，降壓變壓器的輸入端與三相交流相連，降壓變壓器的輸出端與高壓MMC整流電路相連，高壓MMC整流電路的輸出端連接有直流輸電電纜；降壓斬波電路的輸入端通過第二開關組件與直流輸電電纜相連，降壓斬波電路的輸出端通過第四開關組件與牽引系統相連并提供供電電源；逆變電路的輸入端通過第三開關組件與直流輸電電纜相連，逆變電路的輸出端通過第五開關組件與牽引系統相連并提供供電電源。
[0023]本實施例中，降壓變壓器為用來將三相交流110kV/220kV/500kV降壓成實際所需電壓等級。即通過第一開關組件與三相交流相連。
[0024]本實施例中，高壓麗C整流電路，采用模塊化多電平換流器技術，由三相構成，每相分為上下橋臂，各橋臂通過一定數量具有相同結構的子模塊SM和閥電抗器L串聯而成；子模塊SM的數量η由所要求輸電容量和電壓等級來決定，并考慮一定冗余設計；每相共投入子模塊SM的數量總和為η ;通過控制各子模塊的投入和退出就可生成穩(wěn)定的交流與直流輸出電壓，從而改變換流器的輸出電壓及功率等級。直流側輸出電壓紋波小，基本不受網側電壓波動的影響。本實施例中，直流輸電電纜，具有正、負直流母線，適合于高壓直流輸電場合，電壓等級高,輸送容量大,對絕緣要求高。
[0025]本實施例中，逆變電路，采用模塊化多電平換流器技術，由兩相構成，每相分為上下橋臂，各橋臂通過一定數量具有相同結構的子模塊SM和閥電抗器L串聯而成；子模塊SM的數量η由所要求輸電容量和電壓等級來決定，并考慮一定冗余設計；每相投入子模塊SM的數量總和為η。即，通過變化所投入子模塊數量，可靈活改變換流器的輸出電壓及功率等級，靈活性好，沒有換向失敗問題，交流側輸出諧波含量少，一般無需設濾波裝置。
[0026]本實施例中，當選擇整流-逆變回路時，該系統主要用于對電力機車(AC25kV/50Hz)接觸網提供供電電源，用于替代傳統的交流輸電和牽引變壓器方案。通過改變η的數量，為電氣化鐵道的直接供電和AT供電提供合適的輸出電壓，這樣既可以滿足普速鐵路供電容量需要小的場合，也可以將系統供電容量增大一倍，適合供電容量要求高的高速鐵路供電系統中。
[0027]本實施例中，降壓斬波電路，輸入端接至高壓直流輸電端。當選擇整流-斬波回路時，通過電力電子裝置變化后為城軌車輛提供供電電源，這樣可省掉牽引變壓器和大功率整流裝置，輸出諧波含量較少，系統功率因數高參見圖1，第一開關組件為QF1，第二開關組件為QF2，第三開關組件為QF5，第四開關組件為QF8和QF9，第五開關組件為QF6和QF7。
[0028]本實施例中，在逆變電路與高壓MMC整流電路之間的直流輸電電纜上設有限流電阻，并通過第六開關組件來控制，第六開關組件為圖中QF3和QF4。
[0029]在本發(fā)明中，模塊化多電平換流器(MMC)為用來實現高壓直流輸電工程化的電壓源型換流器拓撲，可實現有功和無功功率的快速解耦控制，沒有換向失敗問題，且諧波含量低。MMC換流閥由三相構成，每相分為上、下橋臂，每個橋臂由η個相同的子模塊和I個限流電抗器串聯而成。子模塊拓撲結構示意圖如圖2所示，主要包括:兩個IGBT開關管(Tl和Τ2)、與每個IGBT反向并聯的二極管(Dl和D2)、與Τ2反向并聯的晶閘管D3、旁路開關K、均壓電阻R、支撐電容C等，上層控制系統通過控制Tl、Τ2的導通和關斷，子模塊輸出Uc或O(Uc為支撐電容器電壓，即直流側電壓)。子模塊的工作狀態(tài)共有三種:1)閉鎖狀態(tài):第一開關管Tl、第二開關管Τ2均關斷，一般在啟動前和嚴重故障時出現，正常運行時不出現；2)投入狀態(tài):第一開關管Tl開通、第二開關管Τ2關斷，此時子模塊輸出電壓為支撐電容C的電壓；3)切出狀態(tài):第一開關管Tl關斷、第二開關管Τ2開通。通過控制各子模塊的投入和退出就可生成穩(wěn)定的交流與直流輸出電壓，從而改變換流器的輸出電壓及功率等級。由上可知，本發(fā)明的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，可在同一條接觸網上分別處于交流供電、直流供電模式。交流供電模式:基于MMC的輸電系統可實現對電氣化鐵路牽引網供電，此時可視為一個三相有源的交流輸電系統向無源網絡供電狀態(tài)，通過改變投入子模塊數量，為電氣化鐵道的直接供電和AT供電提供合適的輸出電壓，這樣既可以滿足普速鐵路供電容量需要小的場合，也可以將系統供電容量增大一倍，適合供電容量要求高的高速鐵路供電系統中。該系統主要考慮作為今后新建電氣化鐵道牽引供電系統，用于替代傳統的交流輸電和牽引變壓器方案，為電氣化鐵道的直接供電和AT供電提供合適的輸出電壓，靈活性好，可靠性高；也可對現有電力機車(AC25kV/50Hz)接觸網提供備用供電。
[0030]整個系統的啟動控制實現過程主要包括:
(I)高壓整流側MMC子模塊電容預充電。第一開關組件閉合，利用交流系統電壓通過串聯電阻器對子模塊電容逐個進行預充電，直至換流器六個橋臂所有子模塊均預充電完畢。[0031 ] ( 2 )定直流電壓控制階段。當所有子模塊電容充電完成后，在控制器檢測到直流母線電壓在規(guī)定時間內仍低于額定值時，首先將限流電阻器旁路，然后將換流器解鎖，外環(huán)控制器轉入定直流電壓控制模式。
[0032](3 )通過直流線路向無源側MMC子模塊電容預充電?？紤]到直流線路電阻很小，充電電流很大，為了限制直流線路中過大的充電電流，在充電開始前先閉合第三開關組件、斷開第六開關組件。當有源側MMC通過直流線路向對端換流器子模塊電容預充電時，則通過直流側加裝限流電阻對無源端MMC進行預充電。
[0033](4)無源側電壓建立，并切斷直流側限流電阻，接入無源負載，提升功率。由于無源網絡沒有獨立的交流電源維持系統的頻率，因此采用定交流電壓控制模式，用于實現對系統交流電壓有效值和頻率進行控制；有源側采用定直流電壓和定無功功率控制模式。
[0034](5)當MMC逆變側輸出電壓達到穩(wěn)定值后，閉合第五開關組件，實現對電力機車的牽引供電。這樣既可以滿足普速鐵路供電容量需要小的場合，也可以將系統供電容量增大一倍，適合供電容量要求高的高速鐵路供電系統中。[0035]直流供電模式:降壓斬波電路并接至高壓MMC整流電路輸出端獲得直流電源，再變換成可為城軌(DC1500/750)牽引系統提供供電電源。與傳統供電系統相比較，替換了牽引變壓器和整流裝置，減少了占地面積，有利于提高系統的功率因數和減少諧波含量。
[0036](I)高壓MMC整流電路直流側額定輸出；閉合第一開關組件，利用交流系統電壓通過串聯電阻器對子模塊電容逐個進行預充電，直至換流器所有子模塊預充電完畢；然后旁路限流電阻器，將換流器解鎖，外環(huán)控制器轉入定直流電壓控制模式。
[0037](2)降壓斬波裝置直流電源獲?。划敻邏篗MC整流電路直流輸出電壓達到額定值后，閉合QF2，降壓斬波裝置與系統直流輸電電纜連接獲得直流電源；
(3)閉合第二開關組件、第四開關組件，通過降壓斬波電路為城軌(DC1500V/750V)牽引系統提供供電電源。與傳統供電系統相比較，替換了牽引變壓器和整流裝置，減少了占地面積，有利于提高系統的功率因數和減少諧波含量。
[0038]綜上所述，本發(fā)明通過在同一條接觸網上實現交直流供電模式的切換，可實現對電氣化鐵路車輛、城軌交通車輛進行直接供電，可降低重復建設造成的資源浪費。
[0039]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，包括降壓變壓器、高壓MMC整流電路、逆變電路和降壓斬波電路，所述降壓變壓器的輸入端與三相交流相連，所述降壓變壓器的輸出端與高壓MMC整流電路相連，所述高壓MMC整流電路的輸出端連接有直流輸電電纜；所述降壓斬波回路的輸入端通過第二開關組件與直流輸電電纜相連，所述降壓斬波電路的輸出端通過第四開關組件與牽引系統相連；所述逆變電路的輸入端通過第三開關組件與直流輸電電纜相連，所述逆變回路的輸出端通過第五開關組件與牽引系統相連；所述第四開關組件與第三開關組件、第五開關組件為互鎖關系。
2.根據權利要求1所述的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，所述降壓變壓器用來將三相交流110kV/220kV/500kV降壓成實際所需的電壓等級。
3.根據權利要求1所述的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，當地鐵/輕軌運行時，第四開關組件閉合，第三開關組件、第五開關組件斷開；當電力機車運行時，第三開關組件和第五開關組件閉合，第四開關組件斷開。
4.根據權利要求1或2或3所述的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，所述高壓MMC整流電路采用模塊化多電平換流器技術，由三相構成，每相分為上下橋臂，各橋臂由N個相同結構的子模塊SM和閥電抗器L串聯而成。
5.根據權利要求1或2或3所述的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，所述逆變電路基于模塊化多電平換流器技術，由兩相構成，每相分為上下橋臂，各橋臂由N個相同結構的子模塊SM和閥電抗器L串聯而成。
6.根據權利要求1或2或3所述的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，所述逆變電路與高壓MMC整流電路之間的直流輸電電纜上設有限流電阻，并通過開關組件來控制。
7.根據權利要求1或2或3所述的基于模塊化多電平換流器的雙流制牽引供電系統，其特征在于，所述逆變電路的輸出電壓為O~55kV連續(xù)可調，用于直接供電和AT供電方式的系統中。
【文檔編號】B60M3/00GK103895534SQ201410070855
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權日:2014年2月28日
【發(fā)明者】龔芬, 黃燕艷, 周方圓, 吳強, 羅仁俊, 王衛(wèi)安, 沈輝, 龍禮蘭, 張定華, 邱文俊, 張敏, 吳明水, 朱建波, 蔡蔚 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司