[發明專利]一種基于多電平變換器并聯的貫通式牽引供電系統

無效

• 申請號: 201410181843.6
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN104029610A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 何曉瓊;彭旭;周瑛英
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B60M3/00
• 分類號: B60M3/00;H02M5/44
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

技術領域

本發明涉及鐵路牽引供電系統技術領域，特別是無過分相區間的牽引網設備領域。

背景技術

既有牽引供電系統在物理結構上實行分段供電導致機車過分相時速度與能量的損失，過分相時車網之間復雜的電氣暫態過程會嚴重危及牽引網和列車等主要電氣設備的正常工作。牽引網存在供電死區，每個變電所需一組牽引變壓器工作一組備用，其可靠性差，保證可靠性的手段較少，成本較高。在電氣結構上，既有牽引供電系統與機車、與電力系統間存在強耦合的電磁關系，牽引負荷的沖擊特性、電能污染等可直接通過這種強耦合關系傳遞給電網，電網的本身特性、沖擊等也可直接耦合至機車，這種強耦合關系為電能質量治理制造了較大的障礙，并對電網容量、電壓等級等提出了較高的要求。

圖1是既有分段供電系統。圖中兩相鄰變電所通過各自所在區域三相電網取電，通過變電所變壓器變為兩相，為牽引網供電。由于變電所內兩供電臂電壓幅值，相位存在差異，變電所之間電壓幅值、相位、頻率難以一致，兩變電所間的四個供電臂需要三個電分相裝置隔離。由于電分相裝置的存在，使得列車在運行過程中需不斷通過電分相，列車受流出現離散化，嚴重制約著列車速度和載荷能力的提升。

通過圖2所示同相供電技術通過動態補償裝置補償單相電網負載電流的無功和諧波，并傳遞一半有功，可取消變電所內電分相，牽引網電分相個數可減半。從理論分析、現場試運行驗證了技術的可行性。但相鄰變電所輸出電壓存在差異，變電所間難以實現貫通供電。

有效解決上述問題，借助現代電力電子技術及其控制理論，實現電氣化鐵路貫通供電是一種理想的解決方案。圖3是理想模式的貫通式牽引供電系統結構，基于三相-單相變換器的變電所輸出電壓幅值、頻率和相位可一致，能滿足貫通供電的互聯條件，因此各變電所的輸出可以相互連接，形成貫通式牽引供電系統。牽引網各供電區段不再需要設置電分相，進而避免了數量眾多的電分相裝置的投入，同時避免了過分相造成的列車牽引力的損失。

根據目前大功率電力電子器件發展情況及多電平變換器結構工程應用情況推算，圖3所示的單個多電平三相-單相變換器設計容量難以達到既有變電所容量要求，鑒于此，在現有技術條件下，開展對多電平變換器并聯技術的研究，以提升系統容量。實際工程中可通過變電所內并聯，實現單個變電所容量的提升，通過變電所間并聯建立牽引供電網絡，使變電所間實現容量相互支持與補充而使系統容量得以優化，已經成為一種迫切需求。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，結合工程實際，本發明提供了一種基于多電平變換器并聯的貫通式牽引供電系統。該系統既可以實現從三相電網吸收并向牽引網提供有功功率，也可以從牽引網吸收并向三相電網回饋有功功率，變電所具有可控電壓源性質，可實現電氣化鐵路牽引網貫通供電，徹底取消電分相，極大地改善電能質量。變電所內采用多電平變換器并聯結構提升容量，同時，牽引供電系統的可靠性和冗余性也可得到很好的改善。

本發明所采用的技術方案是：

一種基于多電平變換器并聯的貫通式牽引供電系統，其特征在于：由多個貫通式牽引供電變電所并聯建網組成，鄰近變電所的牽引網直接相連，形成貫通式牽引供電網絡；所述貫通式牽引供電變電所由與三相電網接入的輸入降壓變壓器和與之輸出端相連的呈并聯狀態的一個以上多電平三相-單相交-直-交變換器，以及連接變換器和牽引網的輸出升壓變壓器組成；所述多電平三相-單相交-直-交變換器由多電平三相整流器、直流環節及其輔助均壓電路、多電平單相逆變器和輸入輸出連接電抗器組成。

在本發明基于多電平變換器并聯的貫通式牽引供電系統中，每個變電所為電壓源型變換器并聯結構，其輸出電壓可控，相鄰變電所的牽引網可直接相連，構成貫通式牽引供電網絡，輸出機車等負載要求的交流電。

與現有技術相比，本發明有益效果是：

1、本發明提出的一種基于多電平變換器并聯的貫通式牽引供電系統中，變電所采用全變換的三相-單相多電平交-直-交變換器并聯代替牽引變壓器，由于交-直-交變換器輸出電壓相位、頻率和幅值完全可控，因此可實現全線貫通供電，取消牽引網電分相裝置，極大地改善系統的電能質量，提高機車的運行速度和載荷能力。

2、由于變電所采用全變換的交-直-交變換器并聯代替牽引變壓器，可以從三相電網吸收并向牽引網提供有功功率，也可以從牽引網吸收并向三相電網回饋有功功率，且能夠為牽引網提供無功和諧波補償功能。因此，可使電氣化鐵路機車等負載的大量再生制動能量得以充分利用，并能友好地接收其他的新型能源的接入，具有長遠的經濟、能源效益。