[發明專利]一種使用高壓直流接觸網的電氣化鐵路系統

在審

• 申請號: 201710039241.0
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106828201A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 方攸同;郭昱亮;吳立建;黃曉艷;馬吉恩;張健;周晶;牛峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B60M3/00
• 分類號: B60M3/00;B60M3/06;B60L9/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發明涉及電氣化鐵路中電能轉化技術，尤其涉及一種使用高壓直流接觸網的電氣化鐵路實施方法。

背景技術

目前，我國電氣化鐵路牽引網是從當地電業局的110kV/220kV取電，由牽引變壓器轉換成單相工頻27.5kV交流電供電。由于牽引網使用的是單相交流電，電網中必定會出現因為三相功率不平衡而產生的負序電流。電氣化鐵路是直接接入電力系統的大宗用電大戶，該負序電流直接影響整個電網的電能品質。為了緩解負序電流，通常采用相鄰牽引變電所輪換相序的方法，從而存在多個過分相。這種存在分相的供電系統由于其供電不連續，使得受電弓上的電流時斷時續，大大影響了電力機車上牽引電機的轉速和轉矩控制，影響了機車的運行。這種現象在高速和重載鐵路上比較明顯。

解決分相問題的方法之一是將交流電轉換為直流電后再加以利用，交直隔離后電網電能質量可以得到顯著的改善。使用電氣化鐵路同相貫通供電系統是其中的可行方法之一。該方法在牽引變電所將直流高壓電轉換成單相交流電，進而將該交流電接入到鐵路接觸網上，供電力機車使用。

另外，交流電的參數控制除了幅值外，還必須對頻率和相位加以考慮。由于交流系統內在的局限性，在輸電過程中交流電力系統兩端同步運行的穩定性控制問題，會限制電力線路輸送的能量和距離；穩定性問題使交流系統的控制復雜，響應隨之變慢，操作不便，同時不利于多目標控制。上述特點使得直流輸電在分區調度管理比起交流更加有效，在故障的緊急支援中更顯優勢，防止事故的進一步擴大。直流輸電與交流輸電相比，還存在經濟效應方面的優勢：直流輸電沿線電壓平穩分布，沒有感抗和容抗的無功消耗，不需要并聯電抗來補償損耗，電能損耗小，電能輸送效率較高；相同的電纜絕緣等級用于交流線路時，線路允許電壓為一半，因此相同輸送電壓條件下，直流電纜更廉價；直流輸電的建設在分級分期以及增容擴建等方面更加方便，有利于早期經濟效益的發揮。雖然直流輸電需要建設的換流站比交流輸電的變電站投資大，綜合來說在輸電線路長度大于等價距離時，直流輸電建設費用低。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種使用高壓直流接觸網的電氣化鐵路系統。本發明可以解決過分相問題，同時降低接觸網損耗，提高供電可靠性。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種使用高壓直流接觸網的電氣化鐵路系統，它包括：高壓交流母線、牽引變電站、高壓直流母線、高壓直流接觸網、受電弓、鋼軌和電力機車；其中，所述高壓交流母線的電壓為110kV、220kV或330kV；所述牽引變電站一端連接高壓交流母線，另一端連接高壓直流母線，將高壓交流母線上的交流電轉化為10-30kV的高壓直流電，并傳輸到高壓直流母線；所述高壓直流母線連接高壓直流接觸網和鋼軌；高壓直流接觸網、受電弓、電力機車、鋼軌依次電連接，構成高壓直流電力回路，實現對電力機車的供電。

進一步地，所述牽引變電站包括變壓器、整流器和儲能設備；其中，所述變壓器一端連接高壓交流母線，另一端連接整流器，將110kV、220kV或330kV的高壓交流電轉化為10-30kV高壓交流電；所述整流器將降壓過的高壓交流電整流為10-30kV的高壓直流電，而后傳輸到高壓直流母線；所述儲能設備與高壓直流母線連接。

進一步地，高壓直流母線中的直流電通過高壓直流接觸網、受電弓、電力機車、鋼軌的電力回路，完成對電力機車內部設備的供電。

進一步地，所述電力機車內部動力系統及其供電系統由電力電子逆變器、高頻變壓器、整流器、逆變器、牽引電機依次相連組成；其中，受電弓傳輸的10-30kV高壓直流電由電力電子逆變器轉化為10-30kV、2kHz的高頻高壓交流電，再由高頻變壓器轉化為3kV、2kHz的高頻低壓交流電；再由整流器轉化為3kV的低壓直流電，最后由逆變器轉化為驅動牽引電機的2kV、140Hz低頻交流電。

本發明的有益效果是：

1、本發明與目前在使用的技術相比，解決了過分相問題，機車上高速牽引電機的控制效果可以得到改善，機車在高速或重載情況下運行狀況得到優化。

2、本發明的接觸網供電系統為直流輸電，在相同輸送電壓前提下，直流輸電系統相比交流輸電系統穩定性更強，控制更精確、更方便，線路損耗更小。

3、本發明的接觸網供電系統為高壓直流輸電，與其他國家、地區目前使用的3kV接觸網供電方式相比，10-30kV的接觸網電壓使得接觸網輸電損耗更小，同功率接觸網中電流更小，因此提高了輸電線路的容量，為后續可能的鐵路負載提高、運行速度提升打下了基礎。