基于多端直流输电的交流电气化铁道同相贯通供电系统

摘要

本发明公开了一种基于多端直流输电的交流电气化铁道同相贯通供电系统，包括：一个以上的三相高压交流电源；直流电变换器，用于将三相高压交流电转换成高压直流电；高压直流输电回路，用于将高压直流电输送到各个牵引变电站的回路；交流电变换器，用于将高压直流电转换成低压单相交流电；接触网系统，与交流电变换器的输出端相连，接触网系统分为交流母线和回流线，通过机车取电后从钢轨回流。本发明具有结构原理简单、安全性和可靠性高、易实现和推广等优点。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到基于轨道交通的供电系统领域，特指一种基于多端直流输电的交流电气化铁道同相贯通供电系统。

背景技术

以输电线路本体工程而言, 在条件相同的情况下, 直流线路投资远比交流线路的省，对环境影响小。远距离直流输电工程, 由于线路长换流站相同，其整体工程投资更为经济。交流输电并网需要对两个交流电网进行调控，即统一同步运行和调压调频等。直流输电线所联系的两端交流电网不要求同步运行，直流输电本身也不存在稳定问题，送的功率不受电力网稳定问题的限制。

目前，牵引网是从当地电业局的110kV或者220kV取电，将牵引变压器转换成单相工频的55kV或者27.5kV供电。同时因为电气化铁道是直接接入电力系统的大宗用电大户，其电能质量问题直接穿透到高压系统，影响整个电网的电能品质。因此，目前各个牵引网的背景容量、供电质量及稳定性均取决于当地的高压供电系统。一旦当地高压电网出现故障则会影响牵引变电所的取电，同时牵引变电所带来的电能质量问题也影响了当地整个供电质量。为了缓解负序电流，同一个1100kV或者220kV供电的主干网上的临近的牵引变电所采用轮序换相的方法接入，见下图可知，这样就存在多个过分相。

这种存在分相的供电系统在实现高速、重载机车牵引时存在不适应，主要表现在高速和重载运输要求机车受电弓平滑连续取流，而分相环节的存在，使得受电工商的电流时断时续，这大大影响了机车电机控制中的力矩和转速的控制，从而影响机车的运行速度，同时分相也是整个系统中最薄弱的环节。由于电分相环节的存在，当机车运行到一个供电区段末端时，必须经过退级、断电等一系列复杂的操作，滑行到下一个区段再逐项恢复正常运行，这既增加了机车操作的复杂性，同时也严重制约了机车运行速度的提高和牵引力的发挥。为了解决过分相带来的问题，目前除采用了自动过分相装置外，还有一种方式是通过基于铁路功率调节器RPC和接触网的改造，使得两相供电系统改造成一个单相供电系统，而牵引变电所输出的两相通过RPC调节各自容量的输出。由于站与站与站之间的过分相由于两个牵引网的相位不一致，过分相装置需要控制机车取电的相位快速变化，引来一系列的难题和安全隐患。因此这种方式主要适用于牵引变电所站内的过分相。而由于牵引变电所之间的过分相与邻近的两个牵引变电所的牵引变压器输出的相位不同而难以实施，需要从整个供电系统进行考虑。目前也有将整个牵引供电整流后在统一逆变，从而实现整条线路同相贯通，但是增加的设备较多，而且由于贯通后，各自取流的分配导致继电保护配合苦难。因此，需要提出一种的新型的同相供电方案，在新方案中，由于在运行的机车数量多，改变困难，为了方便工程实施，要求供电系统的改变不能对机车取电方式进行改变，因此无论怎么改变供电方式，都要确保接触网均为单相交流工频25kV。另外就是不影响各个接触网的潮流分配从而导致继电保护参数难以整定。

我国现行电气化铁道采用异相分段供电的方式，其过分相是难以避免的，在机车在过分相时需要先封锁没冲，待牵引变压器的剩磁消除后，再重新启动，这相当于，这段时间机车是靠惯性运行的，因此列车速度和牵引力受到损失，降低了线路运能。同时现有的牵引供电网存在功率因数低，谐波、负序严重，由此导致无功补偿、高频谐振、低频振荡、三相不平衡等问题突出。对于上述问题，目前国内、外应用了一些解决措施，如采用车载过分相或地面自动过分相装置来消除过分相的影响；应用SVC、SVG、APF或RPC装置来解决无功、谐波、电压波动、负序等电能质量问题，但均因为功能单一，无法同时解决这些问题，因此往往需要在牵引变电所内投入多种补偿、转换装置，这不仅增加了投资和管理成本，也增加了占地和运营风险。

另外，每个牵引站均是就近在当地主干网上取电，由于各个主干网的容量和负荷差异，导致各个牵引变电所的背景系统容量和供电质量，而且各个变电所内的容量不能互通。近年我国电气化铁路得到了快速发展，电力机车的单机容量和运行密度都得到了明显的提高，而我国电网的发展滞后，因此牵引变电所的背景容量都较少，这使得机车带来的电能质量问题越来越明显，这种供电能力已经限制了电气化铁路的更进一步发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构原理简单、安全性和可靠性高、易实现和推广的基于多端直流输电的交流电气化铁道同相贯通供电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于多端直流输电的交流电气化铁道同相贯通供电系统，包括：

一个以上的三相高压交流电源；

直流电变换器，用于将三相高压交流电转换成高压直流电；

高压直流输电回路，用于将高压直流电输送到各个牵引变电站的回路；

交流电变换器，用于将高压直流电转换成低压单相交流电；

接触网系统，与交流电变换器的输出端相连，接触网系统分为交流母线和回流线，通过机车取电后从钢轨回流。

作为本发明的进一步改进：所述交流电变换器位于牵引变电所内；每一个所述牵引变电所对应只有一套交流电变换器，或者每一个所述牵引变电所对应多套并联运行的交流电变换器。

作为本发明的进一步改进：所述直流电变换器包括连接电抗和模块化级联变流器，所述连接电抗按照相分为LA、LB和LC；每个连接电抗由上、下两个独立的电抗串联而成，或者为由一个电抗从中点拉出一个端子的结构。

作为本发明的进一步改进：所述模块级联变流器由A、B、C三相变流器组成，每相变流器由2e个模块级联而成，所述2e个模块由连接电抗均分为两部分，而三相模块共同构造直流侧的正、负母线。

作为本发明的进一步改进：在所述每相2e个模块中各个子模块的级联结构为全H桥级联结构、全半桥级联结构、或H桥和半桥混连结构。

作为本发明的进一步改进：所述交流电变换器中模块化级联变流器的子模块级联结构为全H桥级联结构、全半桥级联结构、或H桥和半桥混连结构。

作为本发明的进一步改进：还包括沿线发电系统，与铁路沿线的发电厂通过柔性直流输电的方式接入共用的高压直流系统。

作为本发明的进一步改进：还包括储能装置，用于根据整个电力系统的潮流控制，对电能进行集中储存和释放。

作为本发明的进一步改进：所述高压直流输电回路与交流电变换器之间通过多个直流电容的串联进行钳位，分为X个直流部分，各个直流部分由直流到交流进行逆变后输出给一个单相变压器，各个单相变压器输出端首尾串联后输出所需的电压。

作为本发明的进一步改进：每个单相的交流电变换器旁边可并联一个三相全桥的交流电变换器，再通过三相变压器隔离后给辅助的三相系统供电。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明只需要改变原有的高压交流输电和牵引变电所的牵引变压器，对接触网和机车并不做改变；改变的工程量相对少，投资少，更容易工程实现。

2、本发明输出的交流电源的相位和幅值都是可控制的，这样可以实现各个牵引站之间的交流电源成为同幅值和相角，从而进行互相连接，既取消站内过分相，也可以取消站与站之间的过分相，实现全线贯通。

3、本发明采用电力电子变换技术将高压交流电变为高压直流电，可以实现多个高压交流电的电能并联，即通过将各自的交流电转换成直流电后并联。这可以实现各个地区的电能的互通，为整个牵引网供电提供了较大的电源，而且当其中某一个高压交流电源拖网时，不会影响整个牵引网的供电，提高了系统的安全性和可靠性。

4、本发明中采用高压直流输电在各个牵引变电站，直流输电提高了线路的输电容量，为后续牵引网负载提高所需提供更高的电能打下了基础。

5、本发明是该变流系统与电网连接不需要变压器，可以直接接入高压系统，从而有利于提高系统响应时间，减少投资和损耗和占地面积等优势；本发明给接触网供电连接也不不需要变压器，可以直接实现高压直流到低压交流的输出，从而有利于提高系统响应时间，减少投资和损耗和占地面积等优势。

6、本发明和高压交流系统中有直流侧进行隔离，从而取消了牵引供电网带来的电能质量问题对交流主干网的影响。同时,直流网给各个牵引变电所供电，这可以将沿线的新能源发电、普通发电直接就地并入直流网。

7、本发明采用电力电子技术实现高压直流转换为25KV交流电，由于电力电子的可控性，对谐波和无功均可以实时补偿，并可及时对故障进行保护和断电。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中直流电变换器的结构原理示意图。

图3a是本发明在具体应用实例中模块化级联变流器采用全H桥级联的原理示意图。

图3b是本发明在具体应用实例中模块化级联变流器采用全半桥级联的原理示意图。

图3c是本发明在具体应用实例中模块化级联变流器采用H桥和半桥混连的原理示意图。

图4是本发明在具体应用实例中交流电变换器的结构原理示意图。

图5是本发明在另一个具体应用实例中的结构原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于多端直流输电的交流电气化铁道同相贯通供电系统，包括：

三相高压交流电源；由于电气化铁道穿过过个地区和各个城市，因此每一个牵引变电所均是从就地的地区110kV/220kV/330kV取电，这种格局在本发明中也不予给变，即仍旧包括原来的地区三相高压交流电源1、三相高压交流电源2……三相高压交流电源N这N个电源。

直流电变换器（AC-DC），用于将三相高压交流电转换成高压直流电，即将地区三相高压交流电源通过电力电子装置装换成高压直流电。

高压直流输电回路，用于将高压直流电输送到各个牵引变电站的回路，取代原来的高压交流输电回路。通过采用该高压直流输电回路，具有以下优点：第一，高压直流输电这种方式使得各个地区的高压电网都通过直流侧联系到了一起，这样可以实现各个地区电能的流通，扩大了牵引供电系统的背景容量；改变了原来的交流电网只能在具备公共高压交流电源才能有共享的局限性。第二，由于高压直流互联后能量的流通，使得整个牵引供电的供电连续性提高，不会出现交流输电中其中一个地区电网停电，直接导致从本地区取电的牵引变电所停电。第三，通过直流输电，提高了整个系统的供电容量。

交流电变换器（DC-AC），用于将高压直流电转换成低压单相交流电，这个主要功能是实现将高压直流转换为低压交流，其通过控制级联的逆变器实现高压直流电转换成目前我国牵引网所需的55kV或者27.5kV的单相工频交流电，而且可以控制其输出的相位，这样可以实现多个逆变器的并联运行。在图1中，可以是一个牵引变电所只有一套DC-AC装置，也可以是一个牵引变电所多套DC-AC装置并联运行。

在较佳的实施例中，多个高压直流电转换成低压单相交流电变换器DC-AC通过功率下垂控制方法，控制各个DC-AC 输出的有功功率和无功功率，并使得各个DC-AC之间没有环流。另外，还可以进一步控制DC-AC 输出的电流对机车负载的谐波和无功进行补偿。

接触网系统，接触网还是和原来的单相接触网保持一致，分为交流母线和回流线。若为AT供电方式，则将正、负27.5kV母线连接到一起统一取27.5kV的电位，通过机车取电后从钢轨回流。

参见图2所示，在本实施中，直流电变换器（AC-DC）包括连接电抗和模块化级联变流器，其中连接电抗按照相分为LA、LB和LC，每个电抗可以是上、下两个独立的电抗串联而成，也可以是一个电抗从中点拉出一个端子的结构。从两个电抗中间或者一个电抗中点引线连接至三相高压交流系统。

本实施例中，模块级联变流器由A、B、C三相变流器组成，每相变流器由2e个模块级联而成，而且这2e个模块由连接电抗均分为两部分，而三相模块共同构造直流侧的正、负母线。这种拓扑有交流和直流的隔离，因此牵引网带来的负序电流大的问题，通过直流隔离后不再有负序问题的存在。

在每相2e个模块中，各个子模块的级联结构如图3a～3c所示，各个模块的交流侧有一个旁路开关，使得模块在故障情况下能快速在线旁路，实现模块的在线冗余。模块组成这有三种组成情况：

第一种情况是全是H桥模块级联而成，如图3a所示，其中各个H桥可以是同电压等级的模块，各个模块的直流电压相同，即Ud1、Udi、Ude的值相等；也可以是不同型号的H桥级联，各个H桥的直流电压也不一定要相等，可以成一定的关系，例如2倍关系，这样Ud1、Udi、Ude的值可能不相等。这种以H桥模块级联的好处有两个，其一是可以控制两根直流母线的极性，即可以随意控制正电压端、负电压端处于哪个母线；另一个好处是当直流侧出现故障时，可以通过4个全控器件T1、T2、T3、T4的控制输出一个与原来直流侧电压相反的直流电压的输出，这样可以迅速降低直流电压，从而减少故障输出。

第二种情况是可以全是半桥模块级联而成，如图3b所示，这样的话，相比H桥，所用的器件数量要减少一半。同样，各个半桥可以是同电压等级的模块，各个模块的直流电压相同，即Ud1、Udi、Ude的值相等；也可以是不同型号的半桥级联，各个半桥的直流电压也不一定要相等，可以成一定的关系，例如2倍关系，这样Ud1、Udi、Ude的值可能不相等。这样做的好处是可以减少器件数量，降低成本。

第三种情况是可以是半桥和H桥模块的混合级联而成，如图3c所示，这种拓扑吸取了前面两种的优点，所需器件个数量居中，而且具备一定可控制故障电流的能力。同样，各个模块可以是同电压等级的模块，各个模块的直流电压相同，即Ud1、Udi、Ude的值相等；也可以是不同型号的模块级联，各个模块的直流电压也不一定要相等，可以成一定的关系，例如2倍关系，这样Ud1、Udi、Ude的值可能不相等。

本实施例中，交流电变换器（DC-AC）中的子模块结构和图3a～3c一样，也是包括H桥级联、半桥级联、H桥和半桥混连三种情况，而且各个模块的直流电压可以不相等。其通过两个电抗LA和LB接入交流牵引网，见图4。

作为较佳的实施例，参见图1，本发明还进一步包括沿线发电系统，与铁路沿线的风电发电厂、光伏发电厂等均可以通过柔性直流输电的方式接入共用的高压直流系统。

作为较佳的实施例，参见图1，本发明还进一步包括储能装置；虽然由于整个牵引网贯通，制动机车的能量能够被牵引机车作为动力进行消耗，但是也有可能存在多余的制动能量需要反馈给直流网，同时考虑风电和光伏等发电量可能大于牵引机车所需的电能，为了缓解过大的电能回馈高压交流电网，给电网造成较大冲击，储能装置可根据整个电力系统的潮流控制，对电能进行集中储存和释放，起到削峰填谷的作用，增加电力系统的可靠性。当所有发电厂停电时，还能充当UPS功能，实现对负荷的供电，缓解突然停电带来的危害。

采用本发明的上述结构之后，整个输电网络中均不含有变压器，实现的电力柔性输、配电，减少了变压器带来的损耗、占地等问题。由于具备AC-DC和DC-AC这两级全控单元，在故障时，能够快速控制，相比原来的靠断路器的开、合控制的延时是ms级别的，这种装置的响应时间是us级别的，这使得整个线路的安全性能提高。

采用本发明的上述结构之后，各个地区电网通过直流网进行互动，实现能量的多区域流动，例如当其中一个高压电网电源停电，其他地区的电能还可以通过直流电网传输过去，再通过三相AC-DC反过来给停电的区域供电。

采用本发明的上述结构之后，整个系统是集成发电、输电、配电、储电一体化系统，具备高度独立性；能够实现整个电气化铁道的交流贯通，可以不改变现有机车和接触网。由于具备AC-DC和DC-AC这两级全控单元，可以解决机车带来的负序电流，谐波和无功功率的问题。

在另一个实施例中，在上述实施例的基础上还可以进行扩展，如图5所示，其主要区别是将第二级变换中的高压直流变换成低压交流这一部分。即，将高压直流通过多个直流电容的串联进行钳位，从而分为X个直流部分，各个直流部分由直流到交流进行逆变后输出给一个单相变压器，各个单相变压器输出端首尾串联后输出单相25kV制所需的电压。各个牵引变电所输出的单相25kV制电压由于幅值和相位均受控制，因此可以连接到一起，形成同相贯通的交流牵引网。

另外，每个单相DC—AC旁边可并联一个三相全桥的的DC-AC，再通过三相变压器隔离后给辅助的三相系统供电。在该拓扑中，直流变换成交流电，根据各个直流电容上的电压，除了可用图5所示的级联拓扑外，还可以直接用H桥两电平结构，或者三电平结构，甚至多电平拓扑。

由此可见，整个拓扑的优势为：交高压直流电通过电容串联分压后，可使用简单的两电平或者三电平进行逆变，并有单相输出变压器隔离，防止多个DC—AC之间构成环流。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。