一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统

摘要

一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统，以实现牵引供电系统方案的优化，减少设备规格种类、降低设备容量，降低钢轨电位限制装置的动作频率以及降低杂散电流的泄漏，有利于节能增效。包括从地方电网引入的两回独立的外部进线电源，通过中压供电环网向工程沿线的变电所供电，该两回独立的外部进线电源分别通过变电所中压开关引入变电所中压交流母线，该中压供电环网通过变电所中压开关与工程沿线的变电所对应的变电所中压交流母线相连。采用分布式设计，各变电所内均设置一套双向变流装置，作为牵引供电及车辆再生制动能量的吸收装置。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通工程，特别涉及一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统，通过双向变流装置、直流牵引网与配电变压器的配合应用，同时实现轨道交通工程牵引供电和低压配电供电。

背景技术

目前，绝大部分城市轨道交通工程牵引供电系统均采用了DC1500V(或DC750V)接触网(或接触轨)授流、走行轨回流的牵引供电制式。

一条线路根据牵引供电计算，在部分站点设置牵引变电所，同时与同址的降压变电所整合成为牵引降压混合变电所；部分车站仅设置降压变电所。在牵引变电所采用专用的牵引整流机组，将中压环网(35kV/20kV/10kV)的交流电转换为DC1500V(或DC750V)，通过牵引网给轨道上运行的电动车组实现牵引供电。

为更有利于轨道交通工程的节能运行，需要将车辆进站停车制动时产生的再生制动能量进行进一步的综合利用。目前较多的工程采用了中压逆变回馈型再生制动能量吸收装置的方案，将再生制动时产生的能量逆变回馈至中压环网(35kV/20kV/10kV)，其与牵引变电所内的牵引整流机组并联运行。

随着半导体电力电子变流技术的发展，出现了一种基于双向变流技术、集可控牵引整流与中压逆变回馈功能于一体的装置，能同时实现牵引整流供电及再生制动能量逆变回馈的功能。由于轨道交通工程全线不是每座车站均设置牵引变电所，一般按2～4km左右设置一座牵引变电所的方案，导致各牵引变电所的牵引整流机组，以及该牵引所对应安装的基于双向变流技术的再生制动能量吸收装置的安装容量均较大，也导致设备的种类数量配置较多；由于牵引整流机组功率需求较大，需满足VI级负荷等级的供电需求，考虑占地面积、成本控制等因素，导致牵引整流机组与双向变流型的再生制动能量一般须各自独立设置，工程中多采用两套牵引整流机组与一套独立的双向变流回馈型的再生制动能量吸收装置的配置方案，或者采用一套牵引整流机组与一套独立的双向变流回馈型的再生制动能量吸收装置的配置方案。

参照图1，由于牵引供电设备对应的牵引整流机组与再生制动能量吸收装置仅在牵引变电所中集中配置，尤其是还需考虑设备冗余配置情况下，其容量不仅较大，也导致占地面积及投资价格较高。该常规方案仅是解决了牵引供电提供及再生制动能量吸收的基本功能需求，对于轨道交通直流牵引供电系统固有的一些缺点，比如牵引供电送电距离较远导致钢轨电位偏高，钢轨电位限制装置频繁动作，使得杂散电流泄漏偏大的问题仍然没有得到根本性解决，牵引网能耗也偏大。随着轨道交通成网建设的加快，问题越来越突出，没有充分利用采用最新电力电子变流技术的双向变流装置的特点及优点。

为更好的适应城市轨道交通可持续发展的需求，充分利用双向变流装置的特点(过负荷能力较弱，安全冗余要求高，占地面积及造价随着功率需求的增加而大幅上升)，减少钢轨电位限制装置动作频率及降低杂散电流泄漏，减少牵引网电能损耗，便于运营管理与维护的角度，提出一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统方案，实现牵引供电系统方案的优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统，以实现牵引供电系统方案的优化，减少设备规格种类、降低设备容量，降低钢轨电位限制装置的动作频率以及降低杂散电流的泄漏，有利于节能增效。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统，包括从地方电网引入的两回独立的外部进线电源，通过中压供电环网向工程沿线的变电所供电，其特征是：

所述两回独立的外部进线电源分别通过变电所中压开关引入变电所中压交流母线，该中压供电环网通过变电所中压开关与工程沿线的变电所对应的变电所中压交流母线相连；采用分布式设计，各变电所内均设置一套双向变流装置，作为牵引供电及车辆再生制动能量的吸收装置；

各变电所内，变电所中压交流母线其中一个回路通过变电所中压开关与配电变压器相连，输出0.4kV低压电源，该部分构成低压配电系统；

变电所中压交流母线另一个回路通过变电所中压开关与变流变压器相连，再与双向变流装置相连，输出DC1500V或DC750V直流电源至变电所直流母线；变电所直流母线与变电所直流馈线相连，输出连接至工程线路的直流牵引网；在牵引变电所附近通过牵引网绝缘分段将直流牵引网分为左右两侧，机车车辆通过直流牵引网取电实现正常运行，该部分构成牵引供电系统。

本发明的有益效果主要体现在如下方面：

1、采用分布式理念，各变电所之间距离较近，约1～2km左右，变电所内配置的该双向变流装置，即作为牵引供电装置，也作为车辆再生制动能量的吸收装置，基本能避免牵引供电回路的远距离传输供电。正常牵引供电时牵引回流就近回到提供电能的临近变电所负极；车辆再生制动时产生的能量，也能通过最临近变电所设置的全双向变流装置吸收逆变后回中压环网母线，可以最大程度避免了牵引供电回路的长距离传输，避免钢轨电位限制装置频繁动作以及相应引起的杂散电流严重泄漏，同时可减少牵引网的电能损耗；各变电所内，仅设置全双向变流装置，取消所有的牵引整流装置及车辆再生制动能量的吸收装置，减少了牵引供电系统配置的设备种类；

2、大部分地铁轻轨系统的车站布置相对比较均匀，在1～2km左右。在其对应的各变电所内均配置双向变流装置，即均作为有牵引功能的变电所，必要时也可增加变电所布置在车站之间，作为牵引供电及车辆再生制动能量的吸收装置。相对于原来仅在距离较远的牵引变电所内集中设置，该方案作为全分布式设置方案，由于其牵引供电距离的缩短，可以大幅降低各设备的配置容量和规格，可将双向变流装置配置为标准功率模块，实现设备生产、安装和运营的标准化、系列化；

3、各变电所内采用基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统方案，可以充分利用该装置的多功能性，如利用变流器的电压调节能力实现牵引网入口电压的稳定，使得全线牵引网电压波动幅度减小，改善列车和牵引网运行条件；利用双向变流器的相位和频率调节，实现线路夜间停运以后的动态无功功率补偿功能，避免在变电所内单独集中设置大功率的动态无功功率补偿装置和滤波装置。

4、采用标准系列的功率模块，可在各变电所内和变电所间实现N+1的备用，具备条件时可实现热插拨，可提高供电可靠性，便于运营维护，降低工程造价

综上所述，本发明提供一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统，满足常规轨道交通直流牵引供电系统的供电需求，特别是针对牵引供电容量需求相对较小的轻型轨道交通工程，有更好的适应性，可广泛应用于目前各城市轨道交通工程的直流牵引供电系统设计方案中。

附图说明

本说明书包括如下两幅附图：

图1是常规轨道交通工程直流牵引供电系统

图2是本发明一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统方案的结构示意图。

图中标记及部件名称：外部进线电源R1、外部进线电源R2、变电所B、中压供电环网1、变电所中压开关2、变电所中压交流母线3、配电变压器4、变流变压器5、双向变流装置6、变电所直流母线7、变电所直流馈线8、直流牵引网9，牵引网绝缘分段10、机车车辆11、中压供电环网联络开关30。

具体实施方式

下面结合附图2对本发明提出的一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统进行进一步说明。

参照图2，本发明一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统，包括从地方电网引入的两回独立的外部进线电源(外部进线电源R1、外部进线电源R2)，通过中压供电环网1向工程沿线的变电所B供电。所述两回独立的外部进线电源分别通过变电所中压开关2引入变电所中压交流母线3，该中压供电环网1通过变电所中压开关2与工程沿线的变电所B对应的变电所中压交流母线3相连。采用分布式设计，各变电所B内均设置一套双向变流装置6，作为牵引供电及车辆再生制动能量的吸收装置

各变电所B内，变电所中压交流母线3其中一个回路通过变电所中压开关2与配电变压器4相连，输出0.4kV低压电源，该部分构成低压配电系统。

变电所中压交流母线3另一个回路通过变电所中压开关2与变流变压器5相连，再与双向变流装置6相连，输出DC1500V或DC750V直流电源至变电所直流母线7。变电所直流母线7与变电所直流馈线8相连，输出连接至工程线路的直流牵引网9。在牵引变电所附近通过牵引网绝缘分段10将直流牵引网9分为左右两侧，机车车辆11通过直流牵引网9取电实现正常运行，该部分构成牵引供电系统。

以上技术方案的特点如下：

1、在全线均匀布置的变电所内均设置一套双向变流装置，作为牵引供电及车辆再生制动能量的吸收装置。

2、整合牵引整流机组装置及车辆再生制动能量的吸收装置，仅设置全双向变流装置。

3、全双向变流装置采用所内冗余加所间冗余配置模式。

参照图2，正常情况下，两回独立的外部进线电源(外部进线电源R1、外部进线电源R2)通过中压供电环网1各自负责一个区段范围内变电所的供电，中压供电环网联络开关30处于分断位置；当其中任何一个外部进线电源(外部进线电源R1或外部进线电源R2)故障退出，则中压供电环网联络开关30闭合，实现由另外一回外部进线电源(外部进线电源R2或外部进线电源R1、)的故障支援供电。

对于涉及的双向变流装置6，其对应有两种正常工作模式如下：

1、牵引供电工作模式：作为具有牵引供电功能的装置从中压供电网1及变电所交流母线3中取得交流电源，通过变流变压器5降压输出至双向变流装置6，通过可控的变流控制技术，输出DC1500V或DC750V直流电压，连接至各变电所直流母线7，通过变电所直流馈线8，再连接至牵引网9后，给线路上运行的机车车辆11供电，实现牵引供电工作模式。

2、再生制动能量吸收工作模式：机车车辆11在停车或减速制动时产生的再生制动能量从牵引网9，通过变电所直流馈线8，回馈到各变电所直流母线7，再通过通过双向变流装置6，通过可控的变流控制技术，直流斩波逆变成交流电，回馈至变流变压器5，升压后连接至变电所中压交流母线3，可以向本变电所的配电变压器4供电，同时也通过变电所中压开关2回馈至中压供电环网1，向其他相邻的变电所B供电，实现车辆再生制动能量吸收工作模式。

对于涉及的双向变流装置6，其对应的故障工作模式：

1、双向变流装置6内部功率模块故障时：

在各变电所的双向变流装置6，其装置内部功率模块均有采用N+1的故障备用模式，其中任意一个功率模块的故障不影响装置的正常运行。

2、双向变流装置6整体性故障时：

当整套双向变流装置6故障时，如果各变电所内均配置了两套双向变流装置6，由于双向变流装置6具有输出功率可控的特性，不会出现过流或过负荷的情况，另外一套可以根据需要继续运行，不影响该变电所的各项正常功能；如果各变电所内仅配置了一套双向变流装置6，则该变电所的牵引供电功能退出运行。

3、整个变电所牵引供电故障退出时：

在该变电所的双向变流装置6全部故障退出，或者发生其他牵引供电的整体性故障时，与常规直流牵引供电系统方案一致，短接该变电所对应的牵引网绝缘分段10，由左侧及右侧相邻变电所B，实现向直流牵引网9持续大双边牵引供电，维持机车车辆11继续运行。

本发明通过设置双向变流装置，整合常规牵引供电系统中的牵引整流机组与再生制动能量吸收装置，简化了设备种类，节省设备的安装空间。利于变电所的间隔距离较近的特点，各变电所中均设置双向变流装置，实现全分布式的牵引供电系统方案，降低了常规牵引供电设备的装置安装容量。各变电所之间的距离较近，对应牵引供电的范围缩短，无论是牵引供电还是车辆再生制动时，其产生的直流电流大部分都强制性的就近回到临近的变电所，避免了大功率直流负荷通过牵引网长距离传输导致的钢轨电位限制装置频繁动作，以及相应引起的杂散电流严重泄漏，同时可节省牵引网的电能损耗。

以上所述只是用图解说明本发明一种基于双向变流装置的分布式直流牵引供电系统的一些构成，并非是要将本发明局限在图所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。