CN105470958A - 一种模块化多电平结构的交直交牵引供电*** - Google Patents

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Abstract

一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，属于电气化铁道技术领域。***三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入,三相交流电能通过MMC交直交变流器的交直交变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器与牵引网相连，另一方面***三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器分两相与牵引网相连，两相之间有分相区，分相区并联一个开关断路器。本发明可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，电力***与牵引供电***实现低干扰或零干扰隔离，***输出无升压变压器。解决牵引供电***中谐波、无功、负序问题，实现与电网电能双向转换。

Description

一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，属于电气化铁道技术领域。
背景技术
目前我国牵引供电***采用三相-两相供电模式，即利用三相-两相降压变压器从三相电网中取电，电能降压后从两个供电臂输出。这种供电模式存在诸多电能质量问题：
(1)谐波问题：交-直型电力机车是一种非线性、低功率因数负荷。该种电力机车采用二极管或晶闸管整流器，谐波含量大、功率因数低，将会注入各次谐波电流给牵引供电***和电力***，成为一种谐波源。
(2)无功问题：交-直电力机车功率因数低，如不加补偿装置，通常牵引时只有0.8左右；机车过电分相产生激磁涌流，可视为纯感性电流，相位角接近滞后90度，正常工况下相位角的大幅度变化和牵引负荷电流的剧烈波动，加大了有效补偿无功功率的难度。
(3)负序问题：负序产生的原因是负载不平衡，一方面由于电网是三相供电；另外一方面由于机车负荷是单相，并且具有随机剧烈波动性。
(4)过分相问题。牵引变电所的出口处和分区所设有分相绝缘器。由于在机械和电气上的弱点，电分相不仅成为制约速度和造成牵引力损失的主要原因，也成为整个供电***中较为薄弱的环节。高速和重载运输要求机车受电弓平滑连续受流，但是电分相要求机车退级、断电，利用惯性通过中性区。
现有的牵引供电***电能质量解决方案多是针对某一方面的问题，没有根本性解决上述问题。若要从根本上解决电气化铁道牵引供电***存在的无功、谐波、负序和过分相问题，关键是在牵引变电所实现三相-单相电能变换。由于牵引供电***电压等级高、容量大，传统的基于电力电子电能变换装置在输入输出侧都需要变压器，而变压器价格高、体积大、占地面积大。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，电力***与牵引供电***实现低干扰或零干扰隔离，***输出无升压变压器。同时具有传统牵引供电接线方式备用，即当MMC交直交变流器发生故障时，通过开关控制可以切除MMC交直交变流器，恢复传统三相-两相变压器供电的牵引供电模式，可靠性高。
一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入,三相交流电能通过MMC交直交变流器变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器与牵引网相连。另一外三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器分两相与牵引网相连，两相牵引网之间设有分相区，分相区并联一个开关断路器。
本发明的有益效果：
1)本***可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，电力***与牵引供电***实现低干扰或零干扰隔离，***输出无升压变压器。
2)同时具有传统牵引供电接线方式备用，即当MMC交直交变流器发生故障时，通过开关控制可以切除MMC交直交变流器，恢复传统三相-两相变压器供电的牵引供电模式，可靠性高。
3)***输出电能的相位频率幅值可控，便于***间互联，取消过分相区。
4)解决牵引供电***中谐波、无功、负序问题，实现与电网电能双向转换。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：
图1为一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***整体结构图。
图2为一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***的MMC交直交变流器结构图。
图3(a)是MMC交直交变流器子模块半桥式结构图。
图3(b)是MMC交直交变流器子模块全桥结构图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。
实施例1：一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，如图1所示。
三相降压变压器从电网中吸收三相电能，经过模块化多电平交直交变流器(MMC交直交变流器)输出单相27.5kV电能。这种方案将牵引网互联，形成独立于公共电网的供电网络，可以实现全线路贯通供电。变电所输出的是单相交流，输出的电压幅值、频率和相位可控。各个牵引变电所的结构和接线完全相同。可取消分相绝缘器，省去自动过分相装置，消除了高速列车过电分相时存在的安全隐患，适合高速列车运行。实现电能3AC-DC-1AC变换，完全消除***三相不平衡，不存在负序分量。可以实现对电力***而言仅相当于一个纯阻性的负荷，功率因数接近1。变电所之间，可以进行协调功率控制，类似双边供电，对单个变电所的供电容量需求将比目前的单边供电要小。牵引供电***自身电压调整不影响电力***的电源频率偏差、电压偏差与波动，理论上谐波为零。电力***与牵引供电***实现低干扰或零干扰隔离。
实施例2：如图1、图2、图3(a)和图3(b)所示，一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，***三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过开关断路器与模块化多电平交直交变流器(MMC交直交变流器)相连，作为变流器的输入。三相交流电能经过MMC变流器经过交直交变换为单相交流电能输出，通过开关断路器与牵引网相连。另一方面降压变压器的低压输出侧经过开关断路器经过开关断路器分两相与牵引网相连，两相之间有分相区。该***可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，***输出电能的相位频率幅值可控，便于***间互联，取消过分相区。解决牵引供电***中谐波、无功、负序问题，实现与电网电能双向转换。电力***与牵引供电***实现低干扰或零干扰隔离，***输出无升压变压器。同时具有传统牵引供电接线方式备用，即当MMC交直交变流器发生故障时，通过开关控制可以切除MMC交直交变流器，恢复传统三相-两相变压器供电的牵引供电模式，可靠性高。
MMC交直交变流器的单元模块如图3所示，模块的结构有两种可以选择，分为半桥式结构如图3(a)和全桥结构模块如图3(b)。模块基于全控性开关电力电子功率器件和二极管，图中C表示直流电容。
实施例3：如图1、图2、图3(a)和图3(b)所示，一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，运行模式分为正常模式和故障备用模式，如图1所示。正常模式下，第一开关断路器S1、第二开关断路器S2、第四开关断路器S4闭合，第三开关断路器S3断开。三相降压变压器从公共电网中吸收三相高压电能变换为三相低压电能送到MMC交直交变流器中，变流器的整流站把三相电能变换为直流电，再经过逆变站逆变出幅值、相位、频率可控的单相交流电，送到牵引网上供机车取流。由于分相区被第四开关断路器S4旁路，所以解决了分相区问题。变流器中间直流环节把公共电网和牵引网隔离开，有利于无功、谐波、负序问题治理。
一旦MMC交直交变流器出现故障，则可以断开第一开关断路器S1、第二开关断路器S2把变流器从***中切除，同时断开第四开关断路器S4,闭合第三开关断路器S3，这样降压变压器的低压输出侧三相中的两相分别接在分相区的两侧直接给牵引网供电。
MMC交直交变流器基于全控型电力电子开关器件的模块化多电平结构，分为整流站和逆变站。整流站把三相电能变换为直流电，逆变站把直流电变换为单相交流电，输出侧无需变压器。
实施例4：如图1、图2、图3(a)和图3(b)所示，一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，***三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器S1与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入,三相交流电能通过MMC交直交变流器的交直交变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器S2与牵引网相连，另一方面***三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器S3分两相与牵引网相连，两相之间有分相区K1，分相区K1并联一个第四开关断路器S4。
MMC交直交变流器分为整流站和逆变站，整流站分为第一臂CLA、第二臂CLB、第三臂CLC，第一臂CLA、第二臂CLB、第三臂CLC分别由上下两个支路组成，一共6个支路分别是A相的第一上支路Lau、第一下支路Lad，B相的第二上支路Lbu、第二下支路Lbd，C相的第三上支路Lcu、第三下支路Lcd，三相的三个上支路连接在一个公共点，三相下支路连接在一个公共点，每个支路由N个模块单元级联组成，模块单元的结构每个支路串接一个支路电抗器，模块单元的输入侧串联三个输入电抗器，逆变站支路结构与整流站相同，只是由两个臂组成。逆变站输出串接一个输出电抗器。
MMC交直交变流器的单元模块结构有两种可以选择，分为半桥式结构和全桥结构模块，模块基于全控性开关电力电子功率器件和二极管。
***三相降压变压器为三相变三相降压变压器，高压侧额定电压为110kV或220kV,低压侧额定电压为27.5kV，低压侧输出分别与MMC交直交变流器、牵引网相连。
MMC交直交变流器是本***的核心，其结构如图2所示。MMC交直交变流器由整流站和逆变站组成，整流站把三相交流电能变换成直流电，逆变站把直流电变换成单相幅值、相位、频率可控的交流电，整流站和逆变站具有公共直流母线，子模块可以是半桥结构也可以是全桥结构，MMC变流器无输出变压器，额定输出电压与牵引网电压匹配。
***既可以工作在交直交电能变换模式，即通过MMC交直交变流器把公共电网三相电能变换成单相电能供牵引网所用，也可以工作在传统供电模式，即降压变压器三相输出中的两相接在牵引网分相区两侧给牵引网供电。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，其特征在于：三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入,三相交流电能通过MMC交直交变流器变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器与牵引网相连；另一外三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器分两相与牵引网相连，两相牵引网之间设有分相区，分相区并联一个开关断路器。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，其特征在于MMC交直交变流器分为整流站和逆变站，整流站分为第一臂、第二臂、第三臂，第一臂、第二臂、第三臂分别由上下两个支路组成，一共6个支路分别是：A相的第一上支路、第一下支路，B相的第二上支路、第二下支路，C相的第三上支路、第三下支路，三相的三个上支路连接在一个公共点，三相下支路连接在一个公共点，每个支路由N个模块单元级联组成，模块单元的结构每个支路串接一个支路电抗器，模块单元的输入侧串联三个输入电抗器，逆变站支路结构与整流站相同，只是由两个臂组成。逆变站输出串接一个输出电抗器。
3.根据权利要求2所述的一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，其特征在于MMC交直交变流器的单元模块结构有两种可以选择，分为半桥式结构和全桥结构模块，模块基于全控性开关电力电子功率器件和二极管。
4.根据权利要求2所述的一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，其特征在于：***三相降压变压器为三相变三相降压变压器，高压侧额定电压为110kV或220kV,低压侧额定电压为27.5kV，低压侧输出分别与MMC交直交变流器、牵引网相连。
5.根据权利要求2所述的一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，其特征在于：MMC交直交变流器由整流站和逆变站组成，整流站把三相交流电能变换成直流电，逆变站把直流电变换成单相幅值、相位、频率可控的交流电，整流站和逆变站具有公共直流母线，子模块可以是半桥结构也可以是全桥结构，MMC变流器无输出变压器，额定输出电压与牵引网电压匹配。
6.根据权利要求2所述的一种模块化多电平结构的交直交牵引供电***，其特征在于：***既可以工作在交直交电能变换模式，即通过MMC交直交变流器把公共电网三相电能变换成单相电能供牵引网所用，也可以工作在传统供电模式，即降压变压器三相输出中的两相接在牵引网分相区两侧给牵引网供电。
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