CN109484254B - 一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子技术，具体涉及一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构及控制方法。该过分相供电拓扑结构包括u，v，w三相多电平换流动器模块支路和电容支路，u，v，w三相多电平换流器模块支路并联后与电容支路并联；其中，每相多电平换流器模块支路分为上桥臂和下桥臂，每相多电平换流器模块支路的上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接的n个多电平换流器模块和与之串联连接的缓冲电感，n为大于1的正整数；电容支路分为直流母线侧上桥臂和下桥臂，直流母线侧上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接n个电容模块。该过分相供电拓扑结构能够根据两侧牵引网实际情况双向取流，使列车不断电通过过分相，具有无需变压器接入的优点。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构及控制方法。
背景技术
在我国目前的电网模式中，有更高一级电网时，往往不再使低一级电网结环运行，因此当采用110kV或220kV给牵引变进行供电时，多采用单侧供电或放射状供电方式。采用这种供电方式时，相邻供电臂之间电压差很大，不同电压相位的供电臂不能直接连接，因此两相供电臂之间有一个隔离区段，每隔20-30km需要通过隔离环节进行电气隔离，在牵引供电***中一般被称为电分相区。电分相区是一段无电区，它的长度从几百米到一公里不等，列车通过电分相区时，将失去动力供应，将通过惯性滑行通过，因此会给列车速度带来损失，制约列车的高速运行。供电臂的末端设置有分区所，在牵引变电所故障情况下，闭合分区所的开关，由相邻牵引变电所实行越区供电。有一些牵引供电***的分区所两端电压相位是不相同的(如单相结线牵引变电所)，这时候分区所实际上也是一个电分相区。
由于中国现行的牵引网供电模式以及相应的牵引变电站轮换相序连接方式，决定了牵引网上必然存在电分相环节(也称为中性段)。在现有的自动过电分相技术中，无论是地面开关自动切换方案还是车上自动控制断电方案，当机车通过电分相中性段时，都必然要经历一个从有电到无电再到有电的过程，此时受电弓不能带电流从供电臂进入中性段，或带电流从中性段进入供电臂。如果发生这种情况，会造成接触网严重拉弧放电，在牵引供电***中出现过电压冲击，造成牵引变电所跳闸、承力索断线、分相绝缘器烧坏等严重后果，这种故障现象叫做列车闯分相。电分相环节及自动过分相问题一直严重制约着高速、重载列车的安全可靠运行，为了消除过分相过程中的过电压和过电流的问题，还需要加装复杂的自动过分相装置。
为解决过分相时的过电压、过电流问题，魏晓娟等人提出在中性段真空断路器上并联电阻以加快过电压和过电流的衰减，但是无法降低过电压和过电流的幅值；西南交通大学董志杰等人提出用晶闸管串联阀组代替真空断路器，可以将供电死区时间降低至30ms；这些方法都没有消除机车在通过电分相环节时的供电死区，因而也无法根本消除由于断电-复电操作所带来的过电压和过电流的问题。北京交通大学王术合等人提出一种不断电过分相方案，两牵引供电臂电压通过变压器降至500V，分别接至多个单相背靠背变流器的一个交流端口，所有变流器的另一交流端口则全部并联，经变压器升至27.5kV后接入中性段。该方案虽能够实现机车不断电过分相，但缺点是该方案要求机车在进入中性段之前必须减载至惰行状态，因此尽管机车在通过电分相时始终带电，但牵引力和速度仍然有所损失；清华大学田旭等人提出基于两相式MMC不断电过分相装置，该方案虽然利用变频移相技术，能够实现机车无断电、满功率通过电分相，但是由于其单相取流，一方面可能会使得一侧牵引变压器容量不足而过载，另一方面可能会加重负序不平衡使不平衡度超标，导致了应用的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据两侧牵引网的实际情况双向取流，使列车不断电通过过分相的拓扑结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构，包括u，v，w三相多电平换流动器模块支路和电容支路，u，v，w三相多电平换流器模块支路并联后与电容支路并联；其中，每相多电平换流器模块支路分为上桥臂和下桥臂，每相多电平换流器模块支路的上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接的n个多电平换流器模块和与之串联连接的缓冲电感，n为大于1的正整数；电容支路分为直流母线侧上桥臂和下桥臂，直流母线侧上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接n个电容模块。
在上述的用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构中，每个多电平换流器模块均包括第一全控开关器件、第二全控开关器件以及第一电容；其中，第一全控开关器件与第二全控开关器件串联，第一电容与第一全控开关器件和第二全控开关器件的串联支路并联。
在上述的用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构中，直流母线侧上桥臂与下桥臂包括2n个电容模块支撑稳压并在其中心处设置中性点，中性点与钢轨相连，为零电位。
一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构的控制方法，通过u，v，w三相多电平换流器模块支路与中性点配合进行分相控制，实现列车由牵引供电臂α相向牵引供电臂β相运行的过程中，不断电通过过分相区域；包括以下步骤：
步骤1、当列车由牵引供电臂α相经过中性段时，三相交流电高压侧电流经过u相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制和电容支路的支撑稳压，再通过v相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制，并按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，为列车提供功率；
步骤2、当列车在中性段运行时，三相交流电高压侧电流经过u相多电平换流器模块支路或w相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制和电容支路的支撑稳压，再通过v相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制，并按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，为列车提供功率；
步骤3、当列车由中性段向牵引供电臂β相运行时，三相交流电高压侧电流经过w相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制和电容支路的支撑稳压，再通过v相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制，并按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，为列车提供功率。
本发明的有益效果：可以根据两侧牵引网实际情况双向取流，提出利用u、v、w三相多电平变换器模块支路与中性点配合实现分相控制的拓扑结构及控制方法，有效地缓解了单相取电可能由于牵引变压器容量不足而过载，可能加重负序不平衡使得不平衡度超标的问题；采用三个输出端口的三相多电平变换器模块支路而无需变压器接入，有效地降低了设备的造价与安装空间。
附图说明
图1为本发明一个实施例的拓扑结构图；
图2为本发明一个实施例的能量流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例通过以下技术方案来实现，如图1所示，一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构，为u、v、w三相多电平换流器模块支路，每相多电平换流器模块支路分为上桥臂和下桥臂，u、v、w三相多电平换流器模块支路上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块MMC和一个缓冲电感构成，直流母线侧上桥臂和下桥臂分别由n个电容模块构成，n为大于1的正整数；其中，第一多电平换流器模块MMC1的第二接口a12与第二多电平换流器模块MMC2的第一接口a21连接，n个多电平换流器模块MMC根据第一多电平换流器模块MMC1与第二多电平换流器模块MMC2的连接方式依次串联连接；第一电容模块C1的第二接口b12与第二电容模块C2的第一接口b21连接，n个电容模块C根据第一电容模块C1与第二电容模块C2的连接方式依次串联连接形成电容支路；三相多电平换流器模块MMC支路并联后，与电容支路并联。
而且，第一多电平换流器模块MMC1由第一全控开关器件S11、第二全控开关器件S12以及第一电容C11构成；其中，第一全控开关器件S11与第二全控开关器件S12串联；第一电容C11与第一全控开关器件S11和第二全控开关器件S12的串联支路并联。
而且，直流母线侧的上桥臂与下桥臂均含n个电容模块C，且这2n个电容模块C支撑稳压并在其中心处设置中性点，中性点与钢轨相连，为零电位。
如图2所示，三相多电平换流器模块支路的u、v、w相与中性点配合，可实现分相控制。当列车由供电臂α相经过中性段时，三相交流电高压侧电流经过u相多电平换流器模块支路对交流电流进行多电平整流控制，通过电容支路进行支撑稳压；从牵引供电臂吸收有功功率并传递至v相多电平换流器模块支路，v相多电平换流器模块支路按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，并为列车负载提供功率；当列车在中性段时，u相多电平换流器模块支路或w相多电平换流器模块支路控制三相交流电高压侧电流，通过电容支路进行支撑稳压；从牵引供电臂吸收有功功率并传递至v相多电平换流器模块支路，v相多电平换流器模块支路按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，并为列车负载提供功率；当列车由供电臂β相经过中性段时，w相多电平换流器模块支路控制三相交流电高压侧电流，从牵引供电臂吸收有功功率并传递至v相多电平换流器模块支路，v相多电平换流器模块支路按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，并为列车负载提供功率；在列车由供电臂α相向供电臂β相运行的三个过程中，当变流器工作时，公共直流母线电压保持稳定，各个子模块的直流电压也保持稳定。
具体实施时，u、v、w相上桥臂和下桥臂分别由n＝7个多电平换流器模块组成，多电平换流器模块选用FD800R45KL3-K_B5模块。
在列车由供电臂α相向中性段运行时，三相交流电高压侧电流通过三相多电平换流器模块支路的u相进行多电平整流控制，并经过电容支路进行支撑稳压作用，再通过三相多电平换流器模块支路的v相进行多电平整流控制；列车在中性段运行时，三相交流电高压侧电流根据两侧牵引网实际情况，通过三相多电平换流器模块支路的w相或u相进行多电平整流控制，经过电容支路进行支撑稳压作用，再通过三相多电平换流器模块支路的v相进行多电平整流控制；在列车由中性段向供电臂β相运行时，三相交流电高压侧电流通过三相多电平换流器模块支路的w相进行多电平整流控制，经过电容支路进行支撑稳压作用，通过三相多电平换流器模块支路的v相进行多电平整流控制，最终使得列车从供电臂α相向供电臂β相运行的三个过程中，能不断电通过过分相区域。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (1)
1.一种用于高速铁路***过分相的供电拓扑结构的控制方法，其特征是，该拓扑结构包括u，v，w三相多电平换流动器模块支路和电容支路，u，v，w三相多电平换流器模块支路并联后与电容支路并联；其中，每相多电平换流器模块支路分为上桥臂和下桥臂，每相多电平换流器模块支路的上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接的n个多电平换流器模块和与之串联连接的缓冲电感，n为大于1的正整数；电容支路分为直流母线侧上桥臂和下桥臂，直流母线侧上桥臂和下桥臂均包括依次串联连接n个电容模块；直流母线侧上桥臂与下桥臂包括2n个电容模块支撑稳压并在其中心处设置中性点，中性点与钢轨相连，为零电位；其特征是，该控制方法为通过u，v，w三相多电平换流器模块支路与中性点配合进行分相控制，实现列车由牵引供电臂α相向牵引供电臂β相运行的过程中，不断电通过过分相区域；包括以下步骤：
步骤1、当列车由牵引供电臂α相经过中性段时，三相交流电高压侧电流经过u相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制和电容支路的支撑稳压，再通过v相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制，并按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，为列车提供功率；
步骤2、当列车在中性段运行时，三相交流电高压侧电流经过u相多电平换流器模块支路或w相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制和电容支路的支撑稳压，再通过v相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制，并按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，为列车提供功率；
步骤3、当列车由中性段向牵引供电臂β相运行时，三相交流电高压侧电流经过w相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制和电容支路的支撑稳压，再通过v相多电平换流器模块支路进行多电平整流控制，并按照移相的要求输出基波正弦电压和基波正弦电流，为列车提供功率。
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