CN210821908U - 一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电气化铁路供电技术，具体涉及一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置，包括三相模块化多电平变换器和高速铁路牵引供电***；高速铁路牵引供电***包括第一、第二V/V接线牵引变压器的一半、第一、第二牵引供电臂和钢轨；第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的高压侧轮流换相连接至电力***，第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨，第一、第二牵引供电臂之间设置不带电的过分相，三相模块化多电平变换器分别连接第一、第二牵引供电臂、钢轨以及过分相。该装置能对高速铁路负荷特性进行调整，使得原本具有随机波动性、非线性冲击性、不平衡的负荷变成平衡的、线性稳定的负荷。
Description
技术领域
本实用新型属于电气化铁路供电技术领域，尤其涉及一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置。
背景技术
传统两电平电压源型变换器在电机传动、新能源并网、开关电源等工业生产领域的应用十分广泛。然而在高压大功率领域的应用中，为解决功率开关器件的耐压问题，通常通过工频变压器接入高压电网，笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的体积和成本，并限制了***效率。近年来，多电平变换器以其独特的结构特点，在高压大功率场合受到广泛关注。目前常见的电压型多电平变换器拓扑大致可分为钳位型和单元级联型两大类。前者随着电平数增加，所需半导体器件的数量急剧增加，且电容电压不容易平衡，使得其在实际应用中有一定的限制。以级联H桥型多电平变换器为代表的级联型拓扑则采用模块化的结构设计，便于***扩容和引入冗余控制模式，在实际工业应用中较多采用这种结构。然而，对于需要实现有功能量处理的场合(如高压大功率传动***)，各功率单元需要独立的直流供电电源，一般通过特殊加工的多绕组隔离工频变压器整流实现，极大增加了***的复杂程度和成本。同时由于三相桥臂之间没有公共直流母线，无法直接应用于类似高压直流输电、大功率传动等高压场合。鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，德国学者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)的拓扑，并分析了其基本工作原理。MMC不仅保留了传统级联H桥型多电平变换器的高度模块化的结构特点，同时具有公共直流母线，可以直接应用于高速铁路负荷调节的场合而无需变压器接入，减少电力电子变换装置的体积和成本。
电气化铁路为了减小注入电力***的负序电流，通常实行分段受流、轮换相序的接入方式，因而存在电分相环节。电分相环节的存在会使机车经历一个断电-复电的过程，对于牵引供电臂而言是一种较强的非线性冲击性负荷，会使机车供电***出现严重的过电压和过电流问题，危及电气化铁路和旅客的安全。此外，
冲击负荷的有功部分作用于电力***的频率，当地区电网遭遇较大冲击性负荷扰动时，电力***中发电机组的功率出力、转子转速将发生变化，引起***频率振荡。冲击负荷的无功部分作用于电力***的电压，对其产生扰动和影响，使得电压波动，甚至出现电压闪变、波形畸突等现象。这种扰动和影响在孤网或小电网运行中表现得更为突出。当电网受到沖击性负荷影响时，***中还有可能出现导致发电机组振动的不平衡电流，这会引起用电设备能耗的增加，甚至造成用电设备损毁。冲击负荷影响下，***出现的暂态谐波与负序电压，将会引起电网继电保护和自动装置负序启动元件误启动，可能导致距离保护拒动，从而引起越级跳闹而扩大事故。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种将非线性冲击负荷调整为线性稳定负荷的同时不影响原有牵引供电***的正常运行的高速铁路负荷特性调整装置。该装置适用于牵引变压器为V/V接线以及其他采用轮流换相接入电力***的牵引供电***的既有线路改造以及新建线路修建，通用性能强。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置，包括三相模块化多电平变换器和高速铁路牵引供电***；三相模块化多电平变换器包括u、v、w三相以及直流母线和直流母线支撑电容器；u、v、w三相均包括上下两个桥臂，每个桥臂包括N个相同的子模块和一个桥臂电感，N为大于1的正整数；直流母线支撑电容器包括两个电容器串联，并在两个电容器中间引出中性点与钢轨连接；子模块为一个二端口网络，每个桥臂的子模块之间串联连接，首段和末端的子模块分别与直流母线以及桥臂电感连接；高速铁路牵引供电***包括第一、第二V/V接线牵引变压器的一半、第一、第二牵引供电臂和钢轨；第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的高压侧轮流换相连接至电力***，第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨，第一、第二牵引供电臂之间设置不带电的过分相，三相模块化多电平变换器分别连接第一、第二牵引供电臂、钢轨以及过分相。
在上述的基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置中，子模块为两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个储能单元；或者为四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个储能单元；储能单元采用储能电池或者采用超级电容和储能电池并联构成的混合结构。
本实用新型的有益效果，1、本实用新型负荷特性调整装置安装在过分相，无需变压器与过分相、相邻供电臂以及钢轨连接，在实现负荷特性调整，将非线性冲击负荷调整为线性稳定负荷的同时不影响原有牵引供电***的正常运行。
2、本实用新型的子模块完全相同，便于批量生产降低造价且具有将强的冗余性和可靠性；
3、本实用新型装置无需变压器接入牵引网，节省安装空间和造价；
4、要实用新型装置降低了负荷对电网造成的冲击，可以有效地增加***运行的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例结构示意图；
其中，1-电力***，2-第一V/V接线牵引变压器的一半、3-第二VV牵引变压器的一半，4-第一牵引供电臂、5-第二牵引供电臂，6-过分相，7-钢轨，8-子模块，9-三相模块化多电平变换器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置，无需变压器直接安装在过分相及相邻供电臂，包括三相模块化多电平变换器和高速铁路牵引供电***；高速铁路牵引供电***包括第一、第二V/V接线牵引变压器的一半、第一、第二牵引供电臂、钢轨；第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的高压侧轮流换相连接至电力***，第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨，第一、第二牵引供电臂之间设置不带电的过分相，三相模块化多电平变换器引出4个接线端，分别直接连接到第一、第二牵引供电臂和钢轨以及过分相，无需通过降压变压器。
并且，三相模块化多电平变换器由u、v、w三相以及直流母线和直流母线支撑电容器构成。u、v、w三相由上下两个桥臂构成，每个桥臂包括N个相同的子模块和一个桥臂电感。直流母线支撑电容器由两个电容器串联构成，并在两个电容器中间引出中性点与钢轨连接。子模块为一个二端口网络，每个桥臂的子模块之间串联连接，首段和末端的子模块分别和直流母线以及桥臂电感连接。
而且，子模块由两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个储能单元构成；或者由四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个储能单元构成。储能单元可以是储能电池，或者是超级电容和储能电池并联构成的混合结构。
本实施例装置可以对负荷特性进行调整，具有将一个非线性的冲击负荷调整为线性稳定负荷的功能。
具体实施时，如图1所示，一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置，包括三相模块化多电平变换器9和高速铁路牵引供电***；高速铁路牵引供电***包括第一V/V接线牵引变压器的一半2、第二V/V接线牵引变压器的一半3、第一牵引供电臂4、第二牵引供电臂5、钢轨7；第一V/V接线牵引变压器的一半2、第二V/V接线牵引变压器的一半3的高压侧轮流换相连接至电力***1，第一V/V接线牵引变压器的一半2、第二V/V接线牵引变压器的一半3的低压侧分别连接第一牵引供电臂4、第二牵引供电臂5和钢轨7，第一牵引供电臂4、第二牵引供电臂5之间设置不带电的过分相6，三相模块化多电平变换器9引出4个接线端，分别直接连接到第一牵引供电臂4、第二牵引供电臂5和钢轨7以及过分相6，无需通过降压变压器。
三相模块化多电平变换器9由u、v、w三相以及直流母线和直流母线支撑电容器构成；三相变换器采用分相控制，与牵引臂相连的u、w两相，工作在整流状态从相邻两个牵引供电臂吸收能量，与过分相相连的v相工作在逆变状态将吸收的能量经过分相线路供给动车组。u、v、w三相由上下两个桥臂构成，每个桥臂包括N个相同的子模块8和一个桥臂电感。直流母线支撑电容器由两个电容器串联构成，并在两个电容器中间引出中性点与钢轨7连接。
子模块8为一个二端口网络，每个桥臂的子模块之间串联连接，首段和末端的子模块分别和直流母线以及桥臂电感连接。
子模块8由两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个储能单元构成；或者由四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个储能单元构成。
IGBT具体的开关控制PWM信号由FPGA发出，装置整体的控制由DSP完成。此外，过分相以及两侧的第一、第二牵引供电臂每个部分至少包括一个电流传感器采集电流信号传送给装置的主控芯片DSP完成反馈控制。该装置能对高速铁路负荷特性进行调整，使得原本具有随机波动性、非线性冲击性、不平衡的负荷变成平衡的、线性稳定的负荷。
储能单元可以是储能电池，或者是超级电容和储能电池并联构成的混合结构。
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实用新型的具体实施方式，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，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (2)
1.一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置，其特征是，包括三相模块化多电平变换器和高速铁路牵引供电***；三相模块化多电平变换器包括u、v、w三相以及直流母线和直流母线支撑电容器；u、v、w三相均包括上下两个桥臂，每个桥臂包括N个相同的子模块和一个桥臂电感，N为大于1的正整数；直流母线支撑电容器包括两个电容器串联，并在两个电容器中间引出中性点与钢轨连接；子模块为一个二端口网络，每个桥臂的子模块之间串联连接，首段和末端的子模块分别与直流母线以及桥臂电感连接；高速铁路牵引供电***包括第一、第二V/V接线牵引变压器的一半、第一、第二牵引供电臂和钢轨；第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的高压侧轮流换相连接至电力***，第一、第二V/V接线牵引变压器的一半的低压侧分别连接第一、第二牵引供电臂和钢轨，第一、第二牵引供电臂之间设置不带电的过分相，三相模块化多电平变换器分别连接第一、第二牵引供电臂、钢轨以及过分相。
2.如权利要求1所述的基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置，其特征是，子模块为两个IGBT和反并联的两个二极管构成的半桥电路以及一个储能单元；或者为四个IGBT和反并联的四个二极管构成的全桥电路以及一个储能单元；储能单元采用储能电池或者采用超级电容和储能电池并联构成的混合结构。
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| CN114268101A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-01 | 国网上海市电力公司 | 一种电气化铁路冲击性负荷治理装置 |
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2019
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