CN110341728B - 一种电气化铁路贯通式牵引供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，属于铁路牵引供电系统技术领域。所述联接变压器CT输出端经滤波电感Ls连接三相MMC整流器的交流侧，其直流侧DC连接直流母线；单相MMC逆变器的输入端接直流母线，输出侧连接单相降压变压器SDT一次绕组，所述单相降压变压器的二次侧输出电压为27.5kV的单相交流电接入铁路牵引网为列车供电。风力发电WP的AC‑DC变换器交流侧连接风机输出，直流输出侧连接直流母线，光伏发电PV的DC‑DC变换器的一侧连接光伏板的输出，另一侧连接直流母线，储能系统NS的DC‑DC变换器的一侧连接蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，另一侧连接直流母线。

Description

一种电气化铁路贯通式牵引供电系统
技术领域
本发明属于铁路牵引供电系统技术领域。
背景技术
目前，我国铁路系统中多采用三相-两相降压变压器为牵引网供电，但是由于不同牵引变电所取电电网不同以及牵引变压器难以做到两相输出电压的相位、幅值以及频率的完全相同，因此不同牵引变电所之间以及同一牵引变电所的两相输出之间均需设置电分相。由于电分相的存在，使得牵引网存在供电死区，列车只能依靠惯性滑过，严重制约列车的运行速度，威胁列车运行安全。并且由于电分相的存在，变电所间容量不能互补，因此需要大容量的变压器备用，造成较大资源浪费；当列车再生制动运行时，其再生制动的能量无法得到有效利用，还会造成供电区间牵引网电压抬升，直接影响列车和牵引网等主要设备的正常运行，威胁着列车和牵引供电系统安全稳定运行，同时造成大量能量浪费。此外，由于机车属于单相负荷，因此机车运行时会向三相电网注入大量的负序电流，负序电流将会带来许多问题，如导致以检测负序分量为动作条件的继电保护装置误动作，威胁系统安全；使得中性点发生零电位漂移，产生电噪声干扰，致使临近的通信系统无法正常运行等。列车产生的无功功率和谐波电流也将通过牵引变压器注入三相电网。无功功率的产生会增大设备容量，还会使得电网电压剧烈波动，增加设备及线路损耗。谐波电流可能引发牵引供电系统谐波谐振威胁电气设备安全，还会对仪表测量精度和正常通信造成影响。
为了解决上述牵引供电问题，有学者提出了一种同相供电技术，但是该技术只能取消所内电分相，而所间电分相依然存在。为了彻底解决电能质量问题以及过分相等问题，西南交通大学的学者提出了一种由前端降压变压器和三相-单相变换器以及输出端升压变压器构成的贯通式牵引供电系统，但这种结构使得变换器输出端需接大容量的滤波装置和升压变压器，此外存在中间环节电流过大、变换器扩展性不好、输出电压控制精度受限等诸多问题亟待解决。
另外，铁路沿线自然资源丰富，风能、光能等新能源充足，但是传统的铁路牵引供电系统属于交流系统，而风力发电、光伏发电等新能源发电系统其输出存在较强的随机性，因此如果大规模的新能源发电系统接入传统铁路牵引供电系统，其有功功率和无功功率的随机波动将会造成牵引网电压的剧烈波动。所以，铁路沿线丰富的自然资源难以得到充分利用。
为了彻底解决当前铁路牵引供电系统存在的电分相问题以及电能质量问题，并且为分布式电源系统的接入提供接口，本发明提出一种基于MMC结构的新型贯通式牵引供电系统，可彻底取消电分相，实现贯通供电，完全解决电能质量问题，并将直流母线引入铁路牵引供电系统，为分布式电源系统提供直流接口。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，它能有效地解决分布式电源的直流接入口以及电能质量的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，包括联接变压器CT、三相MMC整流器Rec、单相MMC逆变器Inv、降压变压器SDT和牵引网，联接变压器CT原边分别接入三相公用电网的a、b、c三相，所述联接变压器CT输出端经滤波电感Ls连接三相MMC整流器Rec的交流侧，其直流侧DC连接直流母线；单相MMC逆变器Inv的输入端接直流母线，输出侧连接单相降压变压器SDT一次绕组，所述单相降压变压器的二次侧输出电压为27.5kV的单相交流电接入铁路牵引网为列车供电。
所述三相MMC整流器Rec、单相MMC逆变器Inv均为单电感滤波，且为半桥结构的子模块叠加结构。
所述直流母线为分布式电源提供接口，风力发电WP的AC-DC变换器交流侧连接风机输出，直流输出侧连接直流母线，光伏发电PV的DC-DC变换器的一侧连接光伏板的输出，另一侧连接直流母线，储能系统NS的DC-DC变换器的一侧连接蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，另一侧连接直流母线，列车产生的再生制动能量通过就近牵引变电所SS回馈至直流母线或存入储能系统。
所述三相MMC整流器Rec通过采集三相电网侧的电压uva、uvb、uvc和电流iva、ivb、ivc以及直流侧的电容电压udc和各个子模块的电容电压值，并通过外环功率控制、内环电流控制的双环的控制与dq解耦控制相结合的方法产生调制波，再经调制模块产生驱动信号控制各个子模块的开关通断，从而使得直流侧DC输出稳定在额定电压。
所述单相MMC逆变器Inv，通过采集单相逆变侧的输出电压vss、输出电流iL以及各子模块的电容电压，采用双闭环控制与下垂控制策略结合的共享同步信号环流抑制策略产生调制波，再经调制模块产生驱动信号控制各个子模块的开关通断，使得交流侧输出额定电压。
相比较与背景技术中提及的牵引供电系统，本发明提出的一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，其主要优势在于：
(1)高度模块化设计，通过调整模块数，满足不同的容量需求；
(2)子模块可替代性强，便于系统维护与安全冗余设计；
(3)输出电能质量卓越，滤波设计简单；
(3)取消了直流侧大电容，避免直流短路故障出现的浪涌电流；
(4)可取消全线电分相，实现贯通供电，并且有效解决牵引供电系统中存在的电能质量问题；
(5)再生制动能量可通过最近的单相MMC逆变器Inv回馈至直流母线，供其余牵引变电所使用或者进入储能系统，实现再生制动能量的回收利用。
(6)引入直流母线，为分布式电源接入提供接口。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明三相MMC整流器Rec主电路拓扑图。
图3是本发明单相MMC逆变器Inv主电路拓扑图。
图4是本发明三相MMC整流器Rec控制框图。
图5是本发明单相MMC逆变器Inv控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明提出的一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，包括联接变压器CT、三相MMC整流器Rec、直流母线、牵引变电所单相MMC逆变器Inv、单相降压变压器SDT、铁路牵引网。三相MMC整流器Rec通过联接变压器CT接入三相公用电网的a、b、c三相，输出直流侧连接直流母线，直流母线与铁路沿线各个牵引变电所SS1、SS2、…、SSn中的单相MMC逆变器Inv输入端相连，其输出单相交流电与降压变压器SDT一次绕组相连，降压变压器SDT二次侧输出27.5kV的单相交流电，并连接至铁路牵引网为列车供电。风力发电WP的AC-DC变换器交流侧连接风机输出，直流输出侧连接直流母线，光伏发电PV的DC-DC变换器的一侧连接光伏板的输出，另一侧连接直流母线，储能系统NS的DC-DC变换器的一侧连接蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，另一侧连接直流母线，列车产生的再生制动能量通过就近牵引变电所SS回馈至直流母线或存入储能系统，实现再生制动能量的回收利用，防止牵引网电压抬升。
图2和图3分别为三相MMC整流器Rec和单相MMC逆变器Inv的结构示意图，两者均采用模块化设计，每一相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由一个桥臂电感L0(其阻值为R0)和n个相同设计的子模块构成。本发明采用的子模块结构为半桥子模块HBSM，其由两个带反并联二极管D的开关管T和一个电容C组成。由于每个子模块均含有一个电容，因此直流侧大电容可以取消，避免直流短路故障出现的浪涌电流。子模块高度模块化设计，可替代性强，有利于系统维护与安全冗余设计，还有利于系统在子模块故障状态下的容错运行，通过调整模块数，可满足不同的容量需求。
以下对本发明提出的牵引供电系统各部分分别进行说明：
一、联接变压器
联接变压器是三相电网与三相MMC整流器Rec的连接纽带，可实现三相电网电压与三相MMC整流器Rec的直流侧电压的匹配；实现三相电网与三相MMC整流器Rec之间的电气隔离；还可起到连接电抗器的作用，用来平滑波形和抑制故障电流。
二、三相MMC整流器Rec
图4为三相MMC整流器Rec双闭环控制框图，首先采集三相电网侧的电压uva、uvb、uvc和三相MMC整流Rec器的交流侧的电流iva、ivb、ivc和直流侧的电容电压udc，采用外环功率控制、内环电流控制的双环控制与dq解耦控制相结合的方法。一方面采用外环有功功率控制，即功率外环控制器将直流侧的电容电压实际值udc与给定值u* dc作差并经过PI控制器得到需要的d轴参考量i* vd，为了使得变换器工作在单位功率因数，通常给定q轴参考量i* vq为零；另一方面采用内环电流控制，即交流侧电流经abc-dq坐标变换在dq坐标下得到直流分量id和iq，再通过低通滤波器LPF滤波，得到不含谐波的有功无功直流分量ivd和ivq。ivd与其参考量i* vd作差后经PI控制器，再结合三相电源电压在dq坐标下的有功分量usd和不含谐波的无功直流分量ivq，得到需要的控制量差模电压的参考值的d轴分量u* diffd；ivq与其参考量i* vq作差后经PI控制器，再结合三相电源电压在dq坐标下的无功分量usq和不含谐波的有功直流分量ivd，得到需要的控制量差模电压的参考值的q轴分量u* diffq。u* diffd和u* diffq通过在dq-abc坐标变换转化成三相的参考量ufabc，经载波移相调制或最近电平逼近调制产生得到上、下桥臂中应该导通的模块数nu、nl，且满足nu+nl＝n。然后采集各个子模块的电容电压并进行排序，再采集桥臂电流ism并判断是充电状态还是放电状态，如果为充电状态则选择电压较低的nu(或nl)个子模块导通；反之，若为放电状态则选择电压较高的nu(或nl)个子模块导通。控制中坐标变换所需的电压相角的正弦、余弦值与电网角频率和时间的乘积ωt由锁相环PLL得到。
三、直流母线
三相MMC整流器Rec的输出端接两条直流母线形成直流输电线路，为沿线的各个铁路牵引变电所供能。在直流系统当中有功功率和无功功率可被独立的控制，有利于维持直流电压的稳定，因此有利于分布式电源接入铁路牵引供电系统。风力发电WP的AC-DC变换器交流侧连接风机输出，直流输出侧连接直流母线，光伏发电PV的DC-DC变换器的一侧连接光伏板的输出，另一侧连接直流母线，储能系统NS的DC-DC变换器的一侧连接蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，另一侧连接直流母线，列车产生的再生制动能量通过就近牵引变电所SS回馈至直流母线或存入储能系统，实现再生制动能量的回收利用，防止牵引网电压抬升。
四、单相MMC逆变器Inv
图5为单相MMC逆变器Inv的将双闭环控制与下垂控制策略结合的共享同步信号环流抑制策略框图。下垂控制是通过控制超前有功功率较小的变换器输出电压相位，使各变换器有功功率趋于一致；增加无功功率较小的变换器输出电压幅值，使各变换器输出无功功率趋于一致。首先采集单相MMC逆变器Inv的输出电压vss与输出电流iL并进行功率计算得到其输出的有功功率P与无功功率Q。有功功率P经过有功-相位下垂控制得到输出电压的相位信息，通过共享同步信号的正弦波发生器使得各个牵引变电所输出电压的相位趋于一致。无功功率Q经过无功-幅值下垂控制得到输出电压的幅值参考值Vref。双闭环控制策略是通过电压外环的PI控制与电流内环的比例控制抑制负载扰动带来的影响。首先采集单相MMC逆变器Inv的输出电压vss的幅值，然后与下垂控制得到的幅值参考值Vref做差后输出PI控制器，其输出与正弦波发生器输出单位正弦波相乘得到单相MMC逆变器Inv输出电流的参考值iLref。然后采集单相MMC逆变Inv器输出电流iL并与其参考值iLref做差后输入比例控制器得到其输出电压的参考值vm。vm经载波移相调制或最近电平逼近调制产生得到上、下桥臂中应该导通的模块数nu、nl，且满足nu+nl＝n。然后采集各个子模块的电容电压并进行排序，再采集桥臂电流ism并判断是充电状态还是放电状态，如果为充电状态则选择电压较低的nu(或nl)个子模块导通；反之，若为放电状态则选择电压较高的nu(或nl)个子模块导通。通过共享同步信号的环流抑制策略可使得各个牵引变电所内的单相MMC逆变器Inv的输出电压的幅值、相位和频率均趋于一致，便于通过后端降压变压器降压后实现全线贯通供电。
五、牵引变电所单相降压变压器
牵引变电所内的单相降压变压器单相MMC逆变器Inv的输出的单相工频交流电变换至牵引网所需的27.5kV的单相工频交流电。该变压器一方面提供与牵引网电压等级相同的电压，一方面使得牵引网与主电路之间具有电气隔离，在故障时防止对主电路产生太大的冲击电流损坏元件。

Claims (2)

1.一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，包括联接变压器CT、三相MMC整流器Rec、单相MMC逆变器Inv、降压变压器SDT和牵引网，联接变压器CT原边分别接入三相公用电网的a、b、c三相，其特征在于：所述联接变压器CT输出端经滤波电感L s 连接三相MMC整流器Rec的交流侧，其直流侧DC连接直流母线；单相MMC逆变器Inv的输入端接直流母线，为分布式电源接入提供接口，输出侧连接单相降压变压器SDT一次绕组，所述单相降压变压器的二次侧输出电压为27.5kV的单相交流电接入铁路牵引网为列车供电；所述三相MMC整流器、单相MMC逆变器均为单电感滤波，采用模块化设计，通过调整模块数，满足不同的容量需求，且为半桥结构的子模块叠加结构，便于系统维护与安全冗余设计；
所述直流母线为分布式电源提供接口，风力发电WP的AC-DC变换器交流侧连接风机输出，直流输出侧连接直流母线，光伏发电PV的DC-DC变换器的一侧连接光伏板的输出，另一侧连接直流母线，储能系统NS的DC-DC变换器的一侧连接蓄电池和超级电容构成的混合储能系统，另一侧连接直流母线；列车产生的再生制动能量通过就近牵引变电所SS回馈至直流母线或存入储能系统或通过最近的单相MMC逆变器Inv回馈至直流母线，供其余牵引变电所使用或者进入储能系统，实现再生制动能量的回收利用；
所述三相MMC整流器Rec通过采集三相电网侧的电压u va 、u vb 、u vc 和电流i va 、i vb 、i vc 以及直流侧的电容电压u dc 和各个子模块的电容电压值，并通过外环功率控制、内环电流控制的双环的控制与dq解耦控制相结合的方法产生调制波，再经调制模块产生驱动信号控制各个子模块的开关通断，从而使得直流侧DC输出稳定在额定电压。
2.根据权利要求1所述的一种电气化铁路贯通式牵引供电系统，其特征在于：所述单相MMC逆变器Inv，通过采集单相逆变侧的输出电压v ss 、输出电流i L 以及各子模块的电容电压，采用双闭环控制与下垂控制策略结合的共享同步信号环流抑制策略产生调制波，再经调制模块产生驱动信号控制各个子模块的开关通断，使得交流侧输出额定电压。
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