CN111446866A - 基于平衡变压器和四端口mmc的贯通同相牵引供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于平衡变压器和四端口MMC的贯通同相牵引供电系统，由多个贯通式同相牵引变电所接入相互连通的接触网组成，各变电所包括两个采用三相/两相平衡接线形式的牵引变压器T₁和T₂、具有三个输入和一个输出端口的静止功率转换器SPC；T₁和T₂的三相原边端口由断路器接入同步公共交流电网的三相，T₁和T₂的三相副边端口分别均接入SPC的三个输入端口，SPC的输出端口接入牵引母线；SPC由k个四端口模块化多电平变流器4P‑MMC并联组成，各4P‑MMC均分别包括四相，每相由上下桥臂串联组成，各4P‑MMC的三相中点分别通过三相断路器接入SPC的对应输入端口，各4P‑MMC的第四相中点分别由断路器接入SPC的输出端口。本发明具有接线简单、成本低的优势。

Description

基于平衡变压器和四端口MMC的贯通同相牵引供电系统

技术领域

本发明涉及一种贯通式同相牵引供电系统、牵引变电所及其功率转换装置，特别是一种适于三相-单相功率变换的四端口模块化多电平变流器的贯通同相牵引供电系统。

背景技术

铁路(轨道交通)牵引供电系统是电气化铁路和城市轨道交通系统的能源入口，对其运行的安全稳定性和经济性至关重要。我国高速、重载铁路以及城际快速轨道交通的牵引供电系统，均采用“单相50Hz交流+单边供电”制式，每间隔10～30km须设置“电分相”无电区，造成行车故障概率大大增加、高铁旅行速度下降、重载运输效率降低以及机车“趴窝”等难题。此外，既面临诸多影响公网的严重电能质量问题，还存在牵引机车再生能量利用不足、牵引变容量利用率低下、系统整体可靠性有限等痼疾。现行牵引供电制式的“电分相”始终制约我国电气化铁路的安全、可靠、高效、高品质运行，解决该问题的核心是同相牵引供电技术。

同相牵引供电技术可分为准同相牵引供电技术、虚拟同相牵引供电技术和贯通式同相牵引供电技术三大类。

准同相牵引供电技术是一种单边牵引供电制式，通过在牵引所采用单相牵引变压器或其他牵引变压器的单一端口为接触网供电，同时配合有源装置补偿牵引所不平衡潮流，如专利1(专利号ZL201611056799.1)提出的一种适用于高速电气化铁路的同相牵引供电系统和专利2(专利号201310227591.1)提出的一种单相组合式同相供变电构造。准同相牵引供电技术取消了牵引所内电分相，但由于无法直接控制牵引所母线电压，取消分区所电分相会构成低压环网引起环流。不得不保留分区所电分相，使得该技术不是完全的同相供电技术，故称为准同相牵引供电技术。

虚拟同相牵引供电技术利用有源装置直接控制牵引所和分区所中电分相无电区电压，在不改变既有牵引供电系统供电制式的基础上，实现机车无断电通过全接触网电分相，如专利3(专利号ZL201010596433.X)提出的一种牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法、专利4(专利号ZL201010597237.4)提出的一种电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法和专利5(申请号201811313066.0)提出的一种分区所无断电柔性电分相设备及其控制方法。虚拟同相牵引供电技术较好地解决了机车通过电分相的问题，但仍属于单边牵引供电制式，也继承了单边供电制式的缺点，包括：供电能力与供电可靠性受限，短路故障和电能质量相互影响；接触网各段电压波动大，牵引机车再生能量利用不足、牵引变容量利用率低下、系统整体可靠性有限等痼疾。

贯通式同相牵引供电技术是双边牵引供电制式，主要依靠静止功率转换器的交交变换，实现三相外部电网与单相牵引电网的功率转换，其基本特点为：

1)完全取消电分相，实现真正同相供电，机车在接触网运行全过程无需过分相操作，安全可靠，无速度损失；

2)确保外部电力系统三相系统平衡，无需动态无功补偿，谐波达标；

3)三相电网与牵引系统完全解耦，几乎互不影响、电网故障穿越能力强；

4)牵引变压器容量利用率高，牵引所固定容量和运行费用降低；

5)外部的电源短路容量要求低、降低开关设备造价、电网适应能力强；

6)实现双边供电，供电能力强，有利于增大牵引站间距，稳定接触网电压，有效提高供电可靠性；

7)牵引系统故障电流限制，接触网短路时电流迅速限制在额定值以内，降低接地及连接机构造价；

8)制动能量可控地减少回馈至三相系统，充分利用制动能量，可节省牵引能量10％～20％；

实现贯通式同相牵引供电技术的核心装备是三相/单相静止功率转换器SPC，其拓扑实现包括几种典型方式：

1)以ABB和GE等公司为代表，采用基于三电平的三相交流-直流-单相交流变换方案。两侧变流器通过共同的直流环节相互连接，其逆变通常采用单相变压器串联多重化方式以减小输出电压谐波，典型型号为PCS-6000Rail。由于该方案电平数较少，等效开关频率有限，需要复杂的多重化变压器降低特征频率，变压器绕制复杂；交流电压、电流谐波较大，器件容量要求高，效率较低，并且需要增加较大的滤波器。

2)专利6(专利号：ZL200710175253.2)提出了一种用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器，是一种单相交流-直流-单相交流的统一电能质量控制器，利用多级独立直流环节构造出逆变侧级联多电平输出，可获得良好的输出电压谐波特性。类似地，文献1(I.Krastev,P.Tricoli,S.Hillmansen and M.Chen,"Future of Electric Railways:Advanced Electrification Systems with Static Converters for ac Railways,"inIEEE Electrification Magazine,vol.4,no.3,pp.6-14,Sept.2016.)描述了类似结构，区别在于整流侧各功率单元为三相整流器。该方案的问题在于需要较为复杂、成本较高的多重化变压器。

3)以西门子为代表，采用模块化多电平交交直接变换器MMDC技术，较好地解决了ABB和GE技术方案的问题，采用多个H桥的模块化多电平级联方式，使得SPC谐波特性和效率均得到提升，可省去复杂的变压器结构。然而，西门子的MMDC技术要求，只有当SPC的输入和输出侧电网频率不同时，其输入与输出侧的功率潮流才能相互解耦，并不适合应用于50Hz/50Hz的应用场景。

4)文献2(李子欣,张航,雷鸣,王哲,王平,李耀华.基于电力电子变压器的新型贯通式同相供电变流器[J].电工电能新技术,2018,37(05):1-11.)描述的单相交-直-交型模块化多电平变流器SPC，单相MMC和单相MMC变流器通过直流侧互联构成，一共采用两台SPC，每台SPC和三相-两相平衡变压器的两相绕组的每一相分别相连，平衡变压器的三相绕组和三相电网相连，利用多电平技术，在三相电网和单相牵引网端口获得了良好的谐波特性，并且输入与输出端口交流频率相互解耦，适用于不同场景。但存在桥臂较多，开关功率器件利用率不足，总体成本高的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决既有三相/单相静止功率转换器交交变换变流器拓扑存在的问题，构造有经济优势、特性优良的贯通式同相牵引变电所及贯通式同相牵引供电系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种基于平衡变压器和四端口MMC的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，由若干个间隔设置的贯通式同相牵引变电所组成，各贯通式同相牵引变电所的电源侧接入同一同步公共交流电网，各贯通式同相牵引变电所的负荷侧均接入接触网T且该侧所有牵引变电所之间全部相互贯通；

各贯通式同相牵引变电所包括第一牵引变压器T₁、第二牵引变压器T₂、若干开关以及具有三个输入端口Ac、Bc、Cc和一个输出端口Xc的静止功率转换器SPC；所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂均为三相/两相平衡接线形式的变压器，各牵引变压器的原边三相绕组按星形联接成绕组AO、绕组BO、绕组CO，其中绕组BO、绕组AO共同组成绕组BA，各牵引变压器的副边两相绕组联接成绕组ba、绕组ca，其中绕组ba和绕组BA对应，绕组ca和绕组CO对应，端口a作为各牵引变压器副边绕组的公共端口；所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的各相原边端口分别通过三相断路器CB1、CB2接入同步公共交流电网的A、B、C三相，其中A相超前于B相120°、A相滞后于C相120°，所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的各相副边端口分别均接入所述静止功率转换器SPC的三个输入端口Ac、Bc、Cc，该静止功率转换器的输出端口Xc接入牵引母线T-bus，牵引母线T-bus通过单相断路器CB3接入接触网T，铁轨通过回流线接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；所述静止功率转换器SPC的任一输入端口接入牵引变电所内集中接地端，且各贯通式同相牵引变电所内集中接地端接入的该所静止功率转换器SPC的输入端口相序号均相同；所述静止功率转换器SPC由k个四端口模块化多电平变流器4P-MMC并联组成，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC均分别包括A、B、C、X四相，每相由上、下桥臂串联组成，各相上桥臂正极端相互并联形成直流正极DC+，各相下桥臂负极端相互并联形成直流负极DC-，各相上桥臂的负极端和下桥臂的正极端相串联作为对应相的中点，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C三相中点分别通过一三相断路器TB接入静止功率转换器SPC的对应输入端口Ac、Bc、Cc，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相中点分别通过单相断路器SB接入静止功率转换器SPC的输出端口Xc；

所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的各原边端口间的额定线电压有效值U_L均相等、各线电压相角依次相差120°，各副边绕组ba和绕组ca的电压有效值相同，记为U_l；绕组ba的电压相位超前绕组ca的电压相位90°；记绕组ba和绕组BA的变比为K_M，绕组ca和绕组CO的变比为K_T，则各牵引变压器的变比K_M和K_T均分别满足：

K_M＝U_l/U_L

进一步地，各贯通式同相牵引变电所还均分别包括单相输出变压器T_o，该单相输出变压器T_o的原边绕组一端口P₁接入相应贯通式同相牵引变电所内静止功率转换器SPC的输出端口Xc，另一端口P₀经断路器CB4接入SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc中和两牵引变压器副边公共端口相同相序的一个输入端口；所述单相输出变压器T_o的副边绕组一端口S₁经单相断路器CB5接入牵引母线T-bus，另一端口S₀接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；

所述单相输出变压器T_o的副边额定电压与牵引母线T-bus的额定电压相同，记有效值为U_o，单相输出变压器T_o的原边额定电压与SPC输出端口Xc端口电压相同，记有效值为U_x，则单相输出变压器T_o变比K_o为：

K_o＝U_o/U_x。

进一步地，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相中，上、下桥臂结构相同，均分别由若干个电压源子模块以及一台滤波电抗器依次串联组成；上桥臂中，第一个电压源子模块的正极端和滤波电抗器的一端分别作为上桥臂的正极端和负极端；下桥臂中，滤波电抗器的一端和最后一个电压源子模块的负极端分别作为下桥臂的正极端和负极端。

本发明的特点及有益效果

本发明申请提出的贯通同相牵引供电系统，其特点及有益效果在于：

1)现在的牵引供电系统大多都是使用牵引供电所内的三相-两相平衡变压器实现异相供电。本发明系统正是基于平衡变压器的，不需要额外的常规三相变压器，可以在现有的牵引供电所平衡变压器的基础上进行改造，节省了变压器的建造成本。

2)SPC包括多台4P-MMC并列运行，其中部分4P-MMC故障退出不影响SPC及贯通同相牵引变电所运行，系统运行可靠性高；两台牵引变压器可并列运行，单台变压器故障不影响贯通同相牵引变电所正常运行。

3)提出四端口模块化多电平变流器4P-MMC构成本发明系统贯通同相牵引变电所核心设备静止功率转换器SPC。4P-MMC的优势包括，相对于ABB、GE的方案，避免了交流端口较大容量滤波器，同时可避免在三相交流和单相交流侧复杂接线变压器，显著提高系统效率并降低系统成本。4P-MMC相对于专利6和文献1所述方案，避免了整流侧采用复杂多重化变压器，节省了相应地成本，提高了整体效率。4P-MMC相对于西门子MMDC技术，解决了其无法适应输入和输出交流系统为相同频率的应用场景问题。4P-MMC相对于文献2所述两台四端口单相交-直-交型MMC方案，在保持两侧交流谐波特性优良，输入输出频率解耦的特点同时，由于减小了一个输入端口的电流应力，同时还从两台SPC减少到了一台，整体可降低38％的功率器件和电容成本，具有很强的经济优势。

4)本发明取消接触网全线电分相，依赖SPC输入端口变流器可对外部公网电能质量有效治理，并有效限制接触网故障电流。

附图说明

图1是本发明实施例中贯通式同相牵引供电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中不含输出变压器的贯通式同相牵引变电所结构示意图；

图3是本发明实施例中含有输出变压器的贯通式同相牵引变电所结构示意图；

图4是本发明的静止功率转换器SPC中第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMC_i的结构示意图；

图5是本发明实施例中构成四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相上、下桥臂结构示意图；其中图5(a)是上桥臂结构示意图，图5(b)是下桥臂结构示意图；

图6是本发明实施例中构成4P-MMC中各相桥臂的电压源子模块结构示意图；

图7是本发明的静止功率转换器SPC的电压相量图；

图8是本发明的静止功率转换器SPC(k＝1)的电气结构及关键电气量示意图；

图9是本发明实施例中一种在SPC退出运行后仍具备供电能力的贯通式同相牵引变电所结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明反馈的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明反馈，而不能理解为对本发明反馈的限制。

下面参照附图描述根据本发明反馈实施例提出的基于四端口模块化多电平变流器的贯通式同相牵引供电系统。

图1是本发明反馈的一个实施例的基于平衡变压器和四端口MMC的贯通同相牵引供电系统。

如图1所示，本发明提出的基于平衡变压器和四端口MMC的贯通式同相牵引供电系统，由M个(M通常为大于1的正整数)间隔一定距离(通常在2km～60km)的贯通式同相牵引变电所组成，本发明中M个贯通式同相牵引变电所电源侧接入的外部公共电网应属于一个同步交流电网，M个贯通式同相牵引变电所负荷侧牵引母线T-bus均接入接触网T且该侧各牵引变电所之间全部相互贯通，牵引供电系统全线无电分相设置。图2是本发明反馈的一个实施例中一个贯通式同相牵引变电所，包括一个斯科特变压器接法第一牵引变压器第一牵引变压器T₁和一个斯科特变压器接法第二牵引变压器第二牵引变压器T₂，一组由一个或多个基于四端口模块化多电平变流器(4P-MMC)并联组成的静止功率转换器SPC和若干开关。

结合附图，对本发明提出的贯通式同相牵引供电系统中一个贯通式同相牵引变电所的具体实施方式进一步说明如下。

本发明提出的贯通式同相牵引变电所如图2所示，包括一个三相/两相平衡接线形式的第一牵引变压器T₁，一个三相/两相平衡接线形式的第二牵引变压器T₂，一组静止功率转换器SPC和若干开关。第一牵引变压器T₁包括原边端口A₁、B₁、C₁和副边端口a₁、b₁、c₁；第二牵引变压器T₂包括原边端口A₂、B₂、C₂和副边端口a₂、b₂、c₂；静止功率转换器SPC包括三个输入端口Ac、Bc、Cc和一个输出端口Xc；开关包括三相断路器CB1、CB2和单相断路器CB3。

本发明提出的贯通式同相牵引供电系统以所接入为一个同步公共交流电网为例，采用A、B、C表示该公共交流电网三相，其中A相超前于B相120°、A相滞后于C相120°。所述贯通式同相牵引变电所内各元件的连接关系为：第一牵引变压器T₁的原边端口A₁、B₁、C₁经三相断路器CB1分别接入同步公共交流电网A、B、C三相，第一牵引变压器T₁的副边端口a₁、b₁、c₁分别通过三相断路器CB6接入静止功率转换器SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc；第二牵引变压器T₂的原边端口A₂、B₂、C₂经三相断路器CB2分别接入公共同步公共交流电网A、B、C三相，第二牵引变压器T₂的副边端口a₂、b₂、c₂分别通过三相断路器CB7接入静止功率转换器SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc；静止功率转换器SPC的输出端口Xc接入牵引母线T-bus，牵引母线T-bus经单相断路器CB3接入接触网T，铁轨经回流线接入牵引所内集中接地端，所述集中接地端接入大地地网。

选择牵引所内集中接地端接入SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc中的一个，如图2中选择端口Ac接入集中接地端；对于本发明贯通式同相牵引供电系统各个贯通式同相牵引变电所中的SPC，均应选择相同相序的一个输入端口接入所内集中接地端。各贯通式同相牵引变电所内的第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂均按斯科特变压器方式接线，以第一牵引变压器T₁为例进行说明。第一牵引变压器T₁的原边三相绕组按星形联接成绕组A₁O₁、绕组B₁O₁、绕组C₁O₁，其中绕组B₁O₁、绕组A₁O₁共同组成绕组B₁A₁；第一牵引变压器T₁的副边两相绕组联接成绕组b₁a₁、绕组c₁a₁，其中绕组b₁a₁和绕组B₁A₁对应，绕组c₁a₁和绕组C₁O₁对应，端口a₁作为副边绕组的公共端口。对于本发明的贯通式同相牵引变电所内斯科特变压器接线的牵引变压器，副边绕组的公共端口均应选择相同相序的一个输入端口，并且副边绕组的公共端口应选择为和集中接地端是相序相同的端口。

各斯科特变压器接线的牵引变压器(T₁、T₂)的原边三个端口(A₁、B₁、C₁以及A₂、B₂、C₂)间的额定线电压有效值U_L均相等、各线电压相角依次相差120°。副边绕组b₁a₁和绕组c₁a₁的电压有效值相同，记为U_l；绕组b₁a₁的电压相位超前绕组c₁a₁的电压相位90°。记绕组b₁a₁和绕组B₁A₁的变比为K_M，绕组c₁a₁和绕组C₁O₁的变比为K_T，则牵引变压器的变比K_M和K_T满足：

K_M＝U_l/U_L (1)

可选的，SPC可配置单相输出变压器To。如图3所示，单相输出变压器To的原边绕组一端口P₁接入静止功率转换器SPC的输出端口Xc，另一端口P₀经断路器CB4接入SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc中和两牵引变压器副边公共端口相同相序的一个输入端口，图3中选择接入端口Ac；单相输出变压器To的副边绕组一端口S₁经断路器CB5接入牵引母线T-bus，另一端口S₀接入集中接地端。可选择静止功率转换器SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc和输出端口Xc中任一端口接入集中接地箱，或者选择四个端口均不接入集中接地箱。

单相输出变压器T_o的副边额定电压与牵引母线T-bus的额定电压相同，记有效值为U_o，单相输出变压器T_o的原边额定电压与SPC输出端口Xc端口电压相同，记有效值为U_x，则单相输出变压器T_o变比K_o为：

K_o＝U_o/U_x (3)

一组所述静止功率转换器SPC，通常包括k个(通常k∈[1，6]的自然数)相同的四端口模块化多电平变流器4P-MMC，记第i(i＝1,2,…,k)个四端口模块化多电平变流器为4P-MMC_i，且4P-MMC_i的4个端口记为Ac_i、Bc_i、Cc_i和Xc_i。当i＝1,2,…,k时，4P-MMC_i的输入端口Ac_i均接入SPC的输入端口Ac，4P-MMC_i的输入端口Bc_i均接入SPC的输入端口Bc，4P-MMC_i的输入端口Cc_i均接入SPC的输入端口Cc，4P-MMC_i的输出端口Xc_i均接入SPC的输出端口Xc。

所述第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMC_i如图4所示，包括A_i、B_i、C_i、X_i共4相，每相由上、下两个桥臂相互串联而成，各相上桥臂正极端记为P+、负极端记为P-，各相下桥臂正极端记为N+、负极端记为N-；各相上桥臂正极端P+相互连接，形成直流正极DC+，各相下桥臂负极端N-相互连接，形成直流负极DC-；其中第J_i(J_i＝A_i,B_i,C_i,X_i)相上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+构成J_i相中点Jm_i(Jm_i＝Am_i,Bm_i,Cm_i,Xm_i)。其中Am_i、Bm_i、Cm_i经过三相断路器TB_i接入4P-MMC_i的输入端口Ac_i、Bc_i、Cc_i，而Xm_i经过单相断路器SB_i接入4P-MMC_i的输出端口Xc_i。

所述第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMC_i的J_i相上桥臂如图5中(a)所示，由N_J个电压源子模块以及一台滤波电抗器L串联组成，第一个电压源子模块的正极端作为J_i相上桥臂的正极端P+，每一个电压源子模块的负极端均与下一个电压源子模块的正极端相连，最后一个电压源子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为J_i相上桥臂的负极端P-。

所述第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMC_i的J_i相下桥臂如图5中(b)所示，由N_J个电压源子模块以及一台滤波电抗器L串联组成，第一个电压源子模块的正极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为J_i相下桥臂的正极端N+，每一个电压源子模块的负极端均与下一个电压源子模块的正极端相连，最后一个电压源子模块的负极端作为J_i相下桥臂的负极端N-。

所述电压源子模块均为单相电压源型变流器结构，具有g(g为正整数且满足g≥2)个输出电平；记子模块交流正、负极间电压为u_SM，流经子模块的电流为i_SM，且均以子模块正极端到负极端为正方向，参见图6；所述电压源子模块中包括f个直流电容(f为正整数且满足g>f≥1)，其中电压源子模块内第v个直流电容正极与负极之间的电压差为该直流电容的直流电压U_cv(v＝1,2,…，f)，电压源子模块额定直流电压U_c通常满足关系：

在电压源子模块内部所有电力电子开关受控关断时，若流经电压源子模块的电流i_SM方向为负，则电压源子模块端口电压u_SM幅值近似为零。

所述电压源子模块包括但不限于以下功率子模块类型：

半桥子模块(简称HBSM)，记为A₁型电压源子模块，对应g＝2、f＝1；双半桥子模块记为A₂型电压源子模块，对应g＝3、f＝2；带阻断开关的T型中点箝位子模块记为A₃型电压源子模块，对应g＝3、f＝2；飞跨电容型三电平子模块记为A₄型电压源子模块，对应g＝3、f＝2；所述A₁—A₄型子模块均为公知的标准电路，其中A₂、A₃、A₄参见文献(Nami,A.,et al.,Modular Multilevel Converters for HVDC Applications:Review on Converter Cellsand Functionalities.IEEE Transactions on Power Electronics,2015.30(1):p.18-36.)。

所述电压源子模块，其中的电力电子开关通常采用逆导型IGBT或IGCT(可单独使用或混用)。

若本发明提出的贯通式同相牵引供电系统采用直接供电制式，记接触网T额定电压有效值为U_o，贯通式同相牵引变电所接入同步公共交流电网额定线电压为U_L，每个贯通式同相牵引变电所牵引负荷额定视在容量为S，变电所牵引负荷功率因数角为

贯通式同相牵引变电所注入同步公共交流电网端口为正序电流，其近端端口功率因数角记为

功率因数角均以电压滞后于电流为正。以所述贯通式同相牵引变电所中的一组静止功率转换器SPC所包含的四端口模块化多电平变流器4P-MMC的数量k＝1为例，说明SPC主要电气量特征(对于k取其他数值的情况，SPC主要电气量同样按照公式(4)～(20)所限定的方式进行设置)。

记牵引变压器T₁、T₂副边端口线电压均为u_ab，u_bc，u_ca，副边端口相电压虚拟中性点为o，对应相电压为u_ao，u_bo，u_co，相量形式表示为

并以电压相量

为参考相位，其电压相量图如图7所示。

为线电压，

是a相、b相、c相、x相中桥臂电压的交流分量，

是输出电压。δ_x是

相对于参考电压相量的相角，δ_xo是

相对于参考电压相量的相角。

所述一组SPC相关电气量及其参考方向如图8所示。以图2中SPC输入端口Ac接入集中接地端为例，端口Ac和牵引变压器a₁和a₂均为参考电位，则相对参考电位(见图7中a点)，SPC的输入端口Ac、Bc、Cc和输出端口Xc的电压，即4P-MMC₁变流器的A₁，B₁，C₁，X₁相交流端口电压u_aa(t)，u_ba(t)，u_ca(t)，u_xa(t)可分别表示为：

式中，ω为同步公共交流电网的角频率，t为系统运行时间，U_l为斯科特变压器T₁、T₂副边端口b、c对a的电压有效值，U_x为SPC的输出端口Xc电压u_xa(t)的有效值，δ_x为u_xa(t)的电压相位角，以超前于参考电压相量

为正，一般选取δ_x取值范围满足：

在本发明中，通常选择SPC输出端口电压u_xa(t)的相角

4P-MMC₁中A₁，B₁，C₁相中上、下桥臂电压交流分量有效值均相同，记为U_m，应满足：

记U_d为4P-MMC₁直流正极DC+与直流负极DC-之间的额定直流电压，则U_d应满足关系：

式中m为A₁，B₁，C₁三相调制度。

4P-MMC₁中X₁相上、下桥臂电压交流分量有效值U_xo、交流分量相位角δ_xo，应满足：

记X₁相调制度为m_x，应满足关系：

通常选择m、m_x∈[0.8,0.95]。

4P-MMC₁中A₁，B₁，C₁，X₁相上、下桥臂电压交流分量为：

进一步有，SPC中4P-MMC₁的A₁，B₁，C₁，X₁相上、下桥臂电压分别为：

对应地，4P-MMC₁的A₁，B₁，C₁，X₁相上、下桥臂中电压源子模块的数量N_A，N_B，N_C，N_X应满足关系式：

如图8，记牵引变压器T₁或T₂副边端口电流i_Ta(t)，i_Tb(t)，i_Tc(t)，满足：

i_Ta(t)＝-(i_Tb(t)+i_Tc(t)) (15)

记I_l是电流i_Tb(t)，i_Tc(t)的有效值，则有关系式：

记SPC的端口Ac、Bc、Cc、Xc电流，即4P-MMC₁变流器的A₁，B₁，C₁，X₁相交流端口电流为i_a(t)，i_b(t)，i_c(t)，i_x(t)，满足以下关系式：

详细地，i_a(t)，i_b(t)，i_c(t)，i_x(t)应满足关系式：

式中I_x为i_x(t)的有效值。

根据能量守恒定律，且不考虑SPC损耗，则应满足：

式中，S为贯通式变电所牵引负荷额定视在容量。

4P-MMC₁的A₁，B₁，C₁，X₁相上、下桥臂电流分别为：

式中I_da、I_db、I_dc、I_dx为A₁，B₁，C₁，X₁相桥臂电流直流分量，应满足：

一般地，当SPC由k个相同规格4P-MMC并联时，每个4P-MMC各相上、下桥臂电流可表示为：

特别地，当4P-MMC各相调制度满足m＝m_x(对于4P-MMC个数大于1的情况，单个4P-MMC内各相调制度应相等)时，其各相桥臂容量利用率最大，对于SPC典型工作点

U_l与U_x应满足关系：

若本发明SPC不配置输出单相变压器T_o，SPC输出端口Xc直接接入贯通式同相牵引变电所内母线T-bus，T-bus电压有效值与牵引网额定电压有效值同为U_o，即满足：

U_x＝U_o (24)

若本发明SPC配置输出单相变压器T_o，且U_l＝U_o，则单相输出变压器T_o的变比K_o应满足：

本发明贯通式同相牵引供电系统的工作原理如下：

本发明贯通式同相牵引供电系统正常运行时，M个贯通式同相牵引变电所共同承担贯通式牵引接触网全线牵引负荷。

牵引变压器T₁与T₂互为备用，贯通式同相牵引变电所正常运行时，若第一牵引变压器T₁投运、T₂备用，三相断路器CB1闭合，CB2断开。若牵引变压器T₁发生故障，则先分断CB1，随后闭合CB2，将牵引变压器T₂投入运行；若牵引变压器T₂投运时发生故障，则先分断CB2，随后闭合CB1，将牵引变压器T₁投入运行。

本发明贯通式同相牵引变电所的一组SPC中k个4P-MMC平均分担牵引负荷功率，每个4P-MMC允许通过的额定牵引负荷功率容量为S/k。检测到SPC中第i个变流器4P-MMC_i发生故障，应立即闭锁4P-MMC_i中功率器件触发脉冲，将其中三相断路器TB_i和单相断路器SB_i断开，SPC剩余的k-1个4P-MMC平均分担牵引负荷功率；相应地，牵引变电所允许通过的牵引负荷额定功率容量减小为(k-1)S/k。贯通式同相牵引变电所一组SPC中最多不超过k-1个4P-MMC发生故障时，该牵引变电所仍在贯通式同相牵引供电系统中运行。贯通式同相牵引变电所一组SPC中k个4P-MMC发生故障，贯通式同相牵引变电所发生故障退出运行。贯通式同相牵引供电系统中一个贯通式同相牵引变电所发生故障退出运行，贯通式同相牵引供电系统剩余的M-1个牵引变电所重新分配通过各牵引变电所的功率容量，并不影响贯通式牵引供电系统正常运行；其中每个贯通式同相牵引变电所应具备一定的冗余功率容量。

特别地，本发明实施例中一种在SPC退出运行后仍具备供电能力的贯通式同相牵引变电所，如图9所示，该实施例中，贯通式同相牵引变电所应满足U_l＝U_o。若该实施例贯通式同相牵引变电所SPC故障整体退出运行，分断SPC各4P-MMC的三相断路器TB_i和单相断路器SB_i，随即闭合断路器CB6，即可由三相牵引变压器T₁或T₂副边b₁(b₂)端口或c₁(c₂)端口直接向牵引母线T-bus供电，以节省其他各贯通式同相牵引变电所的功率容量，同时应调整贯通式同相牵引供电系统中其余M-1个贯通式同相牵引变电所SPC输出电压跟踪该牵引变电所端口b₁(b₂)或c₁(c₂)电压。

以用于直接供电制式的贯通式同相牵引供电系统为例，说明本发明具体实施方式，系统简图见图3。本具体实施例中，牵引变压器T₁和T₂均采用斯科特变压器接线，静止功率转换器SPC配置输出单相变压器T_o，一组SPC所包含的四端口模块化多电平变流器4P-MMC的数量k＝1。同步公共交流电网额定线电压U_L＝110kV，牵引变压器副边额定线电压U_l＝27.5kV，牵引变压器变比K_M、K_T为：

本具体实施例中，SPC输出端口电压u_xa(t)的相角

4P-MMC₁各相调制度满足m＝m_x＝0.9，SPC输出端口Xc端口电压有效值为U_x为：

贯通式同相牵引变电所内母线T-bus与接触网电压U_o＝27.5kV，输出变压器T_o变比K_o为：

K_o＝U_o/U_x＝0.71 (29)

4P-MMC₁中A₁，B₁，C₁相中上、下桥臂电压交流分量有效值U_m为：

4P-MMC₁直流正极DC+与负极DC-之间的额定电压U_d为：

4P-MMC₁中X₁相上、下桥臂电压交流分量有效值U_xo、交流分量相位角δ_xo为：

本具体实施例中，电压源子模块采用半桥子模块，模块额定直流电压U_c＝1kV，则4P-MMC₁的A₁，B₁，C₁，X₁相上、下桥臂中电压源子模块的数量N_A，N_B，N_C，N_X应满足：

取N_A＝N_B＝N_C＝N_X＝59。

贯通式同相牵引变电所额定牵引负荷视在容量为S＝40MVA，令贯通式同相牵引变电所输入近端端口功率因数角

输出近端端口功率因数角

则牵引变压器副边端口电流有效值I_l与SPC输出端口电流有效值I_x分别为：

在该具体实施例中，系统关键参数见下表：

在该具体实施例中，4P-MMC各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：

如果4P-MMC运行在给定条件下的工作点，A相桥臂的电流为0，A相桥臂的容量为0。但是实际工况中4P-MMC无法一直稳定在给定条件下的工作点，分别考虑牵引变压器副边线电压U_l在(0.9～1.1)U_o范围变化和牵引变电所输出近端端口功率因数角

在

范围变化的情况。

本发明在U_l＝(0.9～1.1)U_o工况下，4P-MMC各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：

文献2所述五端口交-直-交型MMC，在相同工况下，各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：

4P-MMC各桥臂容量(有效值)之和最大为178.6MVA，各桥臂容量(峰值)之和最大为304.4MVA；文献2所述两台四端口单相MMC各桥臂容量(有效值)之和最大为288.8MVA，各桥臂容量(峰值)之和最大为497.6MVA。与文献2所述两台四端口单相MMC相比，本发明提出的4P-MMC整体可降低39％的功率器件和电容成本。

本发明在

工况下，4P-MMC各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：

文献2所述两台四端口单相交-直-交型MMC，在相同工况下，各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：

4P-MMC各桥臂容量(有效值)之和最大为177.8MVA，各桥臂容量(峰值)之和最大为300.2MVA；文献2所述两台四端口单相MMC各桥臂容量(有效值)之和最大为284.8MVA，各桥臂容量(峰值)之和最大为491.2MVA。与文献2所述两台四端口单相MMC相比，本发明提出的4P-MMC整体可降低39％的功率器件和电容成本。

Claims (8)

1.一种基于平衡变压器和四端口MMC的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，由若干个间隔设置的贯通式同相牵引变电所组成，各贯通式同相牵引变电所的电源侧接入同一同步公共交流电网，各贯通式同相牵引变电所的负荷侧均接入接触网T且该侧所有牵引变电所之间全部相互贯通；

各贯通式同相牵引变电所包括第一牵引变压器T₁、第二牵引变压器T₂、若干开关以及具有三个输入端口Ac、Bc、Cc和一个输出端口Xc的静止功率转换器SPC；所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂均为三相/两相平衡接线形式的变压器，各牵引变压器的原边三相绕组按星形联接成绕组AO、绕组BO、绕组CO，其中绕组BO、绕组AO共同组成绕组BA，各牵引变压器的副边两相绕组联接成绕组ba、绕组ca，其中绕组ba和绕组BA对应，绕组ca和绕组CO对应，端口a作为各牵引变压器副边绕组的公共端口；所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的各相原边端口分别通过三相断路器CB1、CB2接入同步公共交流电网的A、B、C三相，其中A相超前于B相120°、A相滞后于C相120°，所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的各相副边端口分别均接入所述静止功率转换器SPC的三个输入端口Ac、Bc、Cc，该静止功率转换器的输出端口Xc接入牵引母线T-bus，牵引母线T-bus通过单相断路器CB3接入接触网T，铁轨通过回流线接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；所述静止功率转换器SPC的任一输入端口接入牵引变电所内集中接地端，且各贯通式同相牵引变电所内集中接地端接入的该所静止功率转换器SPC的输入端口相序号均相同；所述静止功率转换器SPC由k个四端口模块化多电平变流器4P-MMC并联组成，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC均分别包括A、B、C、X四相，每相由上、下桥臂串联组成，各相上桥臂正极端相互并联形成直流正极DC+，各相下桥臂负极端相互并联形成直流负极DC-，各相上桥臂的负极端和下桥臂的正极端相串联作为对应相的中点，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C三相中点分别通过一三相断路器TB接入静止功率转换器SPC的对应输入端口Ac、Bc、Cc，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相中点分别通过单相断路器SB接入静止功率转换器SPC的输出端口Xc；

所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的各原边端口间的额定线电压有效值U_L均相等、各线电压相角依次相差120°，各副边绕组ba和绕组ca的电压有效值相同，记为U_l；绕组ba的电压相位超前绕组ca的电压相位90°；记绕组ba和绕组BA的变比为K_M，绕组ca和绕组CO的变比为K_T，则各牵引变压器的变比K_M和K_T均分别满足：

K_M＝U_l/U_L

2.根据权利要求1所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，各贯通式同相牵引变电所还均分别包括单相输出变压器T_o，该单相输出变压器T_o的原边绕组一端口P₁接入相应贯通式同相牵引变电所内静止功率转换器SPC的输出端口Xc，另一端口P₀经断路器CB4接入SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc中和两牵引变压器副边公共端口相同相序的一个输入端口；所述单相输出变压器T_o的副边绕组一端口S₁经单相断路器CB5接入牵引母线T-bus，另一端口S₀接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；

所述单相输出变压器T_o的副边额定电压与牵引母线T-bus的额定电压相同，记有效值为U_o，单相输出变压器T_o的原边额定电压与SPC输出端口Xc端口电压相同，记有效值为U_x，则单相输出变压器T_o变比K_o为：

K_o＝U_o/U_x。

3.根据权利要求1或2所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相中，上、下桥臂结构相同，均分别由若干个电压源子模块以及一台滤波电抗器依次串联组成；上桥臂中，第一个电压源子模块的正极端和滤波电抗器的一端分别作为上桥臂的正极端和负极端；下桥臂中，滤波电抗器的一端和最后一个电压源子模块的负极端分别作为下桥臂的正极端和负极端。

4.根据权利要求3所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，令所述接触网T的额定电压有效值为U_o，所述贯通式同相牵引变电所接入同步公共交流电网的额定线电压有效值为U_L，每个贯通式同相牵引变电所的牵引负荷额定视在容量和牵引负荷功率因数角分别为S和

令贯通式同相牵引变电所注入同步公共交流电网端口为正序电流，其近端端口功率因数角记为

功率因数角均以电压滞后于电流为正；令静止功率转换器SPC的输入端口Ac接入集中接地端，即输入端口Ac以及与其相连的牵引变压器的副边端口均为参考电位，则静止功率转换器SPC的主要电气量特征设置如下：

静止功率转换器SPC输入端口Ac、Bc、Cc和输出端口Xc的电压，即各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相的交流端口电压u_aa(t)，u_ba(t)，u_ca(t)，u_xa(t)分别表示为：

式中，ω为同步公共交流电网的角频率，t为系统时间，U_l为各牵引变压器T₁、T₂副边端口b、c对a的电压有效值，U_x为静止功率转换器SPC的输出端口Xc电压u_xa(t)的有效值，δ_x为u_xa(t)的电压相位角，以超前于参考电压相量

为正；

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中A，B，C相中上、下桥臂电压交流分量有效值均相同，记为U_m，应满足：

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的直流正极DC+与直流负极DC-之间的额定直流电压U_d为：

m为各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C三相调制度；

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相中上、下桥臂电压交流分量有效值U_xo、交流分量相位角δ_xo分别为：

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相制度m_x为：

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相上、下桥臂电压交流分量为：

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相上、下桥臂电压分别为：

记所述第一牵引变压器T₁和第二牵引变压器T₂的副边端口电流均分别为i_Ta(t)，i_Tb(t)，i_Tc(t)，满足关系式：i_Ta(t)＝-(i_Tb(t)+i_Tc(t))，记I_l是电流i_Tb(t)，i_Tc(t)的有效值，则有关系式：

记各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中A、B、C、X相的交流端口电流为i_a(t)，i_b(t)，i_c(t)，i_x(t)，满足以下关系式：

式中，I_x为电流i_x(t)的有效值；

各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中A、B、C、X相的上、下桥臂电流分别为：

式中，I_da、I_db、I_dc、I_dx为A₁，B₁，C₁，X₁相桥臂电流直流分量，应满足：

5.根据权利要求4所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，所述u_xa(t)的电压相位角δ_x的取值为：0≤δ_x≤π/2。

6.根据权利要求4所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，所述电压源子模块均为单相电压源型变流器结构，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相的上、下桥臂中电压源子模块的数量N_A，N_B，N_C，N_X分别满足：

7.根据权利要求4所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，所述静止功率转换器SPC中k个四端口模块化多电平变流器4P-MMC规格相同，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中各相上、下桥臂电流表示为：

8.根据权利要求7所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，所述静止功率转换器SPC中各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相调制度均相等，即m＝m_x。

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