CN206598747U - 一种高压直流供电的电气化铁路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压直流供电的电气化铁路系统，它包括：高压交流母线、牵引变电站、高压直流接触网、高压直流母线、受电弓、钢轨和电力机车；牵引变电站一端连接高压交流母线，另一端连接高压直流母线，将高压交流母线上的交流电转化为高压直流电，并传输到高压直流母线；所述高压直流母线连接高压直流接触网和钢轨，接触网、受电弓、电力机车、钢轨组成电力回路；本实用新型不仅解决了目前单相轮换供电产生的负序电流影响电网电能质量的问题，接触网电压的升高还大幅度提高了电气化铁路的性能。

Description

一种高压直流供电的电气化铁路系统

技术领域

本实用新型涉及电气化铁路中电能转化技术，尤其涉及一种使用高压直流供电接触网的电气化铁路实施方法。

背景技术

目前，我国电气化铁路牵引网是从当地电业局的110kV/220kV取电，由牵引变压器转换成单相工频27.5kV交流电供电。由于牵引网使用的是单相交流电，电网中必定会出现因为三相功率不平衡而产生的负序电流。电气化铁路是直接接入电力系统的大宗用电大户，该负序电流直接影响整个电网的电能品质。为了缓解负序电流，通常采用相邻牵引变电所轮换相序的方法，从而存在多个过分相。这种存在分相的供电系统由于其供电不连续，使得受电弓上的电流时断时续，大大影响了电力机车上牵引电机的转速和转矩控制，影响了机车的运行。这种现象在高速和重载铁路上比较明显。

解决分相问题的方法之一是将交流电转换为直流电后再加以利用，交直隔离后电网电能质量可以得到显著的改善。使用电气化铁路同相贯通供电系统是其中的可行方法之一。该方法在牵引变电所将直流高压电转换成单相交流电，进而将该交流电接入到铁路接触网上，供电力机车使用。

另外，交流电的参数控制除了幅值外，还必须对频率和相位加以考虑。由于交流系统内在的局限性，在输电过程中交流电力系统两端同步运行的稳定性控制问题，会限制电力线路输送的能量和距离；稳定性问题使交流系统的控制复杂，响应随之变慢，操作不便，同时不利于多目标控制。上述特点使得直流输电在分区调度管理比起交流更加有效，在故障的紧急支援中更显优势，防止事故的进一步扩大。直流输电与交流输电相比，还存在经济效应方面的优势：直流输电沿线电压平稳分布，没有感抗和容抗的无功消耗，不需要并联电抗来补偿损耗，电能损耗小，电能输送效率较高；相同的电缆绝缘等级用于交流线路时，线路允许电压为一半，因此相同输送电压条件下，直流电缆更廉价；直流输电的建设在分级分期以及增容扩建等方面更加方便，有利于早期经济效益的发挥。虽然直流输电需要建设的换流站比交流输电的变电站投资大，综合来说在输电线路长度大于等价距离时，直流输电建设费用低。

发明内容

本实用新型目的在于针对现有技术的不足，提供一种高压直流供电的电气化铁路系统。本实用新型可以解决过分相问题，同时降低接触网损耗，提高供电可靠性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高压直流供电的电气化铁路系统，它包括：高压交流母线、牵引变电站、高压直流母线、高压直流接触网、受电弓、钢轨和电力机车；其中，所述高压交流母线的电压为110kV、220kV或330kV；所述牵引变电站一端连接高压交流母线，另一端连接高压直流母线，将高压交流母线上的交流电转化为10-30kV的高压直流电，并传输到高压直流母线；所述高压直流母线连接高压直流接触网和钢轨；高压直流接触网、受电弓、电力机车、钢轨依次电连接，构成高压直流电力回路，实现对电力机车的供电。

进一步地，所述牵引变电站包括变压器、整流器和储能设备；其中，所述变压器一端连接高压交流母线，另一端连接整流器，将110kV、220kV或330kV的高压交流电转化为10-30kV高压交流电；所述整流器将降压过的高压交流电整流为10-30kV的高压直流电，而后传输到高压直流母线；所述储能设备与高压直流母线连接。

进一步地，高压直流母线中的直流电通过高压直流接触网、受电弓、电力机车、钢轨的电力回路，完成对电力机车内部设备的供电。

进一步地，所述电力机车内部动力系统及其供电系统由电力电子逆变器、高频变压器、整流器、逆变器、牵引电机依次相连组成；其中，受电弓传输的10-30kV高压直流电由电力电子逆变器转化为10-30kV、2kHz的高频高压交流电，再由高频变压器转化为3kV、2kHz的高频低压交流电；再由整流器转化为3kV的低压直流电，最后由逆变器转化为驱动牵引电机的2kV、140Hz低频交流电。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型与目前在使用的技术相比，解决了过分相问题，机车上高速牵引电机的控制效果可以得到改善，机车在高速或重载情况下运行状况得到优化。

2、本实用新型的接触网供电系统为直流输电，在相同输送电压前提下，直流输电系统相比交流输电系统稳定性更强，控制更精确、更方便，线路损耗更小。

3、本实用新型的接触网供电系统为高压直流输电，与其他国家、地区目前使用的3kV接触网供电方式相比，10-30kV的接触网电压使得接触网输电损耗更小，同功率接触网中电流更小，因此提高了输电线路的容量，为后续可能的铁路负载提高、运行速度提升打下了基础。

4、本实用新型的接触网供电系统为高压直流输电，可以通过各地区高压直流输电线路互联，实现牵引网络的供电系统可靠、安全的运行。

5、本实用新型高压直流侧的储能设备可以集中管理电能的储存和释放，如回收列车制动时的能量，提高电能利用率；提供启动时峰值功率，起到削峰填谷的作用，有效提高输电可靠性。

6、本实用新型牵引变电站内可控整流和储能设备可以有效抑制谐波，改善功率因数，从而增加电力系统稳定性、抑制电力系统振荡、改善电网电能质量。

附图说明

图1为高压直流供电的电气化铁路系统的总体结构拓扑示意图；

图2为牵引变电站内部结构示意图；

图3为电力机车内部的电力电子设备连接图；

图中：1、高压交流母线，2、牵引变电站，3、高压直流母线，4、高压直流接触网，5、受电弓，6、钢轨，7、电力机车，8、变压器，9、整流器，10、储能设备，11、电力电子逆变器，12、高频变压器，13、整流器，14、逆变器，15、牵引电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型高压直流供电的电气化铁路系统包括：高压交流母线1、牵引变电站2、高压直流母线3、高压直流接触网4、受电弓5、钢轨6和电力机车7。

其中，高压交流母线1的三相高压交流电源仍然取自电气化铁路途经的各个地区和城市，通常取用110kV/220kV/330kV。

牵引变电站2一端连接高压交流母线1，另一端连接高压直流母线3。将高压交流母线1上的交流电转化为10-30kV的高压直流电，并传输到高压直流母线3。

高压直流母线3连接高压直流接触网4和钢轨6，其电力回路由接触网4、受电弓5、电力机车7、钢轨6依次连接组成，完成对电力机车7内部设备的供电。

如图2所示，牵引变电站2包括变压器8、整流器9和储能设备10。

其中，变压器8一端连接高压交流母线1，另一端连接整流器9，将取自交流电网的高压电进行降压处理，转化为10-30kV的高压交流电。

整流器9将降压过的高压交流电整流为10-30kV的高压直流电，而后传输到高压直流母线3。整流器9可分为不可控整流和可控整流。较佳的实施方案可使用晶闸管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)通过脉冲宽度调制(PWM)实现可控整流，进而可以实现对电网中谐波的削弱和对功率因数的矫正，改善电网电能质量。

储能设备10与高压直流母线3连接，使用飞轮或超级电容来储存能量。储能设备10不仅与整流器9配合起到电网滤波的作用，改善电能质量，还可以在列车制动时通过四象限工作的电力电子设备回收能量，提高电能的利用率。另外，储能设备10对电能进行集中存储和释放，可以在列车启动时提供峰值功率，起到削峰填谷的作用，从而增加电力系统的可靠性。

如图3所示，电力机车7内部动力系统及其供电系统由电力电子逆变器11、高频变压器12、整流器13、逆变器14、牵引电机15依次相连组成。

其中，电力电子逆变器11，用于将受电弓传输的高压直流电(10-30kV)转化为高频高压交流电(10-30kV，2kHz)，转化为高频交流电的优势在于高频变压器12体积小、便于安装于电力机车7内，同时其转换效率比工频变压器高。

高频变压器12，将高频高压交流电(10-30kV，2kHz)转化为高频低压交流电(3kV，2kHz)。

整流器13，将高频低压交流电(3kV，2kHz)转化为低压直流电(3kV)。

逆变器14，将低压直流电(3kV)转化为可以驱动目前电气化铁路系统中牵引电机15的低频交流电(2kV，140Hz)。

上述电力机车内部电能转化过程中出现的电压幅值与频率均为举例，仅仅是对本实用新型的解释说明，并不用于限制本实用新型。实际应用中可根据具体的电力电子设备电能幅值、频率转化范围和牵引电机具体型号要求电压(380-4000V)加以调整。应当指出的是，在电气化铁路系统不脱离本实用新型的拓扑结构前提下，在本实用新型的精神和和权利要求的保护范围内，做出的任何修改、替换和改变等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高压直流供电的电气化铁路系统，其特征在于，它包括：高压交流母线(1)、牵引变电站(2)、高压直流母线(3)、高压直流接触网(4)、受电弓(5)、钢轨(6)和电力机车(7)；其中，所述高压交流母线(1)的电压为110kV、220kV或330kV；所述牵引变电站(2)一端连接高压交流母线(1)，另一端连接高压直流母线(3)，将高压交流母线(1)上的交流电转化为10-30kV的高压直流电，并传输到高压直流母线(3)；所述高压直流母线连接高压直流接触网(4)和钢轨(6)；高压直流接触网(4)、受电弓(5)、电力机车(7)、钢轨(6)依次电连接，构成高压直流电力回路，实现对电力机车(7)的供电。

2.根据权利要求1所述高压直流供电的电气化铁路系统，其特征在于，所述牵引变电站(2)包括变压器(8)、整流器(9)和储能设备(10)；其中，所述变压器(8)一端连接高压交流母线(1)，另一端连接整流器(9)，将110kV、220kV或330kV的高压交流电转化为10-30kV高压交流电；所述整流器(9)将降压过的高压交流电整流为10-30kV的高压直流电，而后传输到高压直流母线(3)；所述储能设备(10)与高压直流母线(3)连接。

3.根据权利要求1所述高压直流供电的电气化铁路系统，其特征在于，所述电力机车(7)内部动力系统及其供电系统由电力电子逆变器(11)、高频变压器(12)、整流器(13)、逆变器(14)、牵引电机(15)依次相连组成；其中，电力电子逆变器(11)将受电弓(5)传输的10-30kV高压直流电转化为10-30kV、2kHz的高频高压交流电，再由高频变压器(12)转化为3kV、2kHz的高频低压交流电；再由整流器(13)转化为3kV的低压直流电，最后由逆变器(14)转化为驱动牵引电机(11)的2kV、140Hz低频交流电。