CN207697541U - 一种中压柔性直流牵引供电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种中压柔性直流牵引供电系统。牵引供电系统包括一个以上牵引变电所；牵引变电所包括依次相连的三相降压变压器、三相电抗器、电压源换流器和第一直流母线；三相降压变压器的输入端连接到三相电网，电压源换流器输出端的正极和负极分别连接到第一直流母线的正极和负极，第一直流母线的正极和负极分别通过馈线和回流线连接到接触网和钢轨。本实用新型的有益效果是，能够极大地改善系统的电能质量，彻底取消电分相环节，实现整个牵引网贯通供电。除此之外，该系统还可增大单个牵引变电所的供电距离、实现铁路沿线可再生能源、机车再生制动能量的有效利用。

Description

一种中压柔性直流牵引供电系统
技术领域
本实用新型涉及电气化铁路牵引供电系统技术领域，尤其是一种中压柔性直流牵引供电系统。
背景技术
牵引供电系统作为电气化铁路的动力源泉，其供电质量的优劣将对铁路的安全、可靠、经济运行产生重要的影响。目前，绝大多数国家电气化铁路的主要供电方式为牵引变电所通过三相-两相变压器从三相电网取电并将其变换为两相分别向两侧牵引网供电。然而，随着铁路高速、重载化的发展，该供电模式面临着严峻的考验。主要体现在：1)既有牵引供电系统存在负序、谐波和无功等问题污染了公用电网的电能质量；2)电分相的存在成为铁路安全行驶的薄弱环节之一，限制了机车平滑连续受流，造成了机车速度的损失、载荷能力降低；3)分相分段供电使得机车再生制动产生能量无法流动到其他供电区间，造成了该供电区间电压升高，进而影响设备正常运行，同时造成了大量能量的损失；4)分相分段的供电方式不适用于新能源的接入。
针对单相工频交流制式牵引供电系统存在的问题，相关科研单位开展了大量的研究工作，其中同相供电技术为解决上述问题提供了一种较好的解决方案，并受到广泛的关注与重视。基于既有线改造的同相牵引供电系统可有效改善电能质量、减少系统一半的电分相。然而相邻牵引变电所的输出电压(幅值，相角、频率)存在差异，牵引变电所难以达到真正的贯通供电。随着电力电子技术和控制理论的发展，基于三相-单相变换器的贯通式同相牵引供电系统有望实现铁路贯通供电。这种牵引供电系统可彻底取消电分相、大大改善公共电网和牵引网电能质量、并且可实现机车制动能量的再生利用和新能源的接入，是一种理想的新型牵引供电方式。
近年来，伴随着电力电子技术和控制理论的发展，高压直流输电技术由于其优越的技术和经济性能在远距离、大容量输送电能的应用场景中得到了大规模应用。此外，直流技术在船舶、地铁、微电网、家庭供电网络等各个领域也发挥着重要作用。因此，针对现有交流牵引供电系统暴露出的诸多问题。直流制式的牵引供电系统将是未来高速铁路发展的重要方向，并将推动高速铁路的进一步发展。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种中压柔性直流牵引供电系统，该系统能够极大地改善系统的电能质量，彻底取消电分相环节，实现整个牵引网贯通供电。除此之外，该系统还可增大单个牵引变电所的供电距离、实现铁路沿线可再生能源、机车再生制动能量的有效利用。本实用新型对革新现有工频单相交流供电方式和促进我国铁路的进一步发展具有重要的意义。
实现本实用新型目的的技术方案是：一种中压柔性直流牵引供电系统，包括一个以上牵引变电所；所述牵引变电所包括依次相连的三相降压变压器、三相电抗器、电压源换流器和第一直流母线；所述三相降压变压器的输入端连接到三相电网，电压源换流器输出端的正极和负极分别连接到第一直流母线的正极和负极，第一直流母线的正极和负极分别通过馈线和回流线连接到接触网和钢轨。
进一步地，还包括新能源装置和储能装置；所述新能源装置包括风力发电设备和光伏设备，所述储能装置包括蓄电池、超级电容和飞轮；所述新能源装置和储能装置分别通过AC-DC或DC-DC变换器连接到第一直流母线的正极和负极。
进一步地，还包括新能源装置和储能装置；所述新能源装置包括风力发电设备和光伏设备，所述储能装置包括蓄电池、超级电容和飞轮；所述新能源装置和储能装置分别通过AC-DC或DC-DC变换器连接到第二直流母线的正极和负极，第二直流母线的正极和负极分别连接到接触网和钢轨。
上述技术方案中，所述电压源换流器输出直流电压范围为16kV～35kV。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型中提出的一种中压柔性直流牵引供电系统中，电压源换流器将三相交流变换为16kV～35kV直流电压用于牵引列车。由于电压源换流器输出电压幅值可控，因此牵引网的电分相装置可完全取消，牵引网可形成贯通的供电网络。
2、电压源换流器可以保证三相电力负荷完全平衡，既可工作于整流也可工作于逆变状态，且其有功和无功功率可以独立控制。因此，机车再生制动产生能量可得到充分利用。同时直流制式下，可再生能源和储能装置的接入变得更加容易，对于促进牵引供电系统的绿色可持续发展具有重要意义。
3、直流制式下，由于牵引网不存在感抗，因此在保证相同电压质量的情况下，供电臂的距离可以变得更长；同时，直流制式下接触网和钢轨无集肤效应问题，导线截面可以充分利用，因此接触网结构可以变得更加简单，可以使用更少的导线来实现与交流相同的供电能力。
4、本实用新型针对于中压柔性直流牵引供电系统提出的方法不需要采集本地信息以外的信号，不依赖牵引变电所之间的通讯，可对传统下垂控制造成的电压跌落进行补偿，使得系统电压恢复，从而实现系统安全稳定运行。
附图说明
图1为中压柔性直流牵引供电系统结构示意图。
图2为牵引变电所内电压源换流器的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1，一种中压柔性直流牵引供电系统，由多个牵引变电所通过牵引网互联形成向机车提供电能的贯通式直流供电网络；其中，每个牵引变电所包括：依次相连的三相降压变压器、三相电抗器、电压源换流器、直流母线。其中，电压源换流器的输出端正极和负极分别与牵引变电所的直流母线的正极和负极相连，直流母线的正极和负极分别通过馈线和回流线与接触网和钢轨连接。
上述中压柔性直流牵引供电系统中，电压源换流器输出直流电压范围为16kV～35kV。
上述中压柔性直流牵引供电系统的牵引网上还接入有新能源和储能装置，新能源(风力、光伏等)和储能装置(蓄电池、超级电容、飞轮等)通过AC-DC或DC-DC变换器接入系统。新能源和储能装置可以单独设置，也可以设置在牵引变电所内。
中压柔性直流牵引供电系统的控制方法为，各个牵引变电所采集其输出直流电压与电流并根据电压—电流下垂特性曲线以及实际输出电压幅值对牵引变电所的输出电压进行自动调节，具体包含以下步骤：
1)采集牵引变电所输出直流电压与电流并进行低通滤波得到对应的直流电压Udcmea与电流Idcmea；
2)通过式(3)得到牵引变电所输出电压的参考值：
其中，Udc *是牵引变电所输出电压的参考值，Udcrate是牵引变电所输出电压的额定值，Rdroop是下垂系数，Kpco和Kico分别是比例和积分系数。
3)牵引变电所内电压源换流器经电压电流双闭环控制，使牵引变电所的输出电压等于2)步得到的参考电压，使得系统电压恢复。
每个牵引变电所内电压源换流器的控制框图如图2所示。

Claims (4)

1.一种中压柔性直流牵引供电系统，其特征在于：包括一个以上牵引变电所；
所述牵引变电所包括依次相连的三相降压变压器、三相电抗器、电压源换流器和第一直流母线；所述三相降压变压器的输入端连接到三相电网，电压源换流器输出端的正极和负极分别连接到第一直流母线的正极和负极，第一直流母线的正极和负极分别通过馈线和回流线连接到接触网和钢轨。
2.如权利要求1所述的一种中压柔性直流牵引供电系统，其特征在于：还包括新能源装置和储能装置；所述新能源装置包括风力发电设备和光伏设备，所述储能装置包括蓄电池、超级电容和飞轮；所述新能源装置和储能装置分别通过AC-DC或DC-DC变换器连接到第一直流母线的正极和负极。
3.如权利要求1所述的一种中压柔性直流牵引供电系统，其特征在于：还包括新能源装置和储能装置；所述新能源装置包括风力发电设备和光伏设备，所述储能装置包括蓄电池、超级电容和飞轮；所述新能源装置和储能装置分别通过AC-DC或DC-DC变换器连接到第二直流母线的正极和负极，第二直流母线的正极和负极分别连接到接触网和钢轨。
4.如权利要求1所述的一种中压柔性直流牵引供电系统，其特征在于：所述电压源换流器输出直流电压范围为16kV～35kV。
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