CN208369483U - 一种同相供电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种同相供电装置，涉及交流电气化铁路牵引供电技术领域.包括高压匹配变压器、同相变流器、牵引匹配变压器，高压匹配变压器次边端口连接同相变流器的交流输入端口，同相变流器的交流输出端口连接牵引匹配变压器原边端口，牵引匹配变压器次边端口接至牵引母线，同相变流器为基于MMC拓扑的单相交直交双向变流器，其交流输入端口AC‑S与交流输出端口AC‑C构成90°或120°电压相位差关系，牵引匹配变压器为单相双绕组变压器。通过MMC拓扑和匹配变压器相结合的构造优化，降低变流器接口电压，减小功率单元级联数量，提高装置容量利用率，简化牵引匹配变压器结构，降低投资，提高可靠性。主要用于电气化铁路牵引同相供电。

Description

一种同相供电装置

技术领域

本实用新型涉及交流电气化铁路牵引供电技术领域，尤其涉及同相供电技术。

背景技术

电气化铁道普遍采用由公用电力系统供电的单相工频交流制，为使单相的牵引负荷在三相电力系统中尽可能均匀分配，电气化铁道往往采用轮换相序、分相分区供电的方案。电分相环节是整个牵引供电系统中最薄弱的环节，列车过分相是高速铁路乃至整个电气化铁路牵引供电的瓶颈。

相对于轮换相序、分段分区牵引供电方式，同相牵引供电方式可以在取消牵引变电所出口处电分相、消除供电瓶颈、增加供电能力、增强节能效果的同时，还能有效治理负序电流、达到以三相电压不平衡度国标限值为主的电能质量要求，是一种理想的电气化铁路牵引供电方式。

牵引变电所同相供电系统主要由牵引变压器和同相供电装置构成，其中同相供电装置的核心是同相补偿变流器。

目前同相补偿变流器主电路拓扑主要有两种：第一种为背靠背H桥混连拓扑，级联侧通过单相双绕组匹配变压器与电网连接，并联侧通过多绕组匹配变压器与牵引网连接，并联绕组数量和背靠背H桥的数量相等；第二种为单相背靠背的MMC直连拓扑，MMC拓扑变流器两单相交流-直流主电路结构完全一致，通过公共直流母线以背靠背的方式连接在一起，其中一侧交流通过双绕组单相匹配变压器与电网连接，另一侧则直接与牵引网连接。

H桥拓扑的同相补偿变流器，不具备公共直流母线，因此牵引侧须通过多绕组匹配变压器进行并网，这使得其匹配变压器工艺结构复杂。例如，目前有应用的5MVA同相补偿变流器，采用15级H桥拓扑，导致牵引侧匹配变压器的次边绕组达15个，变压器和功率单元之间的功率连接线达30根，这不但增加了变压器的成本，也增加了现场施工的难度。

MMC拓扑的同相补偿变流器，为了实现牵引侧直接并网的要求，其模块级联输出电压上限必须达到《轨道交通牵引供电系统电压GB/T 1402-2010》规定的最高非持续电压29kV。例如，采用3300V电压规格桥臂结构的IGBT模块构建MMC拓扑变流器的功率单元，公共直流母线电压取值41.6kV，功率单元直流电压取值1.6kV，则MMC拓扑功率单元数量为208个；采用1700V电压规格桥臂结构的IGBT模块构建MMC拓扑变流器的功率单元时，公共直流母线电压取值41.8kV，功率单元直流电压取值1.1kV，则MMC拓扑功率单元数量为304个。考虑可靠性和冗余配置，实际所用的功率单元数量更多。MMC直连拓扑的同相补偿变流器相较于H桥拓扑的同相补偿变流器，其功率器件数量激增，这一方面增加了变流器控制的复杂程度，另一方面，由于功率器件是变流器可靠性的薄弱环节，MMC直连拓扑的同相补偿变流器随着其功率器件的激增，其运行的可靠性也随之降低。例如，若两种拓扑变流器功率单元都选择桥1700V电压规格桥臂结构的IGBT模块，功率单元的直流电压都选择为1.1kV，其中H桥拓扑变流器级联侧交流输出电压有效值最高为11.6kV(额定电压10kV)，MMC拓扑变流器两端交流输出电压有效值最高为29kV(额定电压25kV)，则H桥拓扑变流器至少需要15级H桥级联，计入并联侧H桥，总共需要60个桥臂结构的IGBT模块，而MMC拓扑变流器每个桥臂需要38级功率单元级联，背靠背两侧8个桥臂，共需要304个桥臂结构的IGBT模块。即是说，MMC拓扑结构变流器IGBT模块数量是H桥结构变流器IGBT模块数量的约6倍。对于5MVA功率等级的变流器，H桥结构变流器IGBT额定工作电流为500A，而MMC拓扑结构变流器IGBT额定工作电流为200A。目前电力电子领域500A电流应用级别的IGBT模块和200A电流应用级别的IGBT模块一样都很成熟，因此这两种电流应用等级的单个IGBT模块的可靠性相当。考虑其它条件完全一致，设单个IGBT模块工作时的平均无故障时间(MTBF)为T(h)，则其单位时间(h)平均故障率为1/T。根据前面的举例结论，由IGBT模块造成的，H桥级联拓扑变流器的平均故障率为60/T，而MMC拓扑变流器平均故障率为304/T，即MMC拓扑结构变流器平均故障率约是同等功率级别H桥拓扑结构变流器平均故障率的6倍。

若MMC拓扑变流器提高单个IGBT模块功率等级，即增加MMC拓扑变流器的单机功率容量，则能够做到单位功率(W)，由IGBT模块引起的MMC拓扑结构变流器故障率和H桥拓扑结构的变流器故障率相当。如MMC拓扑结构变流器的IGBT模块工作电流提高到1000A，则变流器单机功率提高到了25MVA，则其单位功率由于IGBT模块造成的平均故障率为1.216×〖10〗^(-5)/T，与5MVA功率等级的H桥结构变流器，单位功率由于IGBT模块造成的平均故障率1.2×〖10〗^(-5)/T等级相当。由于可以省去牵引侧匹配变压器，所以MMC拓扑变流器在单机大功率的应用场景下，具有一定优势。但是，由于同相供电牵引所一般在补偿装置的设计上要考虑冗余备用(发明专利《一种同相供电方法及备机构造201310379461.X》公开了一种n用m备的冗余备用方案)，单机功率容量过大会造成备机成本增加，同时也会造成系统备用可靠性下降。例如，考虑重载铁路同相牵引变电所，其牵引变压器采用平衡变压器结构，牵引负载容量按照80MVA考虑，外电网短路容量按照1500MVA考虑，参考《电能质量三相电压允许不平衡度GB_T 15543-2008》对电压不平衡度的要求，根据文章《论新一代牵引供电系统及其关键技术》提供的方法，计算其补偿装置设计容量应该为25MVA。若用5MVA的H桥拓扑单机设备，参考发明专利《一种同相供电方法及备机构造201310379461.X》的方法，选用7套设备，其中5用2备(备用容量10MVA)，只考虑IGBT模块因素，则该补偿系统的平均故障率为(5×5×〖10〗^6×1.2×〖10〗^(-5)/T)×(5×〖10〗^6×1.2×〖10〗^(-5)/T)^2＝1.08×〖10〗^6/T^3；若用25MVA的MMC拓扑单机设备，最节省的方法是选用两台设备，1用1备(备用容量25MVA)，只考虑IGBT模块因素，则该补偿系统的故障率为(25×〖10〗^6×1.216×〖10〗^(-5)/T)×(25×〖10〗^6×1.216×〖10〗^(-5)/T)＝9.2416×〖10〗^4/T^2。上面的分析中，满足5MVA单机系统故障率低于25MVA单机系统的故障率，即1.08×〖10〗^6/T^3<9.2416×〖10〗^4/T^2的条件是T>11.6863(h)。对于成熟应用的IGBT模块，其平均无故障时间T＞＞11.6863(h)。因此，该应用场景，5MVA单机系统的故障率远远低于25MVA单机系统的故障率。同时，5MVA单机设备方案总容量为5×7MVA＝35MVA，而25MVA单机设备方案总容量＝25×2MVA＝50MVA，显然后者需要更大的投资代价。事实上，大部分铁路牵引变电所的负载容量要低于80MVA，所需要的补偿容量也小于25MVA，因此单机25MVA的变流器在工程应用中的实用性也比较差。

通过以上的分析可以知道，H桥拓扑结构的同相补偿变流器的优点是可靠性相对较高，缺点是牵引侧匹配变压器的绕组多、结构复杂，成本增加，同时也增加的项目施工难度；MMC直连拓扑结构的同相补偿变流器，在单机容量比较低的情况下可靠性相对比较差，而单机容量比较大时投资大，特别是设备级备用的成本很高，而且备用可靠性相对比较低，实用性比较差。

因此，很有必要寻找一个优化的方案，既能简化同相补偿变流器结构，简化匹配变压器结构，同时又能满足系统可靠性要求，并且容量适中，配置灵活。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新型同相供电装置方案拓扑，简化同相变流器结构和牵引匹配变压器结构，提高同相变流器容量利用率，同时提高装置整体可靠性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种同相供电装置，包括高压接入开关KH、高压匹配变压器HMT、同相变流器输入开关KS、同相变流器ADA、牵引匹配变压器TMT、牵引母线开关KT，高压匹配变压器HMT原边通过高压开关KH接入电网，次边端口通过开关KS连接到同相变流器ADA的交流输入端口AC-S；同相变流器ADA为单相交直交双向变流器；同相变流器ADA的交流输出端口AC-C与牵引匹配变压器TMT原边端口连接；牵引匹配变压器TMT的次边端口通过牵引母线开关KT分别接至牵引网的馈电线S和回流线F；牵引匹配变压器TMT为单相双绕组变压器。

所述同相变流器ADA的交流输入端口AC-S与交流输出端口AC-C构成90°或120°电压相位差关系。

所述同相变流器ADA额定电压为交流输入端口AC-S和交流输出端口AC-C额定电压；牵引匹配变压器TMT次边额定电压＝牵引母线额定电压＝27.5kV；高压匹配变压器HMT次边额定电压＝同相变流器ADA额定电压＝牵引匹配变压器TMT原边额定电；牵引匹配变压器TMT原边额定电压＜牵引匹配变压器TMT次边额定电压。所述同相变流器ADA额定电压在6kV到20kV之间，同相变流器ADA单台设备容量≤10MVA。

所述同相变流器ADA采用MMC拓扑结构。

本实用新型的工作原理是：利用MMC拓扑形成变流器，利用变流器和双绕组单相匹配变压器的配合，优化变流器单机容量和电压等级，简化同相供电装置结构，提高装置可靠性。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、相较于H桥拓扑的同相供电装置，本实用新型能够简化牵引匹配变压器结构，降低变压器的成本以及现场施工难度。

二、相较于MMC直连拓扑的同相供电装置，本实用新型能够大幅降低功率单元的级联数量，提高装置容量利用率，减少投资，并简化装置的控制复杂程度，提高装置的可靠性。

三、本实用新型更能适合单机小功率的应用场景，更能适用于牵引变电所同相供电装置n用m备的应用场景。

附图说明

图1是本实用新型实施例示意图。

图2是本实用新型在Vv组合式同相供电应用场景的实施例示意图。

图3是本实用新型在单-三相组合式同相供电应用场景的实施例示意图。

图4是本实用新型在Scott平衡变压器组合式同相供电应用场景的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

图1是本实用新型实施例示意图。一种同相供电装置，包括高压接入开关KH、高压匹配变压器HMT、同相变流器输入开关KS、同相变流器ADA、牵引匹配变压器TMT、牵引母线开关KT；其中同相变流器的交流输入口为AC-S，交流输出口为AC-C，MMC代表变流器两侧均为模块化多电平结构，S代表接触网馈电线，F代表接触网回流线；AC 110/220kV代表大电网输入电压为交流110kV或220kV。高压匹配变压器HMT的次边端口通过开关KS连接到同相变流器ADA的交流端口AC-S；同相变流器ADA的交流输出端口AC-C连接到牵引匹配变压器TMT原边端口，牵引匹配变压器TMT次边端口通过牵引母线开关KT分别接至牵引网的馈电线S和回流线F；同相变流器ADA为基于MMC拓扑的单相交直交双向变流器；高压匹配变压器HMT和牵引匹配变压器TMT均为单相双绕组变压器。

图2示出，本实用新型在Vv组合式同相供电应用场景的一种具体实施方式。包括共用部分的高压接入开关KH、高压匹配变压器HMT；以及每套装置的同相变流器输入开关KSx、同相变流器ADAx、牵引匹配变压器TMTx、牵引母线开关KTx，其中下标x取值为1～n，代表总共有n套装置并联；另外各同相变流器的交流输入口为AC-S，交流输出口为AC-C，MMC代表变流器两侧均为模块化多电平结构；S代表接触网馈电线，F代表接触网回流线，TT代表牵引变压器；110/220kV AC 3Ph代表大电网输入电压为3相交流110kV或220kV。高压匹配变压器HMT的原边通过高压开关KH与大电网连接，次边端口通过开关KSx连接到同相变流器ADAx的交流端口AC-S；同相变流器ADAx的交流输出端口AC-C连接到牵引匹配变压器TMTx原边端口，牵引匹配变压器TMTx次边端口通过牵引母线开关KTx分别接至牵引网的馈电线S和回流线F；同相变流器ADAx为基于MMC拓扑的单相交直交双向变流器；同相变流器ADAx的交流输入端口AC-S与交流输出端口AC-C构成120°电压相位差关系；高压匹配变压器HMT和牵引匹配变压器TMTx均为单相双绕组变压器。多台同相供电装置并联运行时，共用高压匹配变压器HMT和高压开关KH，其它部分按并机数量扩展。

图3示出，本实用新型在Scott平衡变压器组合式同相供电应用场景的一种具体实施方式。包括共用部分的高压接入开关KH、高压匹配变压器HMT(Scott变压器的T座)；以及每套装置的同相变流器输入开关KSx、同相变流器ADAx、牵引匹配变压器TMTx、牵引母线开关KTx，其中下标x取值为1～n，代表总共有n套装置并联；另外各同相变流器的交流输入口为AC-S，交流输出口为AC-C，MMC代表变流器两侧均为模块化多电平结构，S代表接触网馈电线，F代表接触网回流线；TT Scott代表Scott结构的牵引变压器，M和T分别代表Scott变压器的M座和T座；110/220kV AC 3Ph代表大电网输入电压为3相交流110kV或220kV。同相供电变电所的主变TT为不等容Scott接线，其T座即为高压匹配变压器HMT，其次边端口通过开关KSx接入同相变流器ADAx的交流输入端口AC-S；牵引匹配变压器TMTx为单相双绕组变压器，TMTx原边连接同相变流器ADAx的交流输出端口AC-C；同相变流器ADAx的交流输入端口AC-S与交流输出端口AC-C构成90°电压关系；TMTx次边端口通过牵引母线开关KT分别接至牵引网的馈电线S和回流线F。

电网侧进线开关KH与Scott主变的高压侧进线开关合用。

多台同相供电装置并联运行时，共用主变TT的T座即高压匹配变压器HMT，其它部分按并机数量扩展。

图4示出，本实用新型在单-三相组合式同相供电应用场景的一种具体实施方式。包括共用部分的高压接入开关KH、高压匹配变压器HMT，以及每套装置的同相变流器输入开关KSx、同相变流器ADAx、牵引匹配变压器TMTx、牵引母线开关KTx，其中下标x取值为1～n，代表总共有n套装置并联；另外同相变流器的交流输入口为AC-S，交流输出口为AC-C，MMC代表变流器两侧均为模块化多电平结构，S代表接触网馈电线，F代表接触网回流线，TT代表牵引变压器，110/220kV AC 3Ph代表大电网输入电压为3相交流110kV或220kV。同相变流器ADA是基于MMC拓扑的单相交直交双向变流器，高压匹配变压器HMT采用YNd接线，其通过开关KS接入同相变流器ADA的交流输入端口AC-S的次边端口与主变TT的端口构成90°电压关系，牵引匹配变压器TMT为单相双绕组变压器，TMT原边连接同相变流器ADA的交流输出端口AC-C，同相变流器ADA的交流输入端口AC-S与交流输出端口AC-C构成90°电压关系，TMT次边端口通过牵引母线开关KT分别接至牵引网的馈电线S和回流线F。高压匹配变压器HMT原边三相绕组通过高压侧进线开关KH接入电网，次边一个端口与开关KS相连。多台装置并联运行时，各装置共用高压匹配变压器HMT和高压开关KH，其它部分按并机数量扩展。

Claims (5)

1.一种同相供电装置，包括高压接入开关KH、高压匹配变压器HMT、同相变流器输入开关KS、同相变流器ADA、牵引匹配变压器TMT、牵引母线开关KT，其特征在于：高压匹配变压器HMT原边通过高压开关KH接入电网，次边端口通过开关KS连接到同相变流器ADA的交流输入端口AC-S；同相变流器ADA为单相交直交双向变流器；同相变流器ADA的交流输出端口AC-C与牵引匹配变压器TMT原边端口连接；牵引匹配变压器TMT的次边端口通过牵引母线开关KT分别接至牵引网的馈电线S和回流线F；牵引匹配变压器TMT为单相双绕组变压器。

2.根据权利要求1所述的一种同相供电装置，其特征在于：所述同相变流器ADA额定电压为交流输入端口AC-S和交流输出端口AC-C额定电压；牵引匹配变压器TMT次边额定电压＝牵引母线额定电压＝27.5kV；高压匹配变压器HMT次边额定电压＝同相变流器ADA额定电压＝牵引匹配变压器TMT原边额定电；牵引匹配变压器TMT原边额定电压＜牵引匹配变压器TMT次边额定电压。

3.根据权利要求1所述的一种同相供电装置，其特征在于：所述同相变流器ADA采用MMC拓扑结构。

4.根据权利要求1所述的一种同相供电装置，其特征在于：所述同相变流器ADA额定电压在6kV到20kV之间，同相变流器ADA单台设备容量≤10MVA。

5.根据权利要求1所述的一种同相供电装置，其特征在于：所述同相变流器ADA的交流输入端口AC-S与交流输出端口AC-C构成90°或120°电压相位差关系。