一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统技术方案

一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，属于电气化铁道技术领域。系统三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入,三相交流电能通过MMC交直交变流器的交直交变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器与牵引网相连，另一方面系统三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器分两相与牵引网相连，两相之间有分相区，分相区并联一个开关断路器。本发明专利技术可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，电力系统与牵引供电系统实现低干扰或零干扰隔离，系统输出无升压变压器。解决牵引供电系统中谐波、无功、负序问题，实现与电网电能双向转换。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，属于电气化铁道

技术介绍
目前我国牵引供电系统采用三相-两相供电模式，即利用三相-两相降压变压器从三相电网中取电，电能降压后从两个供电臂输出。这种供电模式存在诸多电能质量问题:(I)谐波问题:交-直型电力机车是一种非线性、低功率因数负荷。该种电力机车采用二极管或晶闸管整流器，谐波含量大、功率因数低，将会注入各次谐波电流给牵引供电系统和电力系统，成为一种谐波源。(2)无功问题:交-直电力机车功率因数低，如不加补偿装置，通常牵引时只有0.8左右;机车过电分相产生激磁涌流，可视为纯感性电流，相位角接近滞后90度，正常工况下相位角的大幅度变化和牵引负荷电流的剧烈波动，加大了有效补偿无功功率的难度。(3)负序问题:负序产生的原因是负载不平衡，一方面由于电网是三相供电；另外一方面由于机车负荷是单相，并且具有随机剧烈波动性。(4)过分相问题。牵引变电所的出口处和分区所设有分相绝缘器。由于在机械和电气上的弱点，电分相不仅成为制约速度和造成牵引力损失的主要原因，也成为整个供电系统中较为薄弱的环节。高速和重载运输要求机车受电弓平滑连续受流，但是电分相要求机车退级、断电，利用惯性通过中性区。现有的牵引供电系统电能质量解决方案多是针对某一方面的问题，没有根本性解决上述问题。若要从根本上解决电气化铁道牵引供电系统存在的无功、谐波、负序和过分相问题，关键是在牵引变电所实现三相-单相电能变换。由于牵引供电系统电压等级高、容量大，传统的基于电力电子电能变换装置在输入输出侧都需要变压器，而变压器价格高、体积大、占地面积大。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，电力系统与牵引供电系统实现低干扰或零干扰隔离，系统输出无升压变压器。同时具有传统牵引供电接线方式备用，即当MMC交直交变流器发生故障时，通过开关控制可以切除MMC交直交变流器，恢复传统三相-两相变压器供电的牵引供电模式，可靠性高。一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入，三相交流电能通过MMC交直交变流器变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器与牵引网相连。另一外三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器分两相与牵引网相连，两相牵引网之间设有分相区，分相区并联一个开关断路器。本专利技术的有益效果:I)本系统可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，电力系统与牵引供电系统实现低干扰或零干扰隔离，系统输出无升压变压器。2)同时具有传统牵引供电接线方式备用，即当MMC交直交变流器发生故障时，通过开关控制可以切除MMC交直交变流器，恢复传统三相-两相变压器供电的牵引供电模式，可靠性高。3)系统输出电能的相位频率幅值可控，便于系统间互联，取消过分相区。4)解决牵引供电系统中谐波、无功、负序问题，实现与电网电能双向转换。【附图说明】当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本专利技术以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定，如图其中:图1为一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统整体结构图。图2为一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统的MMC交直交变流器结构图。图3(a)是MMC交直交变流器子模块半桥式结构图。图3(b)是MMC交直交变流器子模块全桥结构图。下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。【具体实施方式】显然，本领域技术人员基于本专利技术的宗旨所做的许多修改和变化属于本专利技术的保护范围。实施例1:一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，如图1所示。三相降压变压器从电网中吸收三相电能，经过模块化多电平交直交变流器(MMC交直交变流器)输出单相27.5kV电能。这种方案将牵引网互联，形成独立于公共电网的供电网络，可以实现全线路贯通供电。变电所输出的是单相交流，输出的电压幅值、频率和相位可控。各个牵引变电所的结构和接线完全相同。可取消分相绝缘器，省去自动过分相装置，消除了高速列车过电分相时存在的安全隐患，适合高速列车运行。实现电能3AC-DC-1AC变换，完全消除系统三相不平衡，不存在负序分量。可以实现对电力系统而言仅相当于一个纯阻性的负荷，功率因数接近I。变电所之间，可以进行协调功率控制，类似双边供电，对单个变电所的供电容量需求将比目前的单边供电要小。牵引供电系统自身电压调整不影响电力系统的电源频率偏差、电压偏差与波动，理论上谐波为零。电力系统与牵引供电系统实现低干扰或零干扰隔离。实施例2:如图1、图2、图3(a)和图3(b)所示，一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，系统三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过开关断路器与模块化多电平交直交变流器(MMC交直交变流器)相连，作为变流器的输入。三相交流电能经过MMC变流器经过交直交变换为单相交流电能输出，通过开关断路器与牵引网相连。另一方面降压变压器的低压输出侧经过开关断路器经过开关断路器分两相与牵引网相连，两相之间有分相区。该系统可以实现电能3AC-DC-1AC双向变换，系统输出电能的相位频率幅值可控，便于系统间互联，取消过分相区。解决牵引供电系统中谐波、无功、负序问题，实现与电网电能双向转换。电力系统与牵引供电系统实现低干扰或零干扰隔离，系统输出无升压变压器。同时具有传统牵引供电接线方式备用，即当MMC交直交变流器发生故障时，通过开关控制可以切除MMC交直交变流器，恢复传统三相-两相变压器供电的牵引供电模式，可靠性尚OMMC交直交变流器的单元模块如图3所示，模块的结构有两种可以选择，分为半桥式结构如图3(a)和全桥结构模块如图3(b)。模块基于全控性开关电力电子功率器件和二极管，图中C表示直流电容。实施例3:如图1、图2、图3(a)和图3(b)所示，一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，运行模式分为正常模式和故障备用模式，如图1所示。正常模式下，第一开关断路器S1、第二开关断路器S2、第四开关断路器S4当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平结构的交直交牵引供电系统，其特征在于：三相降压变压器高压侧连接三相公共电网，低压侧输出经过第一开关断路器与MMC交直交变流器相连，作为变流器的输入,三相交流电能通过MMC交直交变流器变换为单相交流电能输出，通过第二开关断路器与牵引网相连；另一外三相降压变压器的低压输出侧经过第三开关断路器分两相与牵引网相连，两相牵引网之间设有分相区，分相区并联一个开关断路器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴命利，刘秋降，李静，杨少兵，张洪和，
申请(专利权)人：北京交通大学，中国铁路总公司，
类型：发明
国别省市：北京;11