[发明专利]一种双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流牵引供电系统。特别是涉及一种分布式电源、换电为主的电动汽车充放电系统与高压直流牵引供电系统相结合的用于电气化铁路供电的具有高电能质量的双向互动式电气化铁路高压直流牵引供电系统。

背景技术

随着经济的快速发展，能源危机、环境污染已成为当今世界所面临的严重问题。大力发展电气化铁路和电动汽车可以降低有限的化石燃料的消耗，减少空气污染，实现节能减排。

随着铁路高速重载化的发展和电气化铁路规模的扩大，现有单相工频交流牵引供电网暴露出很多问题，比如：牵引供电网负序电流对公用电网的影响；牵引供电网谐波电流对公用电网的影响；牵引冲击负荷的影响；接触网电压稳定性问题；接触网过电分相等问题，这些问题已经影响着我国电气化铁路的发展。随着高压直流输电技术的发展与成熟，采用高压直流牵引供电已成为解决上述单相工频交流牵引供电网问题的有效途径。

电动汽车的发展需要相对应的充电系统，常用的充电模式有常规充电、快速充电和动力电池组快速更换系统（简称换电）三种。对于城市公共交通电动车辆，换电是一种很好的充电模式。电动汽车充电系统不仅需要巨大的建设成本，而且会对电力系统产生许多不良影响。同时，电动汽车动力电池也是一个容量巨大的储能设备。

电力机车的制动能量通常消耗在制动电阻上，这不仅造成了能量的浪费，而且还会导致机车温度的升高，增加温控系统的负担，进一步导致能源的浪费。电力机车制动能量的回收利用是牵引供电系统未来发展的方向。传统的电气化铁路通常采用单相工频交流牵引供电网结构。

现有的直流牵引供电系统一般用于城市轨道牵引供电，电压等级一般为750V和和1500V；当用于电气化铁路时，电压等级一般采用3000V。如图1所示，现有的直流牵引供电系统包括有：一个或两个以上的用于向电力机车2提供直流电能的牵引变电站1，该牵引变电站1是采用传统的二极管整流直流牵引供电系统。每一个牵引变电站1都是由变压器11、高压整流器12、高压直流母线13、接触网14、钢轨15和分区所16构成。其中，变压器11可以是双绕组变压器、三绕组变压器或原边采用延边三角形连接的移相±7.5°的三绕组变压器。高压整流器12可以是六脉波整流器、12脉波整流器或24脉波整流器。

传统的直流牵引供电系统在电力机车运行低谷和停运期间，交流侧主变电站的功率因数很低，需要采取无功补偿措施。

经济的迅猛发展促进了电力需求的快速增长，传统的集中式大电网成本高、运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性的要求。分布式发电与集中式发电相比，具有污染少、能源利用率高、安装地点灵活等优点，节省了输配电资源和运行费用，减少了集中输电的线路损耗，减少了电网总容量，改善了电网峰谷性能，提高了可靠性，是大电网的有力补充和有效支撑，是电力系统的发展趋势之一。

分布式电源包括太阳能光伏电池、风力发电机、微型燃气轮机、燃料电池和生物质能发电等。

分布式电源单机接入成本高、控制困难。它相对于大电网来说是一个不可控源，因此大电网往往采取限制、隔离的方式来处置分布式电源，以期减小其对大电网的冲击，这就大大限制了分布式电源的利用。

世界电气化铁路的里程已经达到相当大的规模，铁路沿线具有非常可观的诸如太阳能光伏发电、风力发电等清洁的可再生能源，充分开发利用这些清洁的可再生能源对减少空气污染、实现节能减排具有重大的意义。

微电网是一种由负荷、微电源（即微电网中的分布式电源，如光伏发电、风力发电等）、储能装置和电力电子功率变换装置共同组成的有机系统；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微电网可以有效解决上述分布式电源接入大电网的问题，协调大电网和分布式电源之间的矛盾。

微电网可分为交流微电网、直流微电网、高频微电网和交直流混合微电网。因为分布式电源中的太阳能光伏电池和燃料电池本身为直流，而风力发电机、微型燃气轮机和生物质能发电等虽然为频率不同的交流，但可以经过一次整流变换为直流。直流微电网具有无集肤效应、损耗小、效率高、无需无功补偿、不存在交流供电系统固有的稳定问题、输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制以及易于控制等优点，在电力系统中具有广阔的发展和应用前景。

发明内容