[发明专利]采用模块化多电平变流器的铁路牵引供电及列车传动系统

说明书

本发明公开了一种采用模块化多电平变流器的铁路牵引供电及列车传动系统，利用模块化多电平整流器将三相交流电变换为高压直流电，利用整流器的并联，形成贯通式高压直流牵引供电系统；利用模块化多电平逆变器，将直流牵引接触网电压逆变成可调压调频的三相交流电，供给车载的牵引电机。本发明能够彻底消除传统AC25kV交流牵引供电系统存在的负序、无功、电分相等问题，并能显著降低线路传输损耗，提高了牵引供电系统的效率；同时，列车直接采用模块化多电平逆变器驱动电机，简化了牵引传动系统的结构、提高了牵引电机的供电电压等级及供电质量，从而能够显著提高列车牵引传动系统的功率密度及能量转化效率，降低损耗。

技术领域

本发明涉及电气化铁路供电以及列车牵引传动技术领域，具体为一种采用模块化多电平变流器的铁路牵引供电及列车传动系统。

背景技术

单相工频交流牵引供电系统由牵引变电所和牵引供电网构成，牵引变电所将电力系统的三相110kV或220kV供电通过牵引变压器降压成27.5kV，再供给牵引网，如附图1所示。传统的牵引供电系统为使电力系统三相负荷平衡并提高电源的利用率，其接触网多采用分段换相供电，相与相之间设置有不带电的电分相。牵引供电系统的拓扑结构，决定了其必然存在负序、无功以及电分相等问题。

为了解决传统工频单相牵引供电系统存在的无功、负序、谐波等问题，有学者提出了基于平衡变压器的同相供电系统，如附图2所示。该系统利用电能质量调节器（ActivePower Compensator，APC），对同一个变电所内部的一个供电臂电压幅值和相位进行补偿，使其输出电压和幅值与另一个供电臂输出电压完全一致，从而实现了三相功率的平衡，避免了负序电流的产生、消除了变电所内部的电分相并能进行无功补偿。但是该系统需要提供全功率的APC容量、成本高，而且无法消除两个变电所之间的电分相。

另外，为了彻底消除传统交流牵引供电系统存在的问题，还有学者提出了基于三相交流-直流-单相交流的贯通式高级同相供电方式，如附图3所示。该系统利用电力电子技术，通过电能变换得到相位幅值完全一样的电压，从而形成贯通式同相供电系统。不过，该系统存在系统复杂成本高等缺点，工程应用难度较大。

列车的牵引传动系统是电力机车/动车组的能量来源，其结构如附图4所示。传统的牵引传动系统，需要由车载变压器将单相AC25kV电压降压，然后经过整流和逆变后，供给牵引电机。整个系统存在系统复杂、重量大、效率低的缺点，不符合未来轻量化的发展方向。因此有学者研究了采用电力电子变压器的传动系统，不过仍然无法彻底解决这些问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够解决传统的牵引供电系统及列车牵引传动系统存在诸多缺陷及问题，采用模块化多电平变流器的铁路牵引供电及列车传动系统。技术方案如下：

采用模块化多电平变流器的铁路牵引供电及列车传动系统，牵引供电系统包括并联运行的多个模块化多电平变流器，模块化多电平变流器将三相交流电整流后输出恒定的高压直流电，为牵引接触网供电；列车的牵引传动系统包括多个模块化多电平逆变器，模块化多电平逆变器将牵引接触网的高压直流电变换为可调频调压的三相交流电输出供给牵引电机。

进一步的，所述牵引供电系统用模块化多电平变流器可采用滞环电流控制、瞬态电流控制、虚拟dq坐标系电流解耦控制、直接功率控制或模型预测控制。

更进一步的，所述列车牵引传动系统用模块化多电平逆变器可采用适用于电机调速的控制策略，包括转差控制、直接转矩控制或矢量控制。

本发明的有益效果是：本发明能够构建贯通式高压直流牵引供电系统，从而能够彻底消除传统单相AC25kV交流牵引供电系统存在的负序、无功、电分相等问题，并能显著降低线路传输损耗，提高牵引供电系统的效率；同时，列车直接采用模块化多电平逆变器驱动电机，简化了列车牵引传动系统的结构、提高了牵引电机的供电电压等级及供电质量，从而能够显著提高列车牵引传动系统的功率密度及能量转化效率，降低损耗，实现列车轻量化。