[发明专利]基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统

说明书

本发明提供了一种基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统，包括储能系统、逆变系统两部分，储能系统与逆变系统通过电容模块(C)相连。储能系统为三相电储能拓扑结构，每相电储能拓扑结构分为上桥臂和下桥臂两部分，上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)、n个电力电子变压器模块(ETM)、n个蓄电池模块(U)以及一个缓冲电感构成。逆变系统为三相桥式电路拓扑结构，每相拓扑结构分为上桥臂和下桥臂两部分，上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)以及一个缓冲电感构成。与现有技术相比，本发明联通27.5kV牵引网和10kV电力贯通线，使得再生能量被充分合理的利用，改善了刹车制动时电网的电能质量，具有节能环保的优点。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统。

背景技术

近年来随着我国高速铁路产业的飞速发展，我国已成为目前世界上高铁运行线路最长的国家，其装机功率与发车密度也位居国际前列。高速铁路具有运输能力强、乘坐舒适、节能环保等特点，但同时也是为数不多的直接接入电力系统的重要负荷之一。相比于传统的交-直型电力机车，高速铁路具有牵引负荷功率大、可靠性要求高、取流时间长的特点。由于高速铁路具有运行速度快、负荷功率大的特点，其所产生的再生制动能量也是相当可观的。

在高速列车进行刹车制动时，会产生制动能量，目前高速铁路产生的再生制动能量主要包含两个利用途径:一是被同一供电段内正在牵引运行的高速列车所吸收；二是直接返送回电力系统。但是由于电力机车属于单相非对称性负载，回馈到电力系统的再生制动能量包含大量的谐波成分以及负序分量，严重影响了电力系统的安全运行，因此电力公司对这部分返送电网的电量采用了惩罚性收费，也就是返送电网的电量等同于消耗的电量，即所谓的“倒送正计”，这无疑增加了高速铁路的运行成本。为了满足日益增长的高速铁路客运需求和应对不断上涨的运维成本，对于电气化铁路再生制动能量利用方案的研究便具有重要意义，这也符合现今世界都在提的节能环保的主题。

目前，在列车再生制动过程中，一般将再生制动能量利用存储设备储存起来，储能装置控制系统根据接触网电压、电流方向等条件判断出列车处于再生制动工况时，储能转换环节启动，将再生制动能量储存于能量存储器件中。而当列车工作在加速、爬坡等需消耗大量功率的工况时，能量变换环节再次启动，此时储能器件中的电能释放出来加以利用。根据储能器件的不同可分为电池储能、超导储能、飞轮储能和超级电容储能等，由于MMC具有高度模块化的结构，具有公共直流母线，而且保留了传统多电平变换器的优点，因此在采用MMC进行储能时，不仅节能环保，而且改善了刹车制动时的电能质量，同时使MMC子模块电容电压的控制更加灵活。

然而，由于高速铁路系统的应用电压等级较高，为27.5kV，而储能型MMC中用作储能的蓄电池组主要运用于低压等级，为36V-720V，因此不能直接将其接入高速铁路系统之中，目前虽然存在通过使用工频变压器降压来完成降压储能的结构，但这种拓扑结构存在造价高、安装空间大等一系列缺点，导致了应用的局限性。

此外，高速铁路系统中存在着沿铁路架设的10kV电力贯通线，该线路贯通铁路沿线所有车站，是为铁路沿线车站、信号和电力设备等各类用电负荷进行供电的专用电力线路，高速铁路的电力贯通线多为单芯电缆敷设于路基电缆槽中。传统的高铁牵引网线路与10kV电力贯通线不存在电气连接，因此两条线路中多余的能量不能相互有效利用，导致了应用的局限性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统。

本发明具体采用以下技术方案：