[发明专利]基于四端口模块化多电平变流器的贯通同相牵引供电系统

说明书

本发明提出的一种基于四端口模块化多电平变流器的贯通同相牵引供电系统，由多个贯通式同相牵引变电所牵引母线接入相互连通的接触网组成，各引变电所包括两个牵引变压器T₁和T₂、具有三个输入端口和一个输出端口的静止功率转换器SPC；T₁和T₂的三相原边端口接入同步公共交流电网的三相，T₁和T₂的三相副边端口均分别接入SPC的三个输入端口，SPC的输出端口接入牵引母线；SPC由k个四端口模块化多电平变流器4P‑MMC并联组成，各4P‑MMC均包括四相，每相由上下桥臂串联组成，各4P‑MMC的三相中点接入SPC的对应输入端口，第四相中点接入SPC的输出端口。本系统设备容量利用率高、配置灵活、可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种贯通式同相牵引供电系统、牵引变电所及其功率转换装置，特别是一种适于三相-单相功率变换的四端口模块化多电平变流器的贯通同相牵引供电系统。

背景技术

铁路(轨道交通)牵引供电系统是电气化铁路和城市轨道交通系统的能源入口，对其运行的安全稳定性和经济性至关重要。我国高速、重载铁路以及城际快速轨道交通的牵引供电系统，均采用“单相50Hz交流+单边供电”制式，每间隔10～30km须设置“电分相”无电区，造成行车故障概率大大增加、高铁旅行速度下降、重载运输效率降低以及机车“趴窝”等卡脖子难题。此外，既面临诸多影响公网的严重电能质量问题，还存在牵引机车再生能量利用不足、牵引变容量利用率低下、系统整体可靠性有限等痼疾。现行牵引供电制式的“电分相”始终制约我国电气化铁路的安全、可靠、高效、高品质运行，解决该问题的核心是同相牵引供电技术。

同相牵引供电技术可分为准同相牵引供电技术、虚拟同相牵引供电技术和贯通式同相牵引供电技术三大类。

准同相牵引供电技术是一种单边牵引供电制式，通过在牵引所采用单相牵引变压器或其他牵引变压器的单一端口为接触网供电，同时配合有源装置补偿牵引所不平衡潮流，如专利1(专利号ZL201611056799.1)提出的一种适用于高速电气化铁路的同相牵引供电系统和专利2(专利号201310227591.1)提出的一种单相组合式同相供变电构造。准同相牵引供电技术取消了牵引所内电分相，但由于无法直接控制牵引所母线电压，取消分区所电分相会构成低压环网引起环流。不得不保留分区所电分相，使得该技术不是完全的同相供电技术，故称为准同相牵引供电技术。

虚拟同相牵引供电技术利用有源装置直接控制牵引所和分区所中电分相无电区电压，在不改变既有牵引供电系统供电制式的基础上，实现机车无断电通过全接触网电分相，如专利3(专利号ZL201010596433.X)提出的一种牵引网电分相无断电柔性连接-补偿装置及其方法、专利4(专利号ZL201010597237.4)提出的一种电力机车无断电过分相-电能质量综合补偿装置及其方法和专利5(申请号201811313066.0)提出的一种分区所无断电柔性电分相设备及其控制方法。虚拟同相牵引供电技术较好地解决了机车通过电分相的问题，但仍属于单边牵引供电制式，也继承了单边供电制式的缺点，包括：供电能力与供电可靠性受限，短路故障和电能质量相互影响；接触网各段电压波动大，牵引机车再生能量利用不足、牵引变容量利用率低下、系统整体可靠性有限等痼疾。

贯通式同相牵引供电技术是双边牵引供电制式，主要依靠静止功率转换器的交交变换，实现三相外部电网与单相牵引电网的功率转换，其基本特点为：

1)完全取消电分相，实现真正同相供电，机车在接触网运行全过程无需过分相操作，安全可靠，无速度损失；

2)确保外部电力系统三相系统平衡，无需动态无功补偿，谐波达标；

3)三相电网与牵引系统完全解耦，几乎互不影响、电网故障穿越能力强；

4)牵引变压器容量利用率高，牵引所固定容量和运行费用降低；

5)外部的电源短路容量要求低、降低开关设备造价、电网适应能力强；