CN111446867B - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
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；
6)实现双边供电，供电能力强，有利于增大牵引站间距，稳定接触网电压，有效提高供电可靠性；
7)牵引系统故障电流限制，接触网短路时电流迅速限制在额定值以内，降低接地及连接机构造价；
8)制动能量可控地减少回馈至三相系统，充分利用制动能量，可节省牵引能量10％～20％；
实现贯通式同相牵引供电技术的核心装备是三相/单相静止功率转换器SPC，其拓扑实现包括几种典型方式：
1)以ABB和GE等公司为代表，采用基于三电平的三相交流-直流-单相交流变换方案。两侧变流器通过共同的直流环节相互连接，其逆变通常采用单相变压器串联多重化方式以减小输出电压谐波，典型型号为PCS-6000Rail。由于该方案电平数较少，等效开关频率有限，需要复杂的多重化变压器降低特征频率，变压器绕制复杂；交流电压、电流谐波较大，器件容量要求高，效率较低，并且需要增加较大的滤波器。
2)专利6(专利号：ZL200710175253.2)提出了一种用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器，是一种单相交流-直流-单相交流的统一电能质量控制器，利用多级独立直流环节构造出逆变侧级联多电平输出，可获得良好的输出电压谐波特性。类似地，文献1(I.Krastev,P.Tricoli,S.Hillmansen and M.Chen,"Future of Electric Railways:Advanced Electrification Systems with Static Converters for ac Railways,"inIEEE Electrification Magazine,vol.4,no.3,pp.6-14,Sept.2016.)描述了类似结构，区别在于整流侧各功率单元为三相整流器。该方案的问题在于需要较为复杂、成本较高的多重化变压器。
3)以西门子为代表，采用模块化多电平交交直接变换器MMDC技术，较好地解决了ABB和GE技术方案的问题，采用多个H桥的模块化多电平级联方式，使得SPC谐波特性和效率均得到提升，可省去复杂的变压器结构。然而，西门子的MMDC技术要求，只有当SPC的输入和输出侧电网频率不同时，其输入与输出侧的功率潮流才能相互解耦，并不适合应用于50Hz/50Hz的应用场景。
4)文献2(Winkelnkemper M，Korn A，Steimer P.A modular direct converterfor transformerless rail interties[A].IEEE International Symposium onIndustrial Electronics[C].2010.562-567.)描述的交-直-交型模块化多电平变流器SPC，采用三相MMC和单相MMC变流器通过直流侧互联构成，利用多电平技术，在三相电网和单相牵引网端口获得了良好的谐波特性，并且输入与输出端口交流频率相互解耦，适用于不同场景。但存在桥臂较多，开关功率器件利用率不足，总体成本高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于解决既有三相/单相静止功率转换器交交变换变流器拓扑存在的问题，构造有经济优势、特性优良的贯通式同相牵引变电所及贯通式同相牵引供电系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
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，其特征在于，由若干个间隔设置的贯通式同相牵引变电所组成，各贯通式同相牵引变电所的电源侧接入同一同步公共交流电网，各贯通式同相牵引变电所的负荷侧牵引母线T-bus均接入接触网T且该侧所有牵引变电所之间全部相互贯通；
各贯通式同相牵引变电所包括第一牵引变压器T1、第二牵引变压器T2、若干开关以及具有三个输入端口Ac、Bc、Cc和一个输出端口Xc的静止功率转换器SPC；所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2均为三相变压器结构，所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2的各相原边端口分别通过三相断路器CB1、CB2接入同步公共交流电网的A、B、C三相，其中A相超前于B相120°、A相滞后于C相120°，所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2的各相副边端口分别通过三相断路器CB6和CB7均接入所述静止功率转换器SPC的三个输入端口Ac、Bc、Cc，该静止功率转换器的输出端口Xc接入牵引母线T-bus，牵引母线T-bus通过单相断路器CB3接入接触网T，铁轨通过回流线接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；所述贯通式同相牵引变电所内集中接地端与静止功率转换器SPC的一个输入端口相连接，且各个贯通式同相牵引变电所内集中接地端接入该所的静止功率转换器SPC的输入端口相序号均相同；所述静止功率转换器SPC由k个四端口模块化多电平变流器4P-MMC并联组成，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC均分别包括A、B、C、X四相，每相由上、下桥臂串联组成，各相上桥臂正极端相互并联形成直流正极DC+，各相下桥臂负极端相互并联形成直流负极DC-，各相上桥臂的负极端和下桥臂的正极端相串联作为对应相的中点，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C三相中点分别通过一三相断路器TB接入静止功率转换器SPC的对应输入端口Ac、Bc、Cc，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相中点分别通过单相断路器SB接入静止功率转换器SPC的输出端口Xc；
所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2的各原边端口间的额定线电压有效值UL均相等、各线电压相角依次相差120°，各副边端口间的额定线电压有效值Ul均相等、各线电压相角依次相差120°，第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2变比均为KT：
KT＝Ul/UL。
进一步地，各贯通式同相牵引变电所还均分别包括单相输出变压器To，该单相输出变压器To的原边绕组一端口P1接入相应贯通式同相牵引变电所内静止功率转换器SPC的输出端口Xc，所述静止功率转换器SPC的任一输入端口经断路器CB4接入所述单相输出变压器To的原边绕组另一端口P0，且各贯通式同相牵引变电所内单相输出变压器To原边绕组端口P0接入的该所静止功率转换器SPC的输入端口相序号均相同；所述单相输出变压器To的副边绕组一端口S1经单相断路器CB5接入牵引母线T-bus，另一端口S0接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；
所述单相输出变压器To的副边额定电压与牵引母线T-bus额定电压相同，记有效值为Uo，单相输出变压器To的原边额定电压与对应静止功率转换器SPC输出端口Xc的端口电压相同，记有效值为Ux，则单相输出变压器To变比Ko为：
Ko＝Uo/Ux。
进一步地，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相中，上、下桥臂结构相同，均分别由若干个电压源子模块以及一台滤波电抗器依次串联组成；上桥臂中，第一个电压源子模块的正极端和滤波电抗器的一端分别作为上桥臂的正极端和负极端；下桥臂中，滤波电抗器的一端和最后一个电压源子模块的负极端分别作为下桥臂的正极端和负极端。
本发明的特点及有益效果
本发明申请提出的贯通同相牵引供电系统，其特点及有益效果在于：
1)本发明系统中各贯通式牵引变电所不需采用特殊接线形式的牵引变压器，而是采用常规三相变压器，该变压器具有接线简单、成本低、容量利用率高的优势。
2)SPC包括多台4P-MMC并列运行，其中部分4P-MMC故障退出不影响SPC及贯通同相牵引变电所运行，系统运行可靠性高；两台牵引变压器可并列运行，单台变压器故障不影响贯通同相牵引变电所正常运行。
3)提出四端口模块化多电平变流器4P-MMC构成本发明系统贯通同相牵引变电所核心设备静止功率转换器SPC。4P-MMC的优势包括，相对于ABB、GE的方案，避免了交流端口较大容量滤波器，同时可避免在三相交流和单相交流侧复杂接线变压器，显著提高系统效率并降低系统成本。4P-MMC相对于专利6和文献1所述方案，避免了整流侧采用复杂多重化变压器，节省了相应地成本，提高了整体效率。4P-MMC相对于西门子MMDC技术，解决了其无法适应输入和输出交流系统为相同频率的应用场景问题。4P-MMC相对于文献2所述五端口交-直-交型MMC方案，在保持两侧交流谐波特性优良，输入输出频率解耦的特点同时，由于省去了一个端口及相应桥臂，并且减小了一个输入端口的电流应力，整体可降低35％的功率器件和电容成本，具有很强的经济优势和高容量利用率。
4)本发明取消接触网全线电分相，依赖SPC输入端口变流器可对外部公网电能质量有效治理，并有效限制接触网故障电流。
附图说明
图1是本发明实施例中贯通式同相牵引供电系统的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中不含输出变压器的贯通式同相牵引变电所的结构示意图；
图3是本发明实施例中含有输出变压器的贯通式同相牵引变电所的结构示意图；
图4是本发明的静止功率转换器SPC中第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMCi的结构示意图；
图5是本发明实施例中构成四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相上、下桥臂结构示意图；其中图5(a)是上桥臂的结构示意图，图5(b)是下桥臂的结构示意图；
图6是本发明实施例中构成4P-MMC中各相桥臂的电压源子模块的结构示意图；
图7是本发明的静止功率转换器SPC的电压相量图；
图8是本发明的静止功率转换器SPC(k＝1)的电气结构及关键电气量示意图；
图9是本发明实施例中一种在SPC退出运行后仍具备供电能力的贯通式同相牵引变电所的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明反馈的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明反馈，而不能理解为对本发明反馈的限制。
下面参照附图描述根据本发明反馈实施例提出的基于四端口模块化多电平变流器的贯通式同相牵引供电系统。
图1是本发明反馈的一个实施例的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。
如图1所示，基于四端口模块化多电平变流器的贯通式同相牵引供电系统，由M个(M通常为大于1的正整数)间隔一定距离(通常在2km～60km)的贯通式同相牵引变电所构成。本发明中M个贯通式同相牵引变电所电源侧接入的外部公共电网应属于一个同步交流电网，M个贯通式同相牵引变电所负荷侧牵引母线T-bus均接入接触网T且该侧各牵引变电所之间全部相互贯通，牵引供电系统全线无电分相设置。图2是本发明反馈的一个实施例中一个贯通式同相牵引变电所，包括一个三相常规接线第一牵引变压器T1，一个三相常规接线第二牵引变压器T2，一组由一个或多个四端口模块化多电平变流器4P-MMC并联组成的静止功率转换器SPC和若干开关。第一牵引变压器T1包括原边端口A1、B1、C1和副边端口a1、b1、c1；第二牵引变压器T2包括原边端口A2、B2、C2和副边端口a2、b2、c2；静止功率转换器SPC包括三个输入端口Ac、Bc、Cc和一个输出端口Xc；开关包括三相断路器CB1、CB2、CB6、CB7和单相断路器CB3。采用A、B、C表示该公共交流电网三相中各相序，其中A相超前于B相120°、A相滞后于C相120°。所述贯通式同相牵引变电所内各元件的连接关系为：第一牵引变压器T1的原边端口A1、B1、C1经三相断路器CB1分别接入同步公共交流电网A、B、C三相，第一牵引变压器T1的副边端口a1、b1、c1分别通过三相断路器CB6接入静止功率转换器SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc；第二牵引变压器T2的原边端口A2、B2、C2经三相断路器CB2分别接入同步公共交流电网A、B、C三相，第二牵引变压器T2的副边端口a2、b2、c2分别通过三相断路器CB7接入静止功率转换器SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc；静止功率转换器SPC的输出端口Xc接入牵引母线T-bus，牵引母线T-bus经单相断路器CB3接入接触网T，铁轨经回流线接入牵引所内集中接地端，所述集中接地端接入大地地网。
选择牵引所内集中接地端接入SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc中的一个，如图2中端口Ac接入集中接地端；并且，本发明M个所述贯通式同相牵引变电所内集中接地端接入的该所SPC的输入端口相序号均相同。
可选地，SPC可配置单相输出变压器To。如图3所示，单相输出变压器To的原边绕组一端口P1接入静止功率转换器SPC的输出端口Xc，选择SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc中的任一个经断路器CB4接入单相输出变压器To的原边绕组另一端口P0，如图3中端口Ac接入P0；并且，本发明M个所述贯通式同相牵引变电所内SPC输出单相变压器To原边绕组端口P0接入的该所SPC的输入端口相序号均相同。单相输出变压器To的副边绕组一端口S1经断路器CB5接入牵引母线T-bus，另一端口S0接入集中接地端。可选择静止功率转换器SPC三个输入端口Ac、Bc、Cc和输出端口Xc中任一端口接入集中接地箱，或者选择四个端口均不接入集中接地箱。
其中，单相输出变压器To的副边额定电压与牵引母线T-bus额定电压相同，记有效值为Uo，单相输出变压器To的原边额定电压与SPC输出端口Xc的端口电压相同，记有效值为Ux，则单相输出变压器To变比Ko为：
Ko＝Uo/Ux (1)
进一步地，所述三相常规接线牵引变压器T1、T2，接线形式包括但不限于YNd型，Dyn型，Yyn型，Yd型等，其共同特征为：原边三个端口(A1、B1、C1或A2、B2、C2)间的额定线电压有效值UL均相等、各线电压相角依次相差120°，副边三个端口(a1、b1、c1或a2、b2、c2)间的额定线电压有效值Ul均相等、各线电压相角依次相差120°，牵引变压器变比KT为：
KT＝Ul/UL (2)
一组所述静止功率转换器SPC，通常包括k个(通常k∈[1，6]的自然数)相同的四端口模块化多电平变流器4P-MMC，记第i(i＝1,2,…,k)个四端口模块化多电平变流器为4P-MMCi，且4P-MMCi的4个端口记为Aci、Bci、Cci和Xci。4P-MMCi的输入端口Aci均接入SPC的输入端口Ac，4P-MMCi的输入端口Bci均接入SPC的输入端口Bc，4P-MMCi的输入端口Cci均接入SPC的输入端口Cc，4P-MMCi的输出端口Xci均接入SPC的输出端口Xc。
所述第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMCi如图4所示，包括Ai、Bi、Ci、Xi共4相，每相由上、下两个桥臂相互串联而成，各相上桥臂正极端记为P+、负极端记为P-，各相下桥臂正极端记为N+、负极端记为N-；各相上桥臂正极端P+相互并联，形成直流正极DC+，各相下桥臂负极端N-相互并联，形成直流负极DC-；其中第Ji(Ji＝Ai,Bi,Ci,Xi)相上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+构成Ji相中点Jmi(Jmi＝Ami,Bmi,Cmi,Xmi)。其中Ami、Bmi、Cmi经过三相断路器TBi对应接入4P-MMCi的输入端口Aci、Bci、Cci，而Xmi经过单相断路器SBi接入4P-MMCi的输出端口Xci。
所述第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMCi的Ji相上桥臂如图5中(a)所示，由NJ个电压源子模块以及一台滤波电抗器L依次串联组成，第一个电压源子模块的正极端作为Ji相上桥臂的正极端P+，每一个电压源子模块的负极端均与下一个电压源子模块的正极端相连，最后一个电压源子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为Ji相上桥臂的负极端P-。
所述第i个四端口模块化多电平变流器4P-MMCi的Ji相下桥臂如图5中(b)所示，由NJ个电压源子模块以及一台滤波电抗器L依次串联组成，第一个电压源子模块的正极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为Ji相下桥臂的正极端N+，每一个电压源子模块的负极端均与下一个电压源子模块的正极端相连，最后一个电压源子模块的负极端作为Ji相下桥臂的负极端N-。
所述电压源子模块均为单相电压源型变流器结构，具有g(g为正整数且满足g≥2)个输出电平；记电压源子模块交流正、负极间电压为uSM，流经电压源子模块的电流为iSM，且均以电压源子模块正极端到负极端为正方向，参见图6；所述电压源子模块中包括f个直流电容(f为正整数且满足g>f≥1)，其中电压源子模块内第v个直流电容正极与负极之间的电压差为该直流电容的直流电压Ucv(v＝1,2,…，f)，电压源子模块额定直流电压Uc通常满足关系：
Figure BDA0002439443510000081
在电压源子模块内部所有电力电子开关受控关断时，若流经电压源子模块的电流iSM方向为负，则电压源子模块端口电压uSM幅值近似为零。
所述电压源子模块包括但不限于以下功率子模块类型：
半桥子模块(简称HBSM)，记为A1型电压源子模块，对应g＝2、f＝1；双半桥子模块记为A2型电压源子模块，对应g＝3、f＝2；带阻断开关的T型中点箝位子模块记为A3型电压源子模块，对应g＝3、f＝2；飞跨电容型三电平子模块记为A4型电压源子模块，对应g＝3、f＝2；所述A1—A4型子模块均为公知的标准电路，其中A2、A3、A4参见文献(Nami,A.,et al.,Modular Multilevel Converters for HVDC Applications:Review on Converter Cellsand Functionalities.IEEE Transactions on Power Electronics,2015.30(1):p.18-36.)。
所述电压源子模块，其中的电力电子开关通常采用逆导型IGBT或IGCT(可单独使用或混用)。
若本发明提出的贯通式同相牵引供电系统采用直接供电制式，记接触网T额定电压有效值为Uo，贯通式同相牵引变电所接入同步公共交流电网额定线电压有效值为UL，每个贯通式同相牵引变电所牵引负荷额定视在容量为S，变电所牵引负荷功率因数角为
Figure BDA0002439443510000082
贯通式同相牵引变电所注入同步公共交流电网端口为正序电流，其近端端口功率因数角记为
Figure BDA0002439443510000085
功率因数角均以电压滞后于电流为正。以所述贯通式同相牵引变电所中的一组静止功率转换器SPC所包含的四端口模块化多电平变流器4P-MMC的数量k＝1为例，说明SPC主要电气量特征(对于k取其他数值的情况，SPC主要电气量同样按照公式(4)～(20)所限定的方式进行设置)。
记牵引变压器T1、T2副边端口线电压均为uab，ubc，uca，副边端口相电压虚拟中性点为o，对应相电压为uao，ubo，uco，相量形式表示为
Figure BDA0002439443510000083
并以电压相量
Figure BDA0002439443510000084
为参考相位，其电压相量图如图7所示，其中Um为4P-MMC1中A1，B1，C1相上、下桥臂电压交流分量有效值，Uxo为4P-MMC1中X1相上、下桥臂电压交流分量有效值，δxo为4P-MMC1中X1相上、下桥臂电压交流分量相位角，Ux为SPC的输出端口Xc电压uxa(t)的有效值，δx为uxa(t)的电压相位角。
所述一组SPC相关电气量及其参考方向如图8所示。以图2中SPC输入端口Ac接入集中接地端为例，端口Ac和牵引变压器的副边端口a1和a2均为参考电位，则相对参考电位(见图7中a点)，SPC的输入端口Ac、Bc、Cc、输出端口Xc的电压，即4P-MMC1变流器的A1，B1，C1，X1相交流端口电压uaa(t)，uba(t)，uca(t)，uxa(t)可分别表示为：
Figure BDA0002439443510000091
式中，ω为同步公共交流电网的角频率，t为系统运行时间，Ul为三相常规牵引变压器T1、T2副边端口线间额定电压有效值，Ux为SPC的输出端口Xc电压uxa(t)的有效值，uxa(t)的电压相位角δx以超前于参考电压相量
Figure BDA0002439443510000092
为正，一般选取δx取值范围满足：
Figure BDA0002439443510000093
在本发明中，通常选择SPC输出端口电压uxa(t)的相位角δx＝π。
4P-MMC1中A1，B1，C1相上、下桥臂电压交流分量有效值均为Um，应满足：
Figure BDA0002439443510000094
记Ud为4P-MMC1直流正极DC+与直流负极DC-之间的额定直流电压，则Ud应满足关系：
Figure BDA0002439443510000095
式中m为A1，B1，C1三相调制度。
4P-MMC1中X1相上、下桥臂电压交流分量有效值Uxo、交流分量相位角δxo，应满足：
Figure BDA0002439443510000096
记X1相调制度为mx，应满足关系：
Figure BDA0002439443510000097
通常选择m、mx∈[0.8,0.95]。
进一步有，SPC中4P-MMC1的A1，B1，C1，X1相上、下桥臂电压分别为：
Figure BDA0002439443510000101
对应地，4P-MMC1的A1，B1，C1，X1相上、下桥臂中电压源子模块的数量NA，NB，NC，NX应满足关系式：
Figure BDA0002439443510000102
如图8，记SPC的端口Ac、Bc、Cc、Xc电流，即4P-MMC1的A1，B1，C1，X1相交流端口电流为ia(t)，ib(t)，ic(t)，ix(t)；牵引变压器T1或T2副边端口电流iTa(t)，iTb(t)，iTc(t)为正序对称电流，其有效值为Il；
则有关系式：
Figure BDA0002439443510000103
详细地，ia(t)，ib(t)，ic(t)，ix(t)应满足关系式：
Figure BDA0002439443510000104
式中Ix为ix(t)的有效值。
根据能量守恒定律，且不考虑SPC损耗，则应满足：
Figure BDA0002439443510000105
式中，S为贯通式同相牵引变电所牵引负荷额定视在容量。
4P-MMC1的A1，B1，C1，X1相上、下桥臂电流分别为：
Figure BDA0002439443510000111
式中，Ida、Idb、Idc、Idx分别为A1，B1，C1，X1相桥臂电流的直流分量，应满足：
Figure BDA0002439443510000112
一般地，当SPC由k个相同规格4P-MMC并联时，每个4P-MMC各相上、下桥臂电流可表示为：
Figure BDA0002439443510000113
特别地，当4P-MMC各相调制度满足m＝mx(对于4P-MMC个数大于1的情况，单个4P-MMC内各相调制度应相等)时，其各相桥臂容量利用率最大，对于SPC典型工作点δx＝π，Ul与Ux应满足关系：
Figure BDA0002439443510000114
若本发明SPC不配置输出单相变压器To，SPC输出端口Xc直接接入贯通式同相牵引变电所内牵引母线T-bus，T-bus电压有效值与接触网T额定电压有效值同为Uo，即满足：
Ux＝Uo (19)
若本发明SPC配置输出单相变压器To，且Ul＝Uo，则单相输出变压器To的变比Ko应满足：
Figure BDA0002439443510000121
本发明贯通式同相牵引供电系统的工作原理如下：
本发明贯通式同相牵引供电系统正常运行时，M个贯通式同相牵引变电所共同承担贯通式牵引接触网全线牵引负荷。
牵引变压器T1与T2可采用互为备用方式，该方式下贯通式同相牵引变电所正常运行时，若第一牵引变压器T1投运、T2备用，三相断路器CB1、CB6闭合，CB2、CB7断开。若第一牵引变压器T1或其原边、副边端口接入线路投运时发生故障，则先依次分断CB1、CB6，将第一牵引变压器T1退出运行，随后依次闭合CB2、CB7，将第二牵引变压器T2投入运行；若第二牵引变压器T2或其原边、副边端口接入线路投运时发生故障，则先依次分断CB2、CB7，将第二牵引变压器T2退出运行，随后依次闭合CB1、CB6，将第一牵引变压器T1投入运行。
进一步地，牵引变压器T1与T2可采用并列运行方式，该方式下，贯通式同相牵引变电所正常运行时，第一牵引变压器T1与第二牵引变压器T2均投入运行，三相断路器CB1、CB2、CB6、CB7均闭合。若第一牵引变压器T1或其原边、副边端口接入线路发生故障，则分断CB1、CB6，将第一牵引变压器T1退出运行；若牵引变压器T2或其原边、副边端口接入线路发生故障，则分断CB2、CB7，将第二牵引变压器T2退出运行。本发明贯通式同相牵引变电所的一组SPC中k个4P-MMC平均分担牵引负荷功率，每个4P-MMC允许通过的额定牵引负荷功率容量为S/k。检测到SPC中第i个变流器4P-MMCi发生故障，应立即闭锁4P-MMCi中功率器件触发脉冲，将其中三相断路器TBi和单相断路器SBi断开，SPC剩余的k-1个4P-MMC平均分担牵引负荷功率；相应地，牵引变电所允许通过的牵引负荷额定功率容量减小为(k-1)S/k。贯通式同相牵引变电所一组SPC中最多不超过k-1个4P-MMC发生故障时，该牵引变电所仍在贯通式同相牵引供电系统中运行。贯通式同相牵引变电所一组SPC中k个4P-MMC发生故障，贯通式同相牵引变电所发生故障退出运行，贯通式同相牵引供电系统剩余的M-1个牵引变电所重新分配通过各牵引变电所的功率容量，并不影响贯通式牵引供电系统正常运行；其中每个贯通式同相牵引变电所应具备一定的冗余功率容量。
特别地，本发明实施例中一种在SPC退出运行后仍具备供电能力的贯通式同相牵引变电所，如图9所示，该实施例中，贯通式同相牵引变电所应满足Ul＝Uo。若该实施例贯通式同相牵引变电所SPC故障整体退出运行，分断SPC各4P-MMC的三相断路器TBi和单相断路器SBi，随即闭合断路器CB8，即可由三相牵引变压器T1或T2副边b1(b2)端口或c1(c2)端口直接向牵引母线T-bus供电，以节省其他各贯通式同相牵引变电所的功率容量，同时应调整贯通式同相牵引供电系统中其余M-1个贯通式同相牵引变电所SPC输出电压跟踪该牵引变电所端口b1(b2)或c1(c2)电压。
以用于直接供电制式的贯通式同相牵引供电系统为例，说明本发明具体实施方式，系统简图见图3。本具体实施例中，贯通式同相牵引变电所数量M＝1，牵引变压器T1和T2均采用YNd型接线，静止功率转换器SPC配置输出单相变压器To，一组SPC所包含的四端口模块化多电平变流器4P-MMC的数量k＝1。同步公共交流电网额定线电压有效值UL＝110kV，牵引变压器副边额定线电压有效值Ul＝27.5kV，牵引变压器变比KT为：
KT＝Ul/UL＝0.25 (21)
本具体实施例中，SPC输出端口电压uxa(t)的相角δx＝π，4P-MMC1各相调制度满足m＝mx＝0.9，SPC输出端口Xc端口电压有效值Ux为：
Figure BDA0002439443510000131
贯通式同相牵引变电所内母线T-bus与接触网电压Uo＝27.5kV，输出变压器To变比Ko为：
Ko＝Uo/Ux＝0.87 (23)
4P-MMC1中A1，B1，C1相中上、下桥臂电压交流分量有效值Um为：
Figure BDA0002439443510000132
4P-MMC1直流正极DC+与负极DC-之间的额定直流电压Ud为：
Figure BDA0002439443510000133
4P-MMC1中X1相上、下桥臂电压交流分量有效值Uxo、交流分量相位角δxo为：
Figure BDA0002439443510000134
本具体实施例中，电压源子模块采用半桥子模块，模块额定直流电压Uc＝1kV，则4P-MMC1的A1，B1，C1，X1相上、下桥臂中电压源子模块的数量NA，NB，NC，NX应满足：
Figure BDA0002439443510000141
取NA＝NB＝NC＝NX＝50。
贯通式同相牵引变电所额定牵引负荷视在容量为S＝40MVA，令贯通式同相牵引变电所输入近端端口功率因数角
Figure BDA0002439443510000145
输出近端端口功率因数角
Figure BDA0002439443510000146
则牵引变压器副边端口电流有效值Il与SPC输出端口电流有效值Ix分别为：
Figure BDA0002439443510000142
在该具体实施例中，系统关键参数见下表：
Figure BDA0002439443510000143
在该具体实施例中，4P-MMC各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：
Figure BDA0002439443510000144
Figure BDA0002439443510000151
文献2所述五端口交-直-交型MMC，在相同工况下，各桥臂最大耐压，电流有效值，电流峰值与容量见下表：
Figure BDA0002439443510000152
4P-MMC各桥臂容量(有效值)之和为188.8MVA，各桥臂容量(峰值)之和为326.4MVA；文献2所述五端口交-直-交型MMC各桥臂容量(有效值)之和为289.2MVA，各桥臂容量(峰值)之和为498.4MVA。与文献2所述五端口交-直-交型MMC相比，本发明提出的4P-MMC整体可降低35％的功率器件和电容成本。

Claims (3)

1.一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，其特征在于，由若干个间隔设置的贯通式同相牵引变电所组成，各贯通式同相牵引变电所的电源侧接入同一同步公共交流电网，各贯通式同相牵引变电所的负荷侧牵引母线均接入接触网T，所有贯通式同相牵引变电所之间通过接触网T全部相互贯通；
各贯通式同相牵引变电所包括第一牵引变压器T1、第二牵引变压器T2、若干开关以及具有三个输入端口Ac、Bc、Cc和一个输出端口Xc的静止功率转换器SPC；所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2均为三相变压器结构，所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2的各相原边端口分别通过三相断路器CB1、CB2接入同步公共交流电网的A、B、C三相，其中A相超前于B相120°、A相滞后于C相120°，所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2的各相副边端口分别通过三相断路器CB6、CB7均接入所述静止功率转换器SPC的三个输入端口Ac、Bc、Cc，该静止功率转换器的输出端口Xc接入牵引母线T-bus，牵引母线T-bus通过单相断路器CB3接入接触网T，铁轨通过回流线接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；所述贯通式同相牵引变电所内集中接地端与静止功率转换器SPC的一个输入端口相连接，且各个贯通式同相牵引变电所内集中接地端接入该所的静止功率转换器SPC的输入端口相序号均相同；所述静止功率转换器SPC由k个四端口模块化多电平变流器4P-MMC并联组成，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC均分别包括A、B、C、X四相，每相由上、下桥臂串联组成，各相上桥臂正极端相互并联形成直流正极DC+，各相下桥臂负极端相互并联形成直流负极DC-，各相上桥臂的负极端和下桥臂的正极端相串联作为对应相的中点，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C三相中点分别通过一三相断路器TB接入静止功率转换器SPC的对应输入端口Ac、Bc、Cc，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相中点分别通过单相断路器SB接入静止功率转换器SPC的输出端口Xc；
所述第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2的各原边端口间的额定线电压有效值UL均相等、各线电压相角依次相差120°，各副边端口间的额定线电压有效值Ul均相等、各线电压相角依次相差120°，第一牵引变压器T1和第二牵引变压器T2变比均为KT：
KT＝Ul/UL
各贯通式同相牵引变电所还均分别包括单相输出变压器To，该单相输出变压器To的原边绕组一端口P1接入相应贯通式同相牵引变电所内静止功率转换器SPC的输出端口Xc，所述静止功率转换器SPC的任一输入端口经断路器CB4接入所述单相输出变压器To的原边绕组另一端口P0，且各贯通式同相牵引变电所内单相输出变压器To原边绕组端口P0接入的该所静止功率转换器SPC的输入端口相序号均相同；所述单相输出变压器To的副边绕组一端口S1经单相断路器CB5接入牵引母线T-bus，另一端口S0接入相应贯通式同相牵引变电所内集中接地端；
所述单相输出变压器To的副边额定电压与牵引母线T-bus额定电压相同，记有效值为Uo，单相输出变压器To的原边额定电压与对应静止功率转换器SPC输出端口Xc的端口电压相同，记有效值为Ux，则单相输出变压器To变比Ko为：
Ko＝Uo/Ux
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相中，上、下桥臂结构相同，均分别由若干个电压源子模块以及一台滤波电抗器依次串联组成；上桥臂中，第一个电压源子模块的正极端和滤波电抗器的一端分别作为上桥臂的正极端和负极端；下桥臂中，滤波电抗器的一端和最后一个电压源子模块的负极端分别作为下桥臂的正极端和负极端；
令所述接触网T的额定电压有效值为Uo，所述贯通式同相牵引变电所接入同步公共交流电网的额定线电压有效值为UL，每个贯通式同相牵引变电所的牵引负荷额定视在容量和牵引负荷功率因数角分别为S和
Figure FDA0003013840750000021
令贯通式同相牵引变电所注入同步公共交流电网端口为正序电流，其近端端口功率因数角记为
Figure FDA0003013840750000022
功率因数角均以电压滞后于电流为正；令集中接地端接入静止功率转换器SPC的输入端口Ac，即输入端口Ac以及与其相连的牵引变压器的副边端口均为参考电位，则静止功率转换器SPC的主要电气量特征设置如下：
静止功率转换器SPC输入端口Ac、Bc、Cc和输出端口Xc的电压，即各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相的交流端口电压uaa(t)，uba(t)，uca(t)，uxa(t)分别表示为：
Figure FDA0003013840750000023
式中，ω为同步公共交流电网的角频率，t为系统时间；Ul为第一牵引变压器T1、第二牵引变压器T2各副边端口间的额定线电压有效值，Ux为静止功率转换器SPC的输出端口Xc电压uxa的有效值，δx为uxa(t)的电压相位角，以超前于参考电压相量
Figure FDA0003013840750000024
为正；
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中A、B、C相的上、下桥臂电压交流分量有效值Um为：
Figure FDA0003013840750000025
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的直流正极DC+与直流负极DC-之间的额定直流电压Ud为：
Figure FDA0003013840750000031
式中，m为各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C三相调制度；
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相中上、下桥臂电压交流分量有效值Uxo、交流分量相位角δxo分别为：
Figure FDA0003013840750000032
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的X相制度mx为：
Figure FDA0003013840750000033
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相上、下桥臂电压分别为：
Figure FDA0003013840750000034
所述第一牵引变压器T1或第二牵引变压器T2的A、B、C相副边端口电流为正序对称电流，其有效值均为Il，第一牵引变压器T1或第二牵引变压器T2的X相副边端口电流的有效值为Ix，分别满足：
Figure FDA0003013840750000035
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中A、B、C、X相的交流端口电流ia(t)，ib(t)，ic(t)，ix(t)分别为：
Figure FDA0003013840750000041
各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中A、B、C、X相的上、下桥臂电流分别为：
Figure FDA0003013840750000042
式中，Ida、Idb、Idc、Idx分别为A1，B1，C1，X1相桥臂电流的直流分量，应满足：
Figure FDA0003013840750000043
所述uxa(t)的电压相位角δx的取值为：
Figure FDA0003013840750000044
所述电压源子模块均为单相电压源型变流器结构，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的A、B、C、X相的上、下桥臂中电压源子模块的数量NA，NB，NC，NX分别满足：
Figure FDA0003013840750000045
式中，Uc为电压源子模块额定直流电压。
2.根据权利要求1所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，所述静止功率转换器SPC中k个四端口模块化多电平变流器4P-MMC规格相同，各四端口模块化多电平变流器4P-MMC中各相上、下桥臂电流表示为：
Figure FDA0003013840750000051
3.根据权利要求2所述的贯通同相牵引供电系统，其特征在于，所述静止功率转换器SPC中各四端口模块化多电平变流器4P-MMC的各相调制度均相等，即m＝mx。
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