一种高压直流供电的电气化铁路系统的制作方法

本实用新型涉及电气化铁路中电能转化技术，尤其涉及一种使用高压直流供电接触网的电气化铁路实施方法。

背景技术：

目前，我国电气化铁路牵引网是从当地电业局的110kV/220kV取电，由牵引变压器转换成单相工频27.5kV交流电供电。由于牵引网使用的是单相交流电，电网中必定会出现因为三相功率不平衡而产生的负序电流。电气化铁路是直接接入电力系统的大宗用电大户，该负序电流直接影响整个电网的电能品质。为了缓解负序电流，通常采用相邻牵引变电所轮换相序的方法，从而存在多个过分相。这种存在分相的供电系统由于其供电不连续，使得受电弓上的电流时断时续，大大影响了电力机车上牵引电机的转速和转矩控制，影响了机车的运行。这种现象在高速和重载铁路上比较明显。

解决分相问题的方法之一是将交流电转换为直流电后再加以利用，交直隔离后电网电能质量可以得到显著的改善。使用电气化铁路同相贯通供电系统是其中的可行方法之一。该方法在牵引变电所将直流高压电转换成单相交流电，进而将该交流电接入到铁路接触网上，供电力机车使用。

另外，交流电的参数控制除了幅值外，还必须对频率和相位加以考虑。由于交流系统内在的局限性，在输电过程中交流电力系统两端同步运行的稳定性控制问题，会限制电力线路输送的能量和距离；稳定性问题使交流系统的控制复杂，响应随之变慢，操作不便，同时不利于多目标控制。上述特点使得直流输电在分区调度管理比起交流更加有效，在故障的紧急支援中更显优势，防止事故的进一步扩大。直流输电与交流输电相比，还存在经济效应方面的优势：直流输电沿线电压平稳分布，没有感抗和容抗的无功消耗，不需要并联电抗来补偿损耗，电能损耗小，电能输送效率较高；相同的电缆绝缘等级用于交流线路时，线路允许电压为一半，因此相同输送电压条件下，直流电缆更廉价；直流输电的建设在分级分期以及增容扩建等方面更加方便，有利于早期经济效益的发挥。虽然直流输电需要建设的换流站比交流输电的变电站投资大，综合来说在输电线路长度大于等价距离时，直流输电建设费用低。

技术实现要素：

本实用新型目的在于针对现有技术的不足，提供一种高压直流供电的电气化铁路系统。本实用新型可以解决过分相问题，同时降低接触网损耗，提高供电可靠性。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高压直流供电的电气化铁路系统，它包括：高压交流母线、牵引变电站、高压直流母线、高压直流接触网、受电弓、钢轨和电力机车；其中，所述高压交流母线的电压为110kV、220kV或330kV；所述牵引变电站一端连接高压交流母线，另一端连接高压直流母线，将高压交流母线上的交流电转化为10-30kV的高压直流电，并传输到高压直流母线；所述高压直流母线连接高压直流接触网和钢轨；高压直流接触网、受电弓、电力机车、钢轨依次电连接，构成高压直流电力回路，实现对电力机车的供电。

进一步地，所述牵引变电站包括变压器、整流器和储能设备；其中，所述变压器一端连接高压交流母线，另一端连接整流器，将110kV、220kV或330kV的高压交流电转化为10-30kV高压交流电；所述整流器将降压过的高压交流电整流为10-30kV的高压直流电，而后传输到高压直流母线；所述储能设备与高压直流母线连接。

进一步地，高压直流母线中的直流电通过高压直流接触网、受电弓、电力机车、钢轨的电力回路，完成对电力机车内部设备的供电。

进一步地，所述电力机车内部动力系统及其供电系统由电力电子逆变器、高频变压器、整流器、逆变器、牵引电机依次相连组成；其中，受电弓传输的10-30kV高压直流电由电力电子逆变器转化为10-30kV、2kHz的高频高压交流电，再由高频变压器转化为3kV、2kHz的高频低压交流电；再由整流器转化为3kV的低压直流电，最后由逆变器转化为驱动牵引电机的2kV、140Hz低频交流电。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型与目前在使用的技术相比，解决了过分相问题，机车上高速牵引电机的控制效果可以得到改善，机车在高速或重载情况下运行状况得到优化。

2、本实用新型的接触网供电系统为直流输电，在相同输送电压前提下，直流输电系统相比交流输电系统稳定性更强，控制更精确、更方便，线路损耗更小。

3、本实用新型的接触网供电系统为高压直流输电，与其他国家、地区目前使用的3kV接触网供电方式相比，10-30kV的接触网电压使得接触网输电损耗更小，同功率接触网中电流更小，因此提高了输电线路的容量，为后续可能的铁路负载提高、运行速度提升打下了基础。

4、本实用新型的接触网供电系统为高压直流输电，可以通过各地区高压直流输电线路互联，实现牵引网络的供电系统可靠、安全的运行。

5、本实用新型高压直流侧的储能设备可以集中管理电能的储存和释放，如回收列车制动时的能量，提高电能利用率；提供启动时峰值功率，起到削峰填谷的作用，有效提高输电可靠性。

6、本实用新型牵引变电站内可控整流和储能设备可以有效抑制谐波，改善功率因数，从而增加电力系统稳定性、抑制电力系统振荡、改善电网电能质量。

附图说明

图1为高压直流供电的电气化铁路系统的总体结构拓扑示意图；

图2为牵引变电站内部结构示意图；

图3为电力机车内部的电力电子设备连接图；

图中：1、高压交流母线，2、牵引变电站，3、高压直流母线，4、高压直流接触网，5、受电弓，6、钢轨，7、电力机车，8、变压器，9、整流器，10、储能设备，11、电力电子逆变器，12、高频变压器，13、整流器，14、逆变器，15、牵引电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型高压直流供电的电气化铁路系统包括：高压交流母线1、牵引变电站2、高压直流母线3、高压直流接触网4、受电弓5、钢轨6和电力机车7。

其中，高压交流母线1的三相高压交流电源仍然取自电气化铁路途经的各个地区和城市，通常取用110kV/220kV/330kV。

牵引变电站2一端连接高压交流母线1，另一端连接高压直流母线3。将高压交流母线1上的交流电转化为10-30kV的高压直流电，并传输到高压直流母线3。

高压直流母线3连接高压直流接触网4和钢轨6，其电力回路由接触网4、受电弓5、电力机车7、钢轨6依次连接组成，完成对电力机车7内部设备的供电。

如图2所示，牵引变电站2包括变压器8、整流器9和储能设备10。

其中，变压器8一端连接高压交流母线1，另一端连接整流器9，将取自交流电网的高压电进行降压处理，转化为10-30kV的高压交流电。

整流器9将降压过的高压交流电整流为10-30kV的高压直流电，而后传输到高压直流母线3。整流器9可分为不可控整流和可控整流。较佳的实施方案可使用晶闸管或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)通过脉冲宽度调制(PWM)实现可控整流，进而可以实现对电网中谐波的削弱和对功率因数的矫正，改善电网电能质量。

储能设备10与高压直流母线3连接，使用飞轮或超级电容来储存能量。储能设备10不仅与整流器9配合起到电网滤波的作用，改善电能质量，还可以在列车制动时通过四象限工作的电力电子设备回收能量，提高电能的利用率。另外，储能设备10对电能进行集中存储和释放，可以在列车启动时提供峰值功率，起到削峰填谷的作用，从而增加电力系统的可靠性。

如图3所示，电力机车7内部动力系统及其供电系统由电力电子逆变器11、高频变压器12、整流器13、逆变器14、牵引电机15依次相连组成。

其中，电力电子逆变器11，用于将受电弓传输的高压直流电(10-30kV)转化为高频高压交流电(10-30kV，2kHz)，转化为高频交流电的优势在于高频变压器12体积小、便于安装于电力机车7内，同时其转换效率比工频变压器高。

高频变压器12，将高频高压交流电(10-30kV，2kHz)转化为高频低压交流电(3kV，2kHz)。

整流器13，将高频低压交流电(3kV，2kHz)转化为低压直流电(3kV)。

逆变器14，将低压直流电(3kV)转化为可以驱动目前电气化铁路系统中牵引电机15的低频交流电(2kV，140Hz)。

上述电力机车内部电能转化过程中出现的电压幅值与频率均为举例，仅仅是对本实用新型的解释说明，并不用于限制本实用新型。实际应用中可根据具体的电力电子设备电能幅值、频率转化范围和牵引电机具体型号要求电压(380-4000V)加以调整。应当指出的是，在电气化铁路系统不脱离本实用新型的拓扑结构前提下，在本实用新型的精神和和权利要求的保护范围内，做出的任何修改、替换和改变等，均包含在本实用新型的保护范围内。