本實用新型涉及電氣化鐵路中電能轉(zhuǎn)化技術(shù)，尤其涉及一種使用高壓直流供電接觸網(wǎng)的電氣化鐵路實施方法。

背景技術(shù)：

目前，我國電氣化鐵路牽引網(wǎng)是從當?shù)仉姌I(yè)局的110kV/220kV取電，由牽引變壓器轉(zhuǎn)換成單相工頻27.5kV交流電供電。由于牽引網(wǎng)使用的是單相交流電，電網(wǎng)中必定會出現(xiàn)因為三相功率不平衡而產(chǎn)生的負序電流。電氣化鐵路是直接接入電力系統(tǒng)的大宗用電大戶，該負序電流直接影響整個電網(wǎng)的電能品質(zhì)。為了緩解負序電流，通常采用相鄰牽引變電所輪換相序的方法，從而存在多個過分相。這種存在分相的供電系統(tǒng)由于其供電不連續(xù)，使得受電弓上的電流時斷時續(xù)，大大影響了電力機車上牽引電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，影響了機車的運行。這種現(xiàn)象在高速和重載鐵路上比較明顯。

解決分相問題的方法之一是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后再加以利用，交直隔離后電網(wǎng)電能質(zhì)量可以得到顯著的改善。使用電氣化鐵路同相貫通供電系統(tǒng)是其中的可行方法之一。該方法在牽引變電所將直流高壓電轉(zhuǎn)換成單相交流電，進而將該交流電接入到鐵路接觸網(wǎng)上，供電力機車使用。

另外，交流電的參數(shù)控制除了幅值外，還必須對頻率和相位加以考慮。由于交流系統(tǒng)內(nèi)在的局限性，在輸電過程中交流電力系統(tǒng)兩端同步運行的穩(wěn)定性控制問題，會限制電力線路輸送的能量和距離；穩(wěn)定性問題使交流系統(tǒng)的控制復雜，響應隨之變慢，操作不便，同時不利于多目標控制。上述特點使得直流輸電在分區(qū)調(diào)度管理比起交流更加有效，在故障的緊急支援中更顯優(yōu)勢，防止事故的進一步擴大。直流輸電與交流輸電相比，還存在經(jīng)濟效應方面的優(yōu)勢：直流輸電沿線電壓平穩(wěn)分布，沒有感抗和容抗的無功消耗，不需要并聯(lián)電抗來補償損耗，電能損耗小，電能輸送效率較高；相同的電纜絕緣等級用于交流線路時，線路允許電壓為一半，因此相同輸送電壓條件下，直流電纜更廉價；直流輸電的建設在分級分期以及增容擴建等方面更加方便，有利于早期經(jīng)濟效益的發(fā)揮。雖然直流輸電需要建設的換流站比交流輸電的變電站投資大，綜合來說在輸電線路長度大于等價距離時，直流輸電建設費用低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高壓直流供電的電氣化鐵路系統(tǒng)。本實用新型可以解決過分相問題，同時降低接觸網(wǎng)損耗，提高供電可靠性。

本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種高壓直流供電的電氣化鐵路系統(tǒng)，它包括：高壓交流母線、牽引變電站、高壓直流母線、高壓直流接觸網(wǎng)、受電弓、鋼軌和電力機車；其中，所述高壓交流母線的電壓為110kV、220kV或330kV；所述牽引變電站一端連接高壓交流母線，另一端連接高壓直流母線，將高壓交流母線上的交流電轉(zhuǎn)化為10-30kV的高壓直流電，并傳輸?shù)礁邏褐绷髂妇€；所述高壓直流母線連接高壓直流接觸網(wǎng)和鋼軌；高壓直流接觸網(wǎng)、受電弓、電力機車、鋼軌依次電連接，構(gòu)成高壓直流電力回路，實現(xiàn)對電力機車的供電。

進一步地，所述牽引變電站包括變壓器、整流器和儲能設備；其中，所述變壓器一端連接高壓交流母線，另一端連接整流器，將110kV、220kV或330kV的高壓交流電轉(zhuǎn)化為10-30kV高壓交流電；所述整流器將降壓過的高壓交流電整流為10-30kV的高壓直流電，而后傳輸?shù)礁邏褐绷髂妇€；所述儲能設備與高壓直流母線連接。

進一步地，高壓直流母線中的直流電通過高壓直流接觸網(wǎng)、受電弓、電力機車、鋼軌的電力回路，完成對電力機車內(nèi)部設備的供電。

進一步地，所述電力機車內(nèi)部動力系統(tǒng)及其供電系統(tǒng)由電力電子逆變器、高頻變壓器、整流器、逆變器、牽引電機依次相連組成；其中，受電弓傳輸?shù)?0-30kV高壓直流電由電力電子逆變器轉(zhuǎn)化為10-30kV、2kHz的高頻高壓交流電，再由高頻變壓器轉(zhuǎn)化為3kV、2kHz的高頻低壓交流電；再由整流器轉(zhuǎn)化為3kV的低壓直流電，最后由逆變器轉(zhuǎn)化為驅(qū)動牽引電機的2kV、140Hz低頻交流電。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型與目前在使用的技術(shù)相比，解決了過分相問題，機車上高速牽引電機的控制效果可以得到改善，機車在高速或重載情況下運行狀況得到優(yōu)化。

2、本實用新型的接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)為直流輸電，在相同輸送電壓前提下，直流輸電系統(tǒng)相比交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性更強，控制更精確、更方便，線路損耗更小。

3、本實用新型的接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)為高壓直流輸電，與其他國家、地區(qū)目前使用的3kV接觸網(wǎng)供電方式相比，10-30kV的接觸網(wǎng)電壓使得接觸網(wǎng)輸電損耗更小，同功率接觸網(wǎng)中電流更小，因此提高了輸電線路的容量，為后續(xù)可能的鐵路負載提高、運行速度提升打下了基礎。

4、本實用新型的接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)為高壓直流輸電，可以通過各地區(qū)高壓直流輸電線路互聯(lián)，實現(xiàn)牽引網(wǎng)絡的供電系統(tǒng)可靠、安全的運行。

5、本實用新型高壓直流側(cè)的儲能設備可以集中管理電能的儲存和釋放，如回收列車制動時的能量，提高電能利用率；提供啟動時峰值功率，起到削峰填谷的作用，有效提高輸電可靠性。

6、本實用新型牽引變電站內(nèi)可控整流和儲能設備可以有效抑制諧波，改善功率因數(shù)，從而增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、抑制電力系統(tǒng)振蕩、改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

附圖說明

圖1為高壓直流供電的電氣化鐵路系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)拓撲示意圖；

圖2為牽引變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為電力機車內(nèi)部的電力電子設備連接圖；

圖中：1、高壓交流母線，2、牽引變電站，3、高壓直流母線，4、高壓直流接觸網(wǎng)，5、受電弓，6、鋼軌，7、電力機車，8、變壓器，9、整流器，10、儲能設備，11、電力電子逆變器，12、高頻變壓器，13、整流器，14、逆變器，15、牽引電機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1所示，本實用新型高壓直流供電的電氣化鐵路系統(tǒng)包括：高壓交流母線1、牽引變電站2、高壓直流母線3、高壓直流接觸網(wǎng)4、受電弓5、鋼軌6和電力機車7。

其中，高壓交流母線1的三相高壓交流電源仍然取自電氣化鐵路途經(jīng)的各個地區(qū)和城市，通常取用110kV/220kV/330kV。

牽引變電站2一端連接高壓交流母線1，另一端連接高壓直流母線3。將高壓交流母線1上的交流電轉(zhuǎn)化為10-30kV的高壓直流電，并傳輸?shù)礁邏褐绷髂妇€3。

高壓直流母線3連接高壓直流接觸網(wǎng)4和鋼軌6，其電力回路由接觸網(wǎng)4、受電弓5、電力機車7、鋼軌6依次連接組成，完成對電力機車7內(nèi)部設備的供電。

如圖2所示，牽引變電站2包括變壓器8、整流器9和儲能設備10。

其中，變壓器8一端連接高壓交流母線1，另一端連接整流器9，將取自交流電網(wǎng)的高壓電進行降壓處理，轉(zhuǎn)化為10-30kV的高壓交流電。

整流器9將降壓過的高壓交流電整流為10-30kV的高壓直流電，而后傳輸?shù)礁邏褐绷髂妇€3。整流器9可分為不可控整流和可控整流。較佳的實施方案可使用晶閘管或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)實現(xiàn)可控整流，進而可以實現(xiàn)對電網(wǎng)中諧波的削弱和對功率因數(shù)的矯正，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

儲能設備10與高壓直流母線3連接，使用飛輪或超級電容來儲存能量。儲能設備10不僅與整流器9配合起到電網(wǎng)濾波的作用，改善電能質(zhì)量，還可以在列車制動時通過四象限工作的電力電子設備回收能量，提高電能的利用率。另外，儲能設備10對電能進行集中存儲和釋放，可以在列車啟動時提供峰值功率，起到削峰填谷的作用，從而增加電力系統(tǒng)的可靠性。

如圖3所示，電力機車7內(nèi)部動力系統(tǒng)及其供電系統(tǒng)由電力電子逆變器11、高頻變壓器12、整流器13、逆變器14、牽引電機15依次相連組成。

其中，電力電子逆變器11，用于將受電弓傳輸?shù)母邏褐绷麟?10-30kV)轉(zhuǎn)化為高頻高壓交流電(10-30kV，2kHz)，轉(zhuǎn)化為高頻交流電的優(yōu)勢在于高頻變壓器12體積小、便于安裝于電力機車7內(nèi)，同時其轉(zhuǎn)換效率比工頻變壓器高。

高頻變壓器12，將高頻高壓交流電(10-30kV，2kHz)轉(zhuǎn)化為高頻低壓交流電(3kV，2kHz)。

整流器13，將高頻低壓交流電(3kV，2kHz)轉(zhuǎn)化為低壓直流電(3kV)。

逆變器14，將低壓直流電(3kV)轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動目前電氣化鐵路系統(tǒng)中牽引電機15的低頻交流電(2kV，140Hz)。

上述電力機車內(nèi)部電能轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)的電壓幅值與頻率均為舉例，僅僅是對本實用新型的解釋說明，并不用于限制本實用新型。實際應用中可根據(jù)具體的電力電子設備電能幅值、頻率轉(zhuǎn)化范圍和牽引電機具體型號要求電壓(380-4000V)加以調(diào)整。應當指出的是，在電氣化鐵路系統(tǒng)不脫離本實用新型的拓撲結(jié)構(gòu)前提下，在本實用新型的精神和和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，做出的任何修改、替換和改變等，均包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。