霍克锂电池牵引电站电源设计方案

1.背景介绍

现在我国电气化铁路大多数选用根据AT供电和V/v接线牵引变压器的牵引变电站结构。而电力机车作为一种特别的流动性负荷，具有单向性、非线性、随机动摇大等特点，当投入运用时，将会带来谐波、三相电压不平衡、电压动摇等较为严峻的电能质量问题。当电力机车进入牵引网时，牵引网电压最大动摇规模从最小17.5KV到最大31.5KV，现在从牵引所27.5kV侧获得10kV电源主要是配置27.5/10kV单相-三相变压器方法。由于从原理上剖析该方法三相电压不对称，当负载改变时不对称状况更严峻，必须安装大容量电感、电容平衡不对称状况。而且机械式分接头方法的有载调压变压器，当负荷改变大，供电母线电压将随之改变大的工况下，存在动态调理呼应速度慢、机械触头寿命短、变压器油老化等问题。再加上三相电压不对称的状况更加重了这些问题，因而单相/三相有载调压变压器，并不合适电气化铁路牵引变电站。

假如经过外部电源接入站用电能够满足运用要求，如图1所示，可是需要额定从几十公里以外变电站引进电源，运用电缆长、成本高。因而，研究一种合适电气化铁路牵引变电站站用电源供电方法和设备，具有重要的社会经济含义。

图1牵引站从外部引进电源

图2牵引电站电源主电路结构

2.设计方案

本项目拟从变压器和电力电子技能着手，经过在变压器次边增加单相-三相模块化多电平变流器稳压电源的方法,来处理电源侧受牵引负荷影响而导致变压输出电压误差大和谐波含量高的问题,研制一种能有用按捺牵引负荷带来的电压误差的27.5/10kV稳压电源。

变压器原边接27.5KV接触网，次边10KV接入变流器输入侧，变流器把沟通电变换成安稳的直流电；变流器输出侧输出安稳的10KV三相沟通电压。变流器选用MMC结构，MMC是ModularMultilevelConverter--模块化多电平变流器的简称；该拓扑结构选用模块化链式串联结构，如图2所示，输入侧两相模块阀组直接与降压变压器次边10kV连接；输入侧与输出侧直接背靠背相连，输出侧有三相阀组提供沟通电源。每相阀组由上下桥臂组成，每个桥臂由若干个功率单元和一个桥臂电感串联组成。

图3功率单元原理

变压器技能参数：电压变比两相27.5KV/两相10KV；容量0.5MVA。

变流器技能参数：

功率单元原理图如图3所示，两个开关器材T1、T2串联，再与直流电容C并联。并且开关器材T1、T2别离反并联二极管；T1与T2的公共端，电容C与T2的公共端作为每个单元的输出端，与其他单元相连。T1与T2必须互补导通，当T1导通T2截止时，单元输出高电平；当T2导通T1截止时，单元输出0电平；当T1、T2都截止时，单元处于闭锁状况，一般在故障与启动时运用。

并网运行后，每个功率单元工作在全电压或零电压状况。为叙述方便，定义功率单元处于全电压状况为注册，零电压状况为关断。于是，变流器单个相单元能够等效为图4（a）的结构。为了剖析模块化多电平变流器技能的波形生成原理，不妨以a相为例进行阐明。（a）中uao表明变流器a相单元输出的相电压，ua1、ua2别离代表a相单元上、下桥臂电压，Udc是直流电压。由于MMC结构变流器将电容器分散安装在每个功率单元内，为了保持直流电压稳定，每个相单元的上、下两桥臂总的导通模块个数稳定。图4（b）清晰地展现了变流器相电压波形的组成原理，从图中能够形象地看出各相单元上、下桥臂导通的模块数出现此消彼长的改变趋势。变流器中三个相单元具有严厉的对称性，每相桥臂可经过功率单元的投切操控桥臂输出电压，故每相桥臂均可等效为一个可控电压源，如图4（c），桥臂电压ua1和ua2的波形关于Udc/2对称，这表明任意时刻二者之和恒为Udc。

忽略变流器中桥臂电抗器的压降，可得：

由上述两式能够得出，模块化多电平变流器正常运行时每相单元中处于投入状况的功率单元数在任意时刻都持平且不变，经过对每相上、下桥臂中处于投入状况的功率单元数进行分配来实现变流器沟通侧输出多电平波形。

由于模块化多电平变流器中三个相单元具有严厉的对称性，相单元中的上、下桥臂也具有严厉的对称性，因而直流电流Idc在三个相单元间均分，a相的输出端电流在上、下桥臂均分为两部分。因而，能够得到a相上、下桥臂电流为：

依据上述原理，当a相上桥臂中一切N个功率单元都切除时ua1=0，这时a相下桥臂一切的N个功率单元都要投入，才干得到直流电压Udc。又由于相单元中处于投入状况的功率单元数是一个不变的量，所以一般状况下，每个相单元中处于投入状况的功率单元数为N个，是该相单元中全部功率单元数2N的一半（不考虑冗余）。这样，单个桥臂处于投入状况的功率单元数能够是0，1，2，…，N，也就是说模块化多电平变流器最多能输出的电平数为N+1。

图4根据MMC技能的多电平电压波形生成原理

总结

装置运行时，不管牵引站27.5kV单相电网如何动摇，稳压电源一直操控总直流电压保持±10kV稳定不变。一起稳压电源的两相整流端还能够输出无功功率，安稳牵引站母线电压。