基于VSC-MTDC的新型牵引供电系统关键技术研究

By using AT or BT feeding mode, electrified railway in our country nowadays adopts 25KV/50HZ single phase AC voltage distributed by the traction substation taking the electrical energy from the three phases public grid for the traction railway power supply system (RPSS). Low power density, unbalanced load in three phases, power demotivated when electric locomotive pass phase separation are the significant drawbacks of those feeding modes. Applying the technology to the railway power supply system is a good and worth research topic for the researcher that flexible high voltage direct current (HVDC) technology based on the two or multi levels can effectively solve those problems as it increasing maturity. Upon the further research of MMC-HVDC, a novel RPSS combined with the features of electrified railway using multi-terminal high voltage direct current（MTDC）is proposed. With the characteristics of multiple feed, multi electrical drop points, economy, flexible and high reliability, MTDC is suitable for the load demanded for high reliability like traction railway. This project is based on VSC - MTDC,and to do research for the new traction power supply network structure. The aims focus on MMC control for mobile variable load and MMC collaborative control for power load change, and other key technology. The research results are using to evaluate network topology, traction power, system control characteristic, and futher more to improve the technology level of traction power supply.

电气化铁道牵引供电目前采用单相工频25KV电流制，采用AT或BT供电方式，从大电网接入三相交流电到牵引变电所，通过牵引变电所变压后分配到单相牵引臂。这种供电方式存在功率密度低，三相不对称，机车过分相失去动力等缺陷。柔性直流输电方式可以有效地解决这些问题，基于两电平或多电平的高压直流输电技术日益成熟，将这些技术应用到电气化铁道牵引供电系统中是值得认真研究的课题。本项目在深入研究MMC-HVDC的基础上，结合电气化铁道的特点，提出了采用多端直流输电（MTDC）方式的牵引供电系统，多端直流输电具有多电源供电、多落点受电、经济、灵活、可靠性高等特点，适合向供电可靠性要求较高的负荷（如铁路）供电。本项目就VSC-MTDC新型牵引供电网络结构展开具体的研究。项目聚焦移动变负载的MMC控制以及潮流变化下的MMC协同控制等关键技术，评估网络拓扑，牵引潮流，系统控制等特性指标，提升牵引供电的技术水平。

牵引供电网相分段供电的特性是目前影响牵引供电质量的主要因素，这种方式不但会造成行驶的电力机车或电动车组短时失电，影响牵引特性，而且会影响供电电网的三相平衡性。目前提出的一些解决方案，包括同相供电，贯通式供电，以及本课题提出的采用基于MMC-MTDC方式的新型牵引供电系统方案。在本课题中，首先研究了牵引供电网采用MMC变流器供电的可行性：针对MMC变流器的关键技术问题，在电容电压平衡控制策略上，采用改进阶梯波调制来降低电压的不平衡度；设计了环流解耦控制器，抑制相间环流；结合微分平坦理论，模拟了变流器的功率轨迹；设计了无锁相环的MMC变流器并网控制器；对该变流器电容预充电和启动问题进行了研究；对牵引机车等无源负载，研究了采用变流器供电时的负载特性；研究了开关死区时间与变流器电压输出的关系。其次针对MMC-MTDC新型供电网络结构的特性进行研究：研究了新型牵引系统的供电质量，以及机车运行时系统的特性；分析了新型牵引供电系统中出现的直流电压、电流二倍频波动问题，并提出了抑制波动的方法；分析了新型系统的三相平衡问题，设计直接功率补偿控制系统可以分别有效地抑制网侧负序电流或交流侧有功功率的2 倍频波动；建立了五端MMC-MTDC 模型，研究了MMC-MTDC潮流控制问题。再其次研究了利用MMC变流器解决牵引列车过分相以及新型系统对供电电网三相平衡影响等问题：提出了基于MMC的铁路功率调节器（MMC-RPC)拓扑结构；设计了MMC-RPC环流抑制方法；研究了利用MMC-RPC改善牵引供电系统电能质量的方法；并采用虚拟同步机技术提升对MMC-RPC稳定控制。研究过程中对所研究的新型供电拓扑结构和控制策略进行了仿真和试验。取得了多项科研成果，包括39篇期刊论文，2项受理发明专利，培养研究生19名。