一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构技术方案

本发明专利技术提供了一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构，所述储能拓扑结构为三相电储能拓扑结构，每相电储能拓扑结构分为上桥臂和下桥臂两部分，上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)、n个电力电子变压器模块(ETM)、n个蓄电池模块(U)以及一个缓冲电感构成，n为大于1的正整数。每相电上多电平换流器模块(MMC)与多电平换流器模块(MMC)之间串联连接，多电平换流器模块(MMC)与电力电子变压器模块(ETM)之间并联连接，电力电子变压器模块(ETM)与蓄电池模块(U)并联连接。与现有技术相比，本发明专利技术使得再生能量被充分合理的利用，改善了刹车制动时电网的电能质量，具有节能环保的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构
本专利技术属于电力电子
，涉及一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构。
技术介绍
近年来随着我国高速铁路产业的飞速发展，我国已成为目前世界上高铁运行线路最长的国家，其装机功率与发车密度也位居国际前列。高速铁路具有运输能力强、乘坐舒适、节能环保等特点，但同时也是为数不多的直接接入电力系统的重要负荷之一。相比于传统的交-直型电力机车，高速铁路具有牵引负荷功率大、可靠性要求高、取流时间长的特点。由于高速铁路具有运行速度快、负荷功率大的特点，其所产生的再生制动能量也是相当可观的。在高速列车进行刹车制动时，会产生制动能量，目前高速铁路产生的再生制动能量主要包含两个利用途径:一是被同一供电段内正在牵引运行的高速列车所吸收；二是直接返送回电力系统。但是由于电力机车属于单相非对称性负载，回馈到电力系统的再生制动能量包含大量的谐波成分以及负序分量，严重影响了电力系统的安全运行，因此电力公司对这部分返送电网的电量采用了惩罚性收费，也就是返送电网的电量等同于消耗的电量，即所谓的“倒送正计”，这无疑增加了高速铁路的运行成本。为了满足日益增长的高速铁路客运需求和应对不断上涨的运维成本，对于电气化铁路再生制动能量利用方案的研究便具有重要意义，这也符合现今世界都在提的节能环保的主题。目前，在列车再生制动过程中，一般将再生制动能量利用存储设备储存起来，储能装置控制系统根据接触网电压、电流方向等条件判断出列车处于再生制动工况时，储能转换环节启动，将再生制动能量储存于能量存储器件中。而当列车工作在加速、爬坡等需消耗大量功率的工况时，能量变换环节再次启动，此时储能器件中的电能释放出来加以利用。根据储能器件的不同可分为电池储能、超导储能、飞轮储能和超级电容储能等，由于MMC具有高度模块化的结构，具有公共直流母线，而且保留了传统多电平变换器的优点，因此在采用MMC进行储能时，不仅节能环保，而且改善了刹车制动时的电能质量，同时使MMC子模块电容电压的控制更加灵活。然而，由于高速铁路系统的应用电压等级较高，为27.5kV，而储能型MMC中用作储能的蓄电池组主要运用于低压等级，为36V-720V，因此不能直接将其接入高速铁路系统之中，目前虽然存在通过使用工频变压器降压来完成降压储能的结构，但这种拓扑结构存在造价高、安装空间大等一系列缺点，导致了应用的局限性。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构。本专利技术具体采用以下技术方案：一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构，所述储能拓扑结构为三相电储能拓扑结构，每相电储能拓扑结构分为上桥臂和下桥臂两部分，其特征在于：上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)、n个电力电子变压器模块(ETM)、n个蓄电池模块(U)以及一个缓冲电感构成，n为大于1的正整数；第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第二多电平换流器模块(MMC2)的第一接口(a21)连接，n个多电平换流器模块(MMC)根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第二多电平换流器模块(MMC2)的连接方式依次串联连接；第一多电平换流器模块(MMC1)的第三接口(a13)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的第一接口(b11)连接，第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的第二接口(b12)连接，n个多电平换流器模块(MMC)与n个电力电子变压器模块(ETM)之间根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的连接方式依次并联连接；第一电力电子变压器模块(ETM1)的第三接口(b13)与第一蓄电池模块(U1)的正极连接，第一电力电子变压器模块(ETM1)的第四接口(b14)与第一蓄电池模块(U1)的负极连接，n个电力电子变压器模块(ETM)与n个蓄电池模块(U)之间根据第一电力电子变压器模块(ETM1)与第一蓄电池模块(U1)的连接方式依次并联连接。本专利技术进一步包括以下优选方案：所述的第一多电平换流器模块(MMC1)由第一全控开关器件(S11)、第二全控开关器件(S12)以及第一电容(C11)构成；其中，第一全控开关器件(S11)与第二全控开关器件(S12)串联；第一电容(C11)与第一全控开关器件(S11)和第二全控开关器件(S12)的串联支路并联。所述的第一电力电子变压器模块(ETM1)由第三至第十8个全控开关器件(S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20)、第一滤波电感(SL11)、第二滤波电感(SL12)、第一变压器(T11)以及第二电容(C12)构成；其中，第三全控开关器件(S13)与第四全控开关器件(S14)串联；第五全控开关器件(S15)与第六全控开关器件(S16)串联；第三全控开关器件(S13)和第四全控开关器件(S14)的串联支路与第五全控开关器件(S15)和第六全控开关器件(S16)的串联支路并联；第七全控开关器件(S17)与第八全控开关器件(S18)串联；第九全控开关器件(S19)与第十全控开关器件(S20)串联；第七全控开关器件(S17)和第八全控开关器件(S18)的串联支路与第九全控开关器件(S19)和第十全控开关器件(S20)的串联支路并联；第三全控开关器件(S13)和第四全控开关器件(S14)的串联连接结点、第一滤波电感(SL11)、第一变压器(T11)的原边(TS1)、第五全控开关器件(S15)和第六全控开关器件(S16)的串联连接结点依次串联；第七全控开关器件(S17)和第八全控开关器件(S18)的串联连接结点、第一变压器(T11)的副边(TS2)、第二滤波电感(SL12)、第九全控开关器件(S19)和第十全控开关器件(S20)的串联连接结点依次串联。所述第一多电平换流器模块(MMC1)用于在列车进行刹车制动时进行电流由高压线路侧到低压线路侧的多电平整流控制，并在所述第一蓄电池模块(U1)进行放电供能时进行电流由低压线路侧到高压线路侧的多电平逆变控制；所述第一电力电子变压器模块(ETM1)用于在列车进行刹车制动时将高压直流电压降低为低压直流电压并为所述第一蓄电池模块(U1)进行充电储能，并在所述第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时将低压直流电压升高为高压直流电压；所述的第三至第六全控开关器件(S13、S14、S15、S16)用于在列车进行刹车制动时通过整流控制将交流电整流为直流电，并在所述第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时通过逆变控制将直流电逆变为交流电；所述第一变压器(T11)用于在列车进行刹车制动时降低交流电压，并在所述第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时升高交流电压；所述的第七至第十全控开关器件(S17、S18、S19、S20)用于在列车进行刹车制动时通过逆变控制将直流电逆变为交流电，并在所述第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时通过整流控制将交流电整流为直流电；所述第一蓄电池模块(U1)用于在列车进行刹车制动时进行充电储能，并用于放电功能。与现有技术相比，本专利技术的优势在于省去了其他储能方式中的工频变压器，提出将多电平换流器模块与电力电子变压器模块组合的创新点，蓄电池模块通过电力电子变压器模块连接于多电平换流器模块的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构，所述储能拓扑结构为三相电储能拓扑结构，每相电储能拓扑结构分为上桥臂和下桥臂，其特征在于，包括:上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)、n个电力电子变压器模块(ETM)、n个蓄电池模块(U)以及一个缓冲电感构成，n为大于1的正整数；第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第二多电平换流器模块(MMC2)的第一接口(a21)连接，n个多电平换流器模块(MMC)根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第二多电平换流器模块(MMC2)的连接方式依次串联连接；第一多电平换流器模块(MMC1)的第三接口(a13)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的第一接口(b11)连接，第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的第二接口(b12)连接，n个多电平换流器模块(MMC)与n个电力电子变压器模块(ETM)之间根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的连接方式依次并联连接；第一电力电子变压器模块(ETM1)的第三接口(b13)与第一蓄电池模块(U1)的正极连接，第一电力电子变压器模块(ETM1)的第四接口(b14)与第一蓄电池模块(U1)的负极连接，n个电力电子变压器模块(ETM)与n个蓄电池模块(U)之间根据第一电力电子变压器模块(ETM1)与第一蓄电池模块(U1)的连接方式依次并联连接。...

【技术特征摘要】
1.一种运用于高速铁路系统的储能拓扑结构，所述储能拓扑结构为三相电储能拓扑结构，每相电储能拓扑结构分为上桥臂和下桥臂，其特征在于，包括:上桥臂和下桥臂分别由n个多电平换流器模块(MMC)、n个电力电子变压器模块(ETM)、n个蓄电池模块(U)以及一个缓冲电感构成，n为大于1的正整数；第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第二多电平换流器模块(MMC2)的第一接口(a21)连接，n个多电平换流器模块(MMC)根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第二多电平换流器模块(MMC2)的连接方式依次串联连接；第一多电平换流器模块(MMC1)的第三接口(a13)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的第一接口(b11)连接，第一多电平换流器模块(MMC1)的第二接口(a12)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的第二接口(b12)连接，n个多电平换流器模块(MMC)与n个电力电子变压器模块(ETM)之间根据第一多电平换流器模块(MMC1)与第一电力电子变压器模块(ETM1)的连接方式依次并联连接；第一电力电子变压器模块(ETM1)的第三接口(b13)与第一蓄电池模块(U1)的正极连接，第一电力电子变压器模块(ETM1)的第四接口(b14)与第一蓄电池模块(U1)的负极连接，n个电力电子变压器模块(ETM)与n个蓄电池模块(U)之间根据第一电力电子变压器模块(ETM1)与第一蓄电池模块(U1)的连接方式依次并联连接。2.根据权利要求1所述的运用于高速铁路系统的储能拓扑结构，其特征在于：所述的第一多电平换流器模块(MMC1)由第一全控开关器件(S11)、第二全控开关器件(S12)以及第一电容(C11)构成...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁佳歆，肖非然，倪周，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42