【基于MMC的单三相组合式同相供电系统国内外研究现状文献综述3100字】

基于MMC的单三相组合式同相供电系统国内外研究现状文献综述1.1基于MMC的同相供电技术研究现状电气化铁路同相供电技术按照是否有源可大致分为两类：采用电容器、电抗器的无源对称补偿和采用电力电子器件的有源补偿REF_Ref72507019\r[8]。在铁路供电早期，电力电子器件的发展水平还不足以广泛实现有源补偿，无源对称补偿是实现同相供电主要方式[9-10]。有学者提出将静止无功补偿器(SVC)并联在高压三相侧对系统负序进行补偿[11-12]，但对于具有冲击性和波动性的牵引负荷的补偿效果并不理想，同时补偿容量较高、投资较大的问题也限制了它的应用。如今电力电子技术在功率和频率两方面都获得重大突破，功率半导体器件功率和开关频率不断提高如GTO、IGBT等，这些功率器件成为有源补偿装置发展的基础。在1993年有日本学者提出在两段分相的牵引网上加装铁路功率调节器(RPC)，其具有良好的动态响应能够在两段分区之间传递有功功率和补偿无功从而在一定范围内实现补偿负序、同相供电的功能[13-15]。铁路功率调节器依靠一对背靠背变流器来传递有功功率和补偿无功，但变流器的电压较低需要通过相应的降压变压器来接入两相供电臂。然而实质上RPC实现补偿的最小单位为两段分区，并没有改变牵引供电系统异相供电的实质，电分相的存在无可避免。针对RPC面临的以上问题，西南交通大学李群湛教授提出了同相供电技术，同相供电技术通过多种变压器的不同接线实现了三相电网到单相牵引网的对称变换，解决了三相与单相的本质冲突消除了负序问题。此外，统一的单相牵引网不再需要变电所出口处的电分相，避免了机车过分相所带来的一系列问题[4,16-17]。但补偿装置和牵引变压器容量捆绑问题存在于上述同相供电方案中，为了自由配置容量同时也为了降低对既有线路改造的难度，文献REF_Ref72508154\r[18]提出两种组合式同相供电系统，即单相组合式同相供电系统与单三相组合式同相供电系统。与同相供电技术相同实现了消除电分相，同时使得供电系统的容量配置更加灵活，有效应对不同的容量需求。组合式同相供电系统的主体结构为单相牵引变压器与不同匹配变压器构成的平衡接线，匹配变压器与背对背变流器组成同相供电装置实现同相供电，其中结构简单、经济性好的单相牵引变压器承担主要负荷。由于两者容量可自由配置，能采用最小的同相供电装置容量，实现负序补偿的目标具有较高的经济性。2014年12月，世界上第一套单三相组合式同相供电装置研制成功并在沙峪牵引变电所落地。MMC因其高压大容量特性和故障穿越能力、适应能力在高压大功率领域得到广泛应[19-20]。将具有高压大容量特性的MMC与组合式同相供电系统相结合，利用MMC变流器波形质量高的特点能够减少升压变压器的使用REF_Ref72508154\r[18]。陈民武教授等人针对储能式牵引供电装置提出了不同工作模式下的控制流程，包括再生制动模式、削峰模式、填谷模式和一种包括上层能量管理和底层变流器控制的分层控制策略，有效地协调了不同工作模式之间的切换REF_Ref72509336\r[21]。论文REF_Ref72509545\r[22]将MMC与组合式同相供电系统相结合，针对基于MMC的同相补偿装置的不同拓扑结构进行了分析，完成了主电路拓扑研究和仿真实现。论文REF_Ref72509554\r[23]提出了一种模块化多电平换流器的无差拍控制方法，结构简单的同时具有良好的动态性能。1.2储能技术研究现状随着储能技术的开发与应用愈发深入和广泛，储能技术在轨道交通领域中的使用也不断增加，关于实现削峰填谷与再生制动能量回收功能的研究讨论也在不断深入REF_Ref72509693\r[24]。目前在大型车辆上应用较多的储能方案主要有蓄电池储能、飞轮、超级电容储能这三种形式：（1）蓄电池储能目前技术上最成熟应用最广泛的是蓄电池储能技术，其优势在于经过多年的研究生产工艺成熟和价格相对较低REF_Ref72510005\r[25]，但在其储能原理的限制下存在功率密度低、体积大和质量的缺点，这些问题短时间内难以解决。同时其较长的充放电时间和频繁充放电造成的寿命缩减都限制了其应用；此外，在国家加强环保政策的大背景下，使用大量电池作为储能系统不利于系统的实际应用。蓄电池储能在车载式储能上的应用较早，2009年有日本公司推出了新型能源(NE)列车其将锂离子电池作为主要的供电来源REF_Ref72510014\r[26]。（2）飞轮储能飞轮储能属于物理储能方式，该储能方式采用碳素纤维材料作为飞轮本体，运行于真空环境中故而能量密度高产生的噪音小对环境无污染，充放电次数可达一千万次，具有长达20年的使用寿命和几乎无需维护的特点REF_Ref72510242\r[27]。目前飞轮储能小型化研究已经逐渐成熟，但国内研究仅针对飞轮储能在大型车辆等方面的应用，缺少飞轮储能研制和生产的研究。使用飞轮储能作为储能单元不利于供电技术的国产化。飞轮储能在我国应用较晚，飞轮储能系统于2019年在北京地铁房山线正式实现商用，填补了国内该方面的空白。（3）超级电容储能超级电容储能是一种新出现的储能技术。相比于其他储能技术超级电容的充放电的时间最短，充电效率也最高，功率密度远高于其他两种储能技术REF_Ref72510704\r[28]-REF_Ref72510706\r[29]。超级电容所需的工作条件对于轨道交通来说非常适宜，超级电容的充放电过程均为物理过程，-40~70℃都是其能稳定运行的区间，同时其寿命与维护条件与飞轮储能类似，一旦投入使用可长期运行，后续的维护工作与费用很少。我国的超级电容储能应用研究工作也有成果，如世界首列超级电容有轨电车于广州市海珠环岛落地，线路全长7.7公里REF_Ref72510720\r[30]。针对上述三种常用储能方式的分析，表1-1给出了三种储能方式性能的比较。表1-1三种常用储能方式性能比较REF_Ref72518070\r\h[31]储能方式蓄电池储能飞轮储能超级电容储能能量密度20~2004~402~6功率密度150~180160~20008000~20000使用寿命(年)103035充电时间几小时几分钟几秒效率(%)70~909095成本(美元/kW)80~200100300对这三种储能方式的性能进行分析，目前采用储能装置需要解决的牵引网问题主要是大功率牵引负荷的经常波动和再生制动问题，因此对于储能装置的功率密度和充放电速度有着更高的要求。应对这些问题采用超级电容储能，高功率密度与短时充电的特点能够快速平抑负荷对电网的冲击，有效实现削峰填谷的效果，加上长寿命的优点都满足目前电气化铁路的发展需要。论文REF_Ref72511119\r[32]对基于MMC的储能系统及其控制方法进行了研究，采用蓄电池与级联子模块组合作为分布储能单元，控制灵活，容错性强。但是冲击性负荷严重影响了电池的使用寿命而超级电容则不存在这类问题。论文REF_Ref72511133\r[33]以基于超级电容储能型MMC系统为对象，分析了其控制策略和储能系统的参数选择。在分布式储能系统中，关于储能单元荷电状态（SOC）均衡控制是一大难点REF_Ref72511167\r[34]。论文REF_Ref72516388\r[35]提出了一种基于功率独立控制的MMC电池储能系统三级SOC均衡控制策略。结合上述研究，基于MMC的单三相组合式同相供电系统具有便于储能装置接入的特点，而储能系统能够有效吸收再生制动能量。针对电气化铁路发展中存在的三相不平衡和电分相问题，本文采用了一种基于MMC储能式同相牵引供电系统，实现负序补偿功能，消除电分相并对再生制动能量高效利用。参考文献李群湛,贺建闽．牵引供电系统分析[M].成都:西南交通大学出版社,2007.李群湛,贺建闽．电气化铁路的同相供电系统与对称补偿技术[J].电力系统自动化,1996,20(4):9-11+28.李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报,2010,32(4):119-124.李群湛,张进思,贺威俊.适于重载电力牵引的新型供电系统的研究[J].铁道学报,1988(4):23-31.周强,汪宁渤,何世恩等.高速重载电铁负荷对酒泉风电场的影响研究[J].甘肃电力,2014(5):54-59.赵立峰,李西岐.从机车带电闯分相跳闸探讨接触网分相的设置[J].铁道技术监督,2009,37(4):10-11.解绍锋,李群湛.高速列车再生制动对负序影响研究[J].铁道学报,2011,33(7):14-18.贺建闽,张雪.同相供电对称补偿技术应用[J].铁道学报,1995,17(A01):37-41.解绍锋,李群湛,贺建闽等.同相供电系统对称补偿装置控制策略研究[J].铁道学报,2002,24(2):109-113.吴命利,李群湛.同相供电对称补偿的接线形式与补偿装置容量选择[J].机车电传动,2000(5):15-18.YaoJ,ZhangT,LinR.Impactsofnegativesequencecurrentandharmonicsintractionpowersupplysystemforelectrifiedrailwayonpowersystemandcompensationmeasures[J].PowerSystemTechnology,2008,32(9):61-64.6刘剑,黄小庆，曹一家.三相SVC在电气化铁路电能质量治理中的应用[J]．电力系统及其自动化学报，2011,23(6):22-28.LuoA,WuC.Railwaystaticpowerconditionersforhigh-speedtraintractionpowersupplysystemsusingthree-phaseVVtransformers[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(10):2844-2856.邓文丽,戴朝华,陈维荣等.铁路功率调节器研究进展[J].中国电机工程学报,2020,40(14):4640-4655.张建辉,许莹莹.交流电网电压负序分量影响铁路功率调节器运行特性的机理研究[J].高电压技术,2020,46(7):2398-2406.Shu,,Zelianget

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