技术领域
[0001] 本
发明属于电
力电子技术领域，涉及一种基于MMC的多功能高速铁路再生制
动能量回收利用系统。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 此外，高速铁路系统中存在着沿铁路架设的10kV电力贯通线，该线路贯通铁路沿线所有车站，是为铁路沿线车站、
信号和电力设备等各类用电负荷进行供电的专用电力线路，高速铁路的电力贯通线多为单芯
电缆敷设于路基
电缆槽中。传统的高铁牵引网线路与10kV电力贯通线不存在电气连接，因此两条线路中多余的能量不能相互有效利用，导致了应用的局限性。
发明内容
[0007] 为了解决上述问题，本发明提供一种基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统。
[0008] 本发明具体采用以下技术方案：
[0009] 基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统，所系统系统包括储能系统、逆变系统两部分，储能系统与逆变系统通过电容模块(C)相连；所述储能系统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；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。
[0010] 所述逆变系统为三相桥式
电路拓扑结构，每相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)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(MMC01)的第二接口(A12)与第二多电平换流器模块(MMC02)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(MMC01)与第二多电平换流器模块(MMC02)的连接方式依次串联连接。
[0011] 所述储能系统中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。
[0012] 所述的储能系统中的第一电力电子变压器模块(ETM1)由第三至第十共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。
[0013] 所述逆变系统中的第一多电平换流器模块(MMC01)由第一全控开关器件(S011)、第二全控开关器件(S012)以及第一电容(C011)构成；其中，第一全控开关器件(S011)与第二全控开关器件(S012)串联；第一电容(C011)与第一全控开关器件(S011)和第二全控开关器件(S012)的串联支路并联。
[0014] 所述储能系统中的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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)与电容模块(C)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；所述储能系统中的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储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行充电储能，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时将低压直流电压升高为高压直流电压；所述储能系统中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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时通过逆变控制将直流电逆变为交流电；所述储能系统中的第一变压器(T11)用于在列车进行刹车制动时降低交流电压，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时升高交流电压；所述储能系统中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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时通过整流控制将交流电整流为直流电；所述储能系统中的第一蓄电池模块(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；所述逆变系统中的第一多电平换流器模块(MMC01)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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)与电容模块(C)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。
[0015] 与
现有技术相比，本发明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子模块，有效地将再生能量分散到多电平换流器模块的子模块中进行储存；该发明将工作电压等级较低的一般蓄电池模块直接接入电压等级较高的牵引网而不使用工频变压器，有效地降低了储能设备的造价与安装空间；该发明利用储存的再生制动能量，能对系统负序电流进行有效补偿；该发明联通27.5kV牵引网和10kV电力贯通线，能利用再生制动储存的能量给10kV电力贯通线供电，实现了再生制动能量的有效利用。
附图说明
[0016] 图1为本发明的拓扑结构图；
[0017] 图2为本发明储能系统的拓扑结构图；
[0018] 图3为本发明逆变系统的拓扑结构图。
具体实施方式
[0019] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及
实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020] 请见图1，本发明的系统所采用的技术方案是一种基于MMC的多功能高速铁路再生制动能量回收利用系统，所述能量回收利用系统包括储能系统、逆变系统两部分，储能系统与逆变系统通过电容模块(C)相连，包括：储能系统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；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。所述逆变系统为三相桥式电路拓扑结构，每相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)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(MMC01)的第二接口(A12)与第二多电平换流器模块(MMC02)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(MMC01)与第二多电平换流器模块(MMC02)的连接方式依次串联连接。
[0021] 储能系统中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。
[0022] 储能系统中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。
[0023] 逆变系统中的第一多电平换流器模块(MMC01)由第一全控开关器件(S011)、第二全控开关器件(S012)以及第一电容(C011)构成；其中，第一全控开关器件(S011)与第二全控开关器件(S012)串联；第一电容(C011)与第一全控开关器件(S011)和第二全控开关器件(S012)的串联支路并联。
[0024] 储能系统中的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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)与电容模块(C)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；所述储能系统中的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储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行充电储能，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时将低压直流电压升高为高压直流电压；所述储能系统中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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时通过逆变控制将直流电逆变为交流电；所述储能系统中的第一变压器(T11)用于在列车进行刹车制动时降低交流电压，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时升高交流电压；所述储能系统中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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)进行放电功能时通过整流控制将交流电整流为直流电；所述储能系统中的第一蓄电池模块(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；所述逆变系统中的第一多电平换流器模块(MMC01)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，并在所述储能系统中的第一蓄电池模块(U1)与电容模块(C)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。
[0025] 在本实施方式中，储能系统中的上桥臂和下桥臂分别由n＝7个多电平换流器模块组成，逆变系统中的上桥臂和下桥臂分别由n＝3个多电平换流器模块组成，多电平换流器模块均选用FD800R45KL3-K_B5模块；所述的第三至第十8个全控开关器件(S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20)选用FD800R45KL3-K_B5模块。
[0026] 在列车进行刹车制动时，三相交流电高压侧电流通过本发明的储能系统中的三相多电平换流器模块(MMC)进行多电平整流控制，通过本发明的电力电子变压器模块(ETM)将高压侧直流电降低为低压侧直流电，通过本发明的蓄电池模块(U)以及电容模块(C)进行充电储能。同时，通过本发明的逆变系统中的三相多电平换流器模块(MMC)进行多电平整流控制，通过本发明的蓄电池模块(U)以及电容模块(C)进行充电储能；在本发明的蓄电池模块(U)以及电容模块(C)进行放电功能时，通过本发明的电力电子变压器模块(ETM)将低压侧直流电升高为高压侧直流电，并通过本发明的三相多电平换流器模块(MMC)进行多电平逆变控制，最终将本发明的蓄电池模块(U)以及电容模块(C)存储的电能输送到27.5kV三相交流电高压侧。同时，通过本发明的逆变系统中的三相多电平换流器模块(MMC)进行多电平逆变控制，最终将本发明的蓄电池模块(U)以及电容模块(C)存储的电能输送到10kV三相交流电高压侧。
[0027] 尽管本文较多地使用了第一多电平换流器模块(MMC1、MMC01)、第一全控开关器件(S11、S011)、第二全控开关器件(S12、S012)、第一电容(C11、C011)构成、第一电力电子变压器模块(ETM1)、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)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)第二电容(C12)、第一蓄电池模块(U1)、电容模块(C)等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0028] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明
专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明
权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或
变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的
请求保护范围应以所附权利要求为准。
