MVDC-ERS:下一代铁路电气化系统

与柴油火车相比，铁路电气化提供了更快、更可靠的火车旅行，也大大减少了繁忙车站和农村的污染。但是，许多新的和现有铁路线电气化的国家方案都需要对铁路进行大量投资基础设施．原因之一是铁路电气化使用交流单相电源，需要连接到高压传输线，而在铁路支线站的预定位置并不总是有高压传输线，通常需要对现有布局进行复杂和极其昂贵的修改，例如变电站的抽头和环形连接。

此外，新的电力铁路引入了间歇性的负荷峰值，这可能会影响电网的稳定性，特别是在未来的情况下，由于可再生能源的广泛采用，电力系统的惯性将大大降低。为了促进可再生能源的整合和提高配电效率，目前人们对中压直流配电电网非常感兴趣。柔性中压直流电铁路系统(MVDC-ERS)项目研究如何将中压直流技术应用于铁路电气化系统。

整体概念

重型铁路，甚至高速铁路的典型功率水平在100- 500 MVA之间，单个供电点的峰值功率设计在50-100 MVA之间，这与中压配电系统的典型能力相兼容。但是，对于交流铁路，只有采用只造成非常有限的不平衡的方案，才能将铁路支线站与配电网络连接起来。

传统的低压直流电源可以满足这一要求，因为直流电压是由三相二极管整流器产生的，它采用高功率因数的平衡电流。而对于直流断路器的最大短路开断电流的限制，直流电压的最高电平为3kV。这反过来又将每个牵引变电站(TPS)的最大功率限制在几兆瓦(MW)，变电站之间的最大距离限制在几公里(km)。此外，较高的直流电源电压会给列车的牵引系统带来问题，因为该系统的运行电压只有几千伏。此外，由于二极管整流器是单向的，功率因数依赖于负载电感，传统的直流铁路概念不太适合与配电网更好结合的未来电气化铁路的愿景，这就无法对潮流和电能质量进行控制。

为了解决这些挑战，MVDC- ers提出了一种新的基于可控双向转换器的中压直流(MVDC)牵引电源。在该系统中，中压多电平变流器应用于输电系统，将MVDC铁路与配电网相连接。这些变换器是基于独立的构件(子模块)，工作在3.3-6.5kV左右，可以串联堆叠以达到所需的直流电压水平。该变换器可以在较宽的负载范围内将直流侧电压调节在标称值，并在直流短路事件中限制电流。这意味着MVDC系统可以使用直流断路器设计为标称电流或略高于标称电流的值，这比大电流MVDC断路器更简单、更便宜。

就车载牵引系统而言，MVDC电气化的主要挑战是找到合适的变压器替代品，将电压降至与牵引逆变器和电机兼容的水平。为了解决这一挑战，直流pett可以用来取代传统的低频变压器。直流pett是利用中频变压器的中压DC-DC变换器，因此，实现更高的功率密度和效率。

采用宽带隙半导体器件(如碳化硅和氮化镓)的TPSs和MVDC通电系统的转换器也将显著受益，因为更高的阻塞电压将导致更简单的拓扑结构，而更高的开关频率将导致更高的功率密度和更高的能源效率。

控制配电网和电气化网络之间的电力流动的可能性为与电网的交互开辟了新的场景。事实上，铁路可以网格馈电，降低单个TPSs的峰值功率，没有电力循环与电网平行的风险。图1提供了一个例子，显示了铁路的一段由两个支线站提供就地可再生电源。根据交通状况，铁路可以使用可再生能源减轻重牵引负荷，在铁路上有轻负荷时减少来自电网的电力，最大限度地恢复再生制动，并使用电气化线作为平行路径支持配电网络的遥远节点，减轻对电网的约束。

图1:MVDC通电系统的各种运行方式:(a)大交通工况，(b)小交通工况，(c)再生制动，(d)配套配电网。

综上所述，MVDC-ERS的主要研究目标是:

• 引入新型高效电源转换系统拓扑结构，将中压交流电源转换为中压直流电源，并具有限制直流短路电流的能力
• 介绍车载直流变压器功率变换器的高功率密度拓扑结构
• 研究即将推出的宽频带隙半导体器件对支线站变流器的效率和电压水平，以及对牵引变流器的重量和体积的影响
• 了解新铁路电气化系统在整合可再生能源时应如何控制和保护
• 了解如何利用储能系统优化铁路电气化网络的运作
• 与工业利益相关方合作，研究新电气化系统和培训的适销性。

MVDC-ERS的优点

与传统单相交流通电系统相比，MVDC系统具有以下优点:

• MVDC系统从配电网吸取平衡电流。此外，可以控制交直流变流器的输入功率因数和注入到网络中的谐波，以满足电网的要求
• MVDC系统没有任何电压下降由于电感，允许更宽的间距之间的TPSs。此外，没有无功功率消耗，整个系统的容量都可以用来输送有功功率
• 由于直流传输，没有表皮效应，因此，导体可以有更小的截面，从而节省成本
• MVDC系统对位于供电系统附近的交流铁路信号系统和通信线路的干扰有限。此外，相邻的铁路线没有感应电压。然而，由于电力电子变流器可能产生高次谐波，MVDC通电系统中的电磁干扰、电磁兼容和噪声排放问题必须进一步研究
• 在网格馈电的情况下，直流变电站可以很容易地并联，变电站可以分担负载，可以减少变电站的装机容量。此外，直流系统中没有中性段，避免了电力传输中断，从而避免了列车的速度损失。这也消除了机载断路器上的电气和机械压力
• 与基于变换器的交流铁路通过两级交/DC/AC转换提供所需频率的单相交流相比，直流电气化只需要一级交/DC转换，提高了效率，降低了电气化系统的复杂性。

目前的研究结果

在定义了MVDC TPSs和直流pett的规格和要求之后，我们确定了具有全桥子模块的模块化多电平转换器(mmc)是TPSs的推荐拓扑(如图2所示)，而对于直流pett，具有双有源桥(DAB)拓扑的模块化DC-DC转换器(如图3所示)。到目前为止，我们已经模拟了一个MVDC TPS，从33kV交流配电网获取电力，并提供25kV直流铁路线。我们还开发了输入电压为25kV直流PETT的软件模型。两个模型都是在Matlab/Simulink环境下开发的。在该项目的下一年，将建造一个小型实验室演示机，以验证TPSs和DC PETT的主要特性。

图2:带有全桥子模块的模块化多电平转换器(mmc)。

资金

该项目已获得Shift2Rail联合项目(JU)的资助，资助协议编号为826238。除了欧盟之外，JU还获得了欧盟Horizon 2020研究和创新计划以及Shift2Rail JU成员的支持。