車載牽引系統(tǒng)和軌旁供電系統(tǒng)的電壓控制策略

朱冬進 王 偉

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060，蕪湖//第一作者，工程師)

車載牽引系統(tǒng)是城市軌道交通列車驅動系統(tǒng)的組成部分。在直流供電系統(tǒng)中，車載牽引系統(tǒng)把電網(wǎng)上的直流電壓逆變成一個帶有可變振幅和頻率的三相交流電壓，為牽引電動機運行提供所需的能量。車載牽引系統(tǒng)具有電牽引和電制動的基本功能。軌旁供電系統(tǒng)的主要功能是將電力系統(tǒng)的電源引入軌旁供電系統(tǒng)的牽引變電所，通過變電所變壓至合適的電壓制式，為城市軌道交通車輛提供持續(xù)電能。

1 牽引供電系統(tǒng)標準要求及特性說明

電力牽引系統(tǒng)電壓的主要特性設計需要滿足GB/T 1402—2010《軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓》的要求。該標準定義了電力牽引地面裝置(包含軌旁供電系統(tǒng))和機車車輛(包含車載牽引系統(tǒng))的電壓特性參數(shù)，適用于鐵路、城市軌道交通，以及工礦企業(yè)電氣化運輸?shù)阮I域。牽引供電系統(tǒng)的電壓及其容許的極限值在該標準中已明確，針對不同的標稱電壓，如750 V和1 500 V電壓等，給出了最低持續(xù)電壓Umin1、最低非持續(xù)電壓Umin2、最高持續(xù)電壓Umax1、最高非持續(xù)電壓Umax2、最高長時限過電壓Umax3的限值，并對這些限值進行了補充說明。不同的最大電壓限值所對應的持續(xù)時間如圖1所示，Umax1和Umax2之間的持續(xù)時間不超過5 min。

圖1 不同的最大電壓限值所對應的持續(xù)時間

在實際的設計過程中，電力牽引系統(tǒng)除了要滿足上述的標準限值外，還應考慮多列車運行的相互影響。因此，軌旁供電系統(tǒng)電壓特性還應滿足以下要求：

1) 空載電壓：指線路上沒有列車時的線網(wǎng)電壓。為提高牽引效率，空載電壓應盡量大，但須小于最高持續(xù)電壓。

2) 最低電壓：當車輛在距離牽引變電所較遠位置運行時，車輛所處位置的網(wǎng)壓不能低于車載牽引系統(tǒng)工作的最低電壓限值。

3) 最高電壓：在線路上列車電制動將能量反饋到線網(wǎng)上，導致線網(wǎng)電壓短時增加的情況下，可允許網(wǎng)壓短時高于最高持續(xù)電壓，但應小于等于最高非持續(xù)電壓。

4) 電制動持續(xù)電壓：為保證車載牽引系統(tǒng)的電制動可以持續(xù)滿功率工作，線網(wǎng)上的電壓值應滿足電制動持續(xù)滿功率工作的電壓，盡量避免車輛采用機械制動。

雖然列車在電制動時允許網(wǎng)壓短時高于最高持續(xù)電壓，但電制動能量應能及時被相鄰車輛或本列車的用電設備及車載制動電阻消耗。在沒有車載制動電阻的系統(tǒng)中，為避免網(wǎng)壓超過安全電壓限值，應設置軌旁能量吸收裝置，用以吸收再生制動的多余能量。通常車載牽引系統(tǒng)具有導向安全的過壓控制策略，所以，為了車載牽引系統(tǒng)和軌旁供電系統(tǒng)能匹配工作，電力牽引系統(tǒng)設計時需要對車載牽引系統(tǒng)的過壓控制策略進行分析研究。

2 車載牽引系統(tǒng)電壓控制策略研究

城市軌道交通車輛在制動時，應優(yōu)先使用電制動。在多輛車同時運行的線路上，電制動產(chǎn)生的能量將優(yōu)先被線路上其它運行的車輛和本列車的用電設備吸收，以實現(xiàn)再生制動，節(jié)約能源。當線路上其它車輛無法完全吸收列車電制動所產(chǎn)生的能量時，一般采用車載制動電阻或軌旁能量吸收裝置(如電阻、超級電容、能饋等)來消耗多余的電制動能量。當車載制動電阻或軌旁能量吸收裝置無法吸收制動列車的多余電能時，網(wǎng)壓將快速上升。當網(wǎng)壓上升到一定數(shù)值時，車輛牽引系統(tǒng)將啟動過壓保護措施來保證車輛自身和系統(tǒng)的安全。

為了避免網(wǎng)壓進一步升高，在牽引過壓控制上，一般采用依據(jù)網(wǎng)壓線性減少電制動功率，以及以恒定斜率降低電制動力的方式來限制產(chǎn)生多余的電制動能量。

2. 1 依據(jù)網(wǎng)壓線性減少電制動功率

車載牽引系統(tǒng)在網(wǎng)壓大于最高持續(xù)電壓后，電制動功率會以網(wǎng)壓為依據(jù)線性下降，并在此過程中補充機械制動。對750 V系統(tǒng)(如北京地鐵4號線)，通常在網(wǎng)壓大于900 V、達到在900～1 000 V之間時,電制動功率將從100%線性下降至0;對于標稱電壓為1 500 V的牽引系統(tǒng)(如哈爾濱地鐵1號線)，通常在網(wǎng)壓大于1 800 V、達到1 800～2 000 V之間時，電制動功率將從100%線性下降至0。

車載牽引系統(tǒng)有過壓斬波功能。對于配備了全功率制動電阻的車輛，通常將制動電阻的閾值設置在最高持續(xù)電壓(如合肥地鐵1號線的制動電阻斬波閾值設置為1 800 V)，這樣就可以將受電弓或集電靴的電壓維持在最高持續(xù)電壓水平。對于配備了軌旁能量吸收裝置的線路，可以通過軌旁能量吸收裝置來吸收車輛再生制動的能量。軌旁能量吸收裝置的開啟閾值和關閉閾值通常都設置在最高持續(xù)電壓閾值下(如成都地鐵7號線軌旁能量吸收裝置的開啟閾值設置為1 710 V，關閉閾值設置為1 680 V)，對線網(wǎng)起到穩(wěn)壓作用，電壓被限制在最高持續(xù)電壓范圍內(nèi)。

2. 2 以恒定斜率降低電制動力

車載牽引系統(tǒng)在網(wǎng)壓大于最高持續(xù)電壓后，以恒定斜率降低電制動力，并在此過程中補充機械制動。因為牽引系統(tǒng)電制動功率為電制動力與列車運行速度的乘積，所以當列車在施加制動時，隨著列車速度和電制動力的減小，電制動功率也將隨之減小，降低了再生制動能量，從而有效抑制了網(wǎng)壓的進一步增加。當電制動力為0時，電制動功率為0。

當牽引系統(tǒng)檢測到輸入直流電壓大于最高持續(xù)電壓時，系統(tǒng)將以一個恒定的斜率來減小電制動力，該斜率的設置通常和牽引系統(tǒng)的過壓保護激活條件關聯(lián)。如蕪湖單軌2號線項目，牽引系統(tǒng)過壓保護封鎖的條件是電壓大于等于940 V且超過200 ms。當牽引系統(tǒng)以82.585 kN/s的斜率降低電制動力時，可以保證在200 ms的時間內(nèi)使電制動力下降至0，不會觸發(fā)過壓保護。

同樣，應用此過壓控制方式的牽引系統(tǒng)也具有過壓斬波功能。對于配備制動電阻的車輛，受電弓或集電靴的電壓維持在最高持續(xù)電壓水平。對于配備軌旁能量吸收裝置的線路，首先將通過軌旁能量吸收裝置來對線路進行穩(wěn)壓，當軌旁能量吸收裝置不可再吸收列車的多余電能時，應采用此過壓控制方式來抑制電壓的進一步上升。配備軌旁能量吸收裝置的線路，其車輛牽引系統(tǒng)過壓斬波功能的閾值通常設置在最高持續(xù)電壓和最高非持續(xù)電壓之間。與配備全功率制動電阻的車輛相比，該閾值更高。如蕪湖單軌2號線項目，其車輛牽引系統(tǒng)的功能激活閥值設置為950 V，這樣可以將受電弓或集電靴的電壓限制在950 V左右，不會超過最高非持續(xù)電壓。

上述兩種牽引系統(tǒng)的過壓控制方案，均是基于車載制動電阻或軌旁能量吸收裝置無法全部吸收多余的再生制動能量情況下所采取的過壓保護措施。

3 軌旁供電系統(tǒng)電壓控制策略研究

根據(jù)牽引系統(tǒng)的過壓控制策略可知，當列車在電制動時，如果再生制動的能量不能有效吸收，則牽引系統(tǒng)直流輸入環(huán)節(jié)電壓將快速上升，進而激活牽引系統(tǒng)過壓控制，牽引系統(tǒng)輸出的電制動力隨之減小。此時，為了滿足總的制動力需求，車輛將施加機械制動。

供電系統(tǒng)的設計中，車輛應盡可能使用電制動，盡量避免使用機械制動。這樣，既能通過能量的回收產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，又能減少制動閘瓦的機械磨耗，降低其對環(huán)境的影響，并減少制動閘瓦的更換頻率。單列車再生制動如圖2所示。

圖2 單列車再生制動示意圖

當車輛配置全功率車載制動電阻時，可以通過牽引系統(tǒng)制動斬波功能將牽引直流輸入環(huán)節(jié)電壓維持在最高持續(xù)電壓水平，以便牽引系統(tǒng)能夠滿功率工作，充分發(fā)揮電制動功能。

在車載制動電阻取消的情況下，再生制動能量吸收裝置成為軌旁供電系統(tǒng)不可或缺的一部分，需要通過軌旁再生制動能量吸收裝置來維持線網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，使其不超過最高持續(xù)電壓。再生制動能量吸收裝置的容量應根據(jù)牽引系統(tǒng)的電流曲線進行配置，以保證能夠完全吸收列車再生制動能量。此外，需要根據(jù)線路壓降來合理分布軌旁能量吸收裝置，并根據(jù)變電站特性調(diào)整線路空載電壓。下面基于蕪湖單軌2號線項目的軌旁供電系統(tǒng)進行分析。

3. 1 軌旁能量吸收裝置最大允許距離分析

蕪湖單軌2號線項目牽引供電系統(tǒng)采用雙邊供電，該項目車輛電制動電流如圖3所示。

圖3 蕪湖單軌2號線車輛電制動電流

由圖3單軌車輛的電制動電流曲線可知，車輛最大制動電流Izd=2 691 A。 假設軌旁能量吸收裝置門檻電壓為Uzs；車輛等效為電流源，制動電壓為U車，且最大值U車，max=900 V；接觸軌電阻率R為7.5 mΩ/km。根據(jù)圖2建立等效模型，再生制動電流可傳導的距離L與上述參數(shù)的關系為：

U車,max=Izd×L×R+Uzs

(1)

進而可得

L=(U車,max-Uzs)/(Izd×R)

(2)

由式(2)可知，單列車再生制動能量可被吸收的最大距離取決于車輛的制動電壓和能量吸收裝置門檻電壓的差值?？赏ㄟ^增大列車最大制動電壓、降低變電所再生制動能量吸收裝置門檻電壓來增大列車再生電能的傳導距離。在車輛的U車,max=900 V、牽引變電所空載電壓為823 V的情況下，通常將能量吸收裝置門檻電壓設置為870 V(避免因電網(wǎng)電壓波動造成能量吸收裝置空轉)，且不考慮有相鄰車吸收的情況。經(jīng)計算，此時的能量吸收裝置最大允許距離約為1.5 km。由于采用雙邊供電，則再生制動能量吸收裝置的最大距離為3 km。

3. 2 線路空載電壓分析

根據(jù)蕪湖單軌2號線項目供電站電壓特性，可以輸出802 V、823 V及850 V 3檔電壓。

通過調(diào)整整流變壓器抽頭變比至-2.5%檔位，降低整流機組空載電壓，從而減小中壓能饋的門檻電壓至850 V，此時可將列車制動電能最大可被吸收距離增大至5 km。 需要注意的是，當整流變壓器抽頭調(diào)整至-2.5%擋位時，牽引網(wǎng)上某些位置的電壓可能較低。當出現(xiàn)牽引網(wǎng)電壓低于最低持續(xù)電壓時，不建議使用調(diào)整整流變壓器抽頭來增大列車制動電能最大可被吸收距離。

4 軌旁供電系統(tǒng)電壓控制方案應用

對車載牽引系統(tǒng)及軌旁供電系統(tǒng)電壓控制策略進行研究，符合要求的軌旁供電系統(tǒng)的技術參數(shù)見表1。

表1 軌旁供電系統(tǒng)技術參數(shù)

如表1所示，供電軌允許壓降可以達到60 V；該壓降對應的軌旁能量吸收裝置之間的最大允許距離為6.000 km，實際線路軌旁能量吸收裝置之間的最大距離是5.313 km，小于最大允許距離。

應用該供電系統(tǒng)的車輛測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可知，列車在線路上從起動加速到83 km/h后開始制動，牽引狀態(tài)變?yōu)?，制動狀態(tài)變?yōu)?，牽引逆變器輸入電壓在制動過程中快速上升后趨于穩(wěn)定，整個過程中牽引逆變器的狀態(tài)值為9(狀態(tài)值為9表示牽引逆變器處于正常工作的狀態(tài))。從測試數(shù)據(jù)可以看出，在整個制動過程中，牽引逆變器直流輸入電壓被有效抑制，未出現(xiàn)因為過壓減少電制動力的現(xiàn)象，車輛和軌旁能量吸收裝置配合良好，車輛工作狀態(tài)正常。

圖4 車輛牽引系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)截圖

5 結語

為保證車輛電制動充分發(fā)揮，車輛及軌旁供電系統(tǒng)的設計需要保證牽引網(wǎng)壓小于最大持續(xù)電壓。對于車載制動電阻，需要啟動及時，且能夠吸收再生制動的所有能量，不會引起牽引系統(tǒng)制動電阻過溫保護。對于軌旁能量吸收裝置，由于車輛與軌旁能量吸收裝置之間有一定的距離，軌旁能量吸收裝置啟動閾值的設定需要考慮由此產(chǎn)生的線路壓降，不應造成牽引系統(tǒng)過壓保護，不應造成車輛使用機械制動。