城市軌道交通混合供電系統(tǒng)工作模式研究

曹翔宇 姚春玉

摘 要： 隨著社會的進(jìn)步和城市化建設(shè)的加快，城市軌道交通混合供電系統(tǒng)為雙向變流器機(jī)組和二極管整流機(jī)組并聯(lián)工作的供電系統(tǒng)。二極管整流機(jī)組輸出電壓不可控，無法根據(jù)現(xiàn)場工況變化進(jìn)行調(diào)整;雙向變流器采用全控型器件，可通過參數(shù)調(diào)整實現(xiàn)多種輸出特性。在混合供電系統(tǒng)中，雙向變流器需根據(jù)不同的控制目標(biāo)及二極管整流機(jī)組輸出特性等因素對自身輸出特性進(jìn)行調(diào)整。針對混合供電系統(tǒng)中雙向變流器輸出特性設(shè)計方法進(jìn)行研究，實車測試結(jié)果表明，混合供電系統(tǒng)能滿足各種供電模式的實際應(yīng)用需求，也能實現(xiàn)雙向變流器與整流機(jī)組之間的協(xié)同工作。

關(guān)鍵詞： 城市軌道;交通混合;供電系統(tǒng)工作

【中圖分類號】U121 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【文章編號】1674-3733（2020）11-0183-01

引言：城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)承載電能變換、輸送、回饋、故障保護(hù)和隔離等多種功能，是城市軌道交通的核心系統(tǒng)。早期的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)主要采用二極管整流機(jī)組，在列車起動和加速時提供牽引電能;但列車制動時產(chǎn)生的制動能量只能通過車載或地面制動電阻進(jìn)行消耗，能源浪費(fèi)較大。近期新建的城市軌道交通線路開始采用增加列車制動能量吸收裝置的方案，通過由全控電力電子器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成的全控整流裝置，將大部分列車制動能量反饋回電網(wǎng)，節(jié)能效果明顯。

1 混合供電系統(tǒng)的供電特性

①NOP段特性。在電流I2—I1的范圍內(nèi)，設(shè)定雙向變流器以較小的功率輸出，保持雙向變流器輸出電壓跟隨接觸網(wǎng)電壓，這種情況下，當(dāng)有突變負(fù)載需大功率輸出時可避免接觸網(wǎng)的電壓突變;另外，在該區(qū)間內(nèi)以小功率寬電壓跟隨直流網(wǎng)壓不僅可以實現(xiàn)制動能量鄰車優(yōu)先吸收，還可以避免雙向變流器與整流機(jī)組或其他雙向變流器之間出現(xiàn)功率環(huán)流。②MN段特性。當(dāng)回饋電流大于I2時，雙向變流器進(jìn)入大功率回饋穩(wěn)壓特性運(yùn)行，在雙向變流器的容量范圍之內(nèi)，能最大程度地將制動能量回饋至交流電網(wǎng)，將直流網(wǎng)壓維持在目標(biāo)設(shè)定值Ufbk范圍內(nèi)，以抑制接觸網(wǎng)壓上升。

2 城市軌道交通混合供電系統(tǒng)工作模式研究

2.1 混合儲能裝置建模

由于雙向DC/DC具有穩(wěn)定電壓等級以及控制能量流向的作用，采用效率模型進(jìn)行混合儲能裝置的建模。采用效率模型建立能量管理系統(tǒng)，效率模型中包含超級電容充放電效率、蓄電池充放電效率、DC/DC變換器效率、逆變器的效率、齒輪比效率及電機(jī)效率。由于總效率為各效率之積，為了簡化模型，建立儲能裝置與供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的能量關(guān)系。

2.2 整流機(jī)組優(yōu)先供電模式

在該模式下，制動能量由雙向變流器逆變回饋至交流電網(wǎng)，列車牽引時由二極管整流機(jī)組優(yōu)先供電;隨著牽引功率的增加，直流電壓下降至雙向變流器穩(wěn)壓啟動閾值時雙向變流器輸出大功率牽引電能，維持網(wǎng)壓不再繼續(xù)下降。

2.3 雙向變流器掛網(wǎng)實施

雙向變流器在正線掛網(wǎng)，對施工和試驗都提出了較高要求，重點(diǎn)需要解決以下3個問題：設(shè)備安裝不影響牽引變電所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行;解決雙向變流器正線操作邏輯及保護(hù)問題;采用適當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ绞闺p向變流器與現(xiàn)有整流機(jī)組能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行。①操作保護(hù)邏輯操作顯示單元主要由柜門操作按鈕、指示燈、儀表及觸摸屏組成，實現(xiàn)啟停、運(yùn)行/檢修、近控/遠(yuǎn)控等操作，觸摸屏可以實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、故障記錄及錄波等功能。②混合供電控制模式。雙向變流器作為PWM整流器，其本質(zhì)上是一個電壓源，要想與整流機(jī)組協(xié)調(diào)供電，一方面需要杜絕各整流電源之間產(chǎn)生能量環(huán)流，另一方面需要順應(yīng)整流機(jī)組自然下垂特性的負(fù)載曲線，因此采用多段下垂控制模式。

2.4 內(nèi)部條件

由于超級電容和蓄電池的互補(bǔ)特性，在能量管理上，超級電容響應(yīng)優(yōu)先級高于蓄電池。在容量設(shè)置上，考慮經(jīng)濟(jì)性和蓄電池能量密度高的特點(diǎn)，蓄電池的容量大于超級電容容量。為了裝置安全性，引入峰值功率Ppeak，任意時刻混合儲能裝置的響應(yīng)應(yīng)該小于峰值功率。為了延長二者壽命，滿足淺充淺放的原則，應(yīng)該滿足SOC限制條件。

2.5 混合供電模式分析

雙向變流器與整流機(jī)組協(xié)同供電，二者不同優(yōu)先供電模式對對直流網(wǎng)壓波動的影響。通過修改系統(tǒng)參數(shù)，雙向變流器可工作于整流機(jī)組優(yōu)先模式和雙向變流器優(yōu)先模式，二者最大的不同在于雙向變流器的牽引閾值不同。雙向變流器牽引閾值較低，列車加速時整流機(jī)組先供電;隨著電壓下降到牽引閾值時雙向變流器開始提供牽引支撐，網(wǎng)壓變得較為穩(wěn)定。向變流器優(yōu)先提供牽引支撐，網(wǎng)壓較為穩(wěn)定;隨著牽引功率的增加雙向變流器進(jìn)入下垂控制，直流網(wǎng)壓下降，整流機(jī)組開始提供牽引能量。

2.6 下垂控制運(yùn)行效果

實際掛網(wǎng)運(yùn)行中，雙向變流器采用下垂控制策略與整流器協(xié)同運(yùn)行，試驗中記錄了單次列車從加速到停車的數(shù)據(jù)，生成曲線圖。在列車加速過程中，雙向變流器輸出直流電壓初始下降較快，中間經(jīng)歷了一段穩(wěn)壓輸出區(qū)間;隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，直流電壓再次開始下垂，此時由整流機(jī)組繼續(xù)補(bǔ)充牽引能量;在列車制動時，雙向變流器通過穩(wěn)壓回饋把制動能量回饋至35kV電網(wǎng)。整個運(yùn)行過程中，直流輸出電壓根據(jù)負(fù)載變化不斷進(jìn)行調(diào)整，滿足預(yù)定控制目標(biāo)。

結(jié)語：在雙向變流器加整流機(jī)組的混合供電系統(tǒng)中，通過調(diào)整雙向變流器的特性參數(shù)并經(jīng)過實車測試表明，混合供電系統(tǒng)特性可滿足雙向變流器穩(wěn)壓模式、整流機(jī)組優(yōu)先供電模式、雙向變流器優(yōu)先供電模式的實際應(yīng)用需求，且雙向變流器與整流機(jī)組之間的協(xié)同工作也均實現(xiàn)了無縫對接。雙向變流器穩(wěn)壓模式可完全實現(xiàn)接觸網(wǎng)的穩(wěn)壓功能。接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定可以實現(xiàn)列車就近取流、減少線路損耗、優(yōu)化回流路徑。但雙向變流器穩(wěn)壓模式的實現(xiàn)需建立在全線設(shè)置雙向變流器的基礎(chǔ)上，目前雙向變流器的全線應(yīng)用的項目已在安裝實施階段，但尚未有全線運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。整流機(jī)組優(yōu)先供電模式除完成制動能量回饋，還可在雙向變流器功率范圍內(nèi)有效維持直流網(wǎng)壓下降，減小接觸網(wǎng)電壓波動范圍，實現(xiàn)了整流機(jī)組及雙向變流器之間的協(xié)同工作，增加了線網(wǎng)的供電容量。雙向變流器優(yōu)先供電模式同樣具備整流機(jī)組優(yōu)先供電的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)進(jìn)行單站掛網(wǎng)應(yīng)用時，由于單站的雙向變流器將接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定在一個較高的電壓值，因此將會產(chǎn)生大功率長距離傳輸，會造成不必要的線路損耗。

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