城市軌道交通雙向變流器供電系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)研究

陳潔蓮，李素芬，王 雄，胡曉東，武 彬

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著我國城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，城市軌道交通供電技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。第一代城市軌道交通供電系統(tǒng)采用二極管整流加制動(dòng)電阻耗能技術(shù)，但該技術(shù)會(huì)造成大量能源浪費(fèi)。第二代供電系統(tǒng)采用二極管整流加再生制動(dòng)能量回饋技術(shù)，但其二極管整流機(jī)組的不可控整流會(huì)造成牽引網(wǎng)壓波動(dòng)，不利于列車平穩(wěn)運(yùn)行。為進(jìn)一步提高直流牽引網(wǎng)壓的穩(wěn)定性，改善非高峰時(shí)段功率因數(shù)，可采用雙向變流供電系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)牽引供電和制動(dòng)回饋一體化控制功能[1-5]。

隨著城市軌道交通行車密度的不斷增大、速度的不斷加快，對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)的可靠性要求也在逐步提升。然而，雙向變流技術(shù)在城市軌道交通供電領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟[6-7]。為了確保列車的安全運(yùn)行并保障相關(guān)人員和電力設(shè)備的安全，有必要在雙向變流器的方案論證階段充分比較不同設(shè)計(jì)方案的可靠性，為最優(yōu)方案選擇提供理論依據(jù)；并通過系統(tǒng)性的可靠性分析，采取針對(duì)性的可靠性提升的措施。

過往的研究者大都從電氣性能的角度對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行比較[3,8]。本文從可靠性預(yù)計(jì)的角度，針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)估，并針對(duì)最優(yōu)方案中的薄弱環(huán)節(jié)提出了可靠性提升方案。

1 雙向變流供電系統(tǒng)及其故障情況

針對(duì)雙向變流供電系統(tǒng)，本文給出無冗余結(jié)構(gòu)、“1+1”冗余結(jié)構(gòu)和“4+2”冗余結(jié)構(gòu)3種設(shè)計(jì)方案。本節(jié)首先介紹這3種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)組成和冗余模式，然后對(duì)影響其基本可靠性和任務(wù)可靠性的故障情況進(jìn)行說明。

1.1 雙向變流供電系統(tǒng)

1.1.1 雙向變流供電系統(tǒng)功能與組成

雙向變流供電系統(tǒng)用于城市軌道交通供電系統(tǒng)，主要功能是完成交流供電網(wǎng)和直流牽引網(wǎng)之間的能量傳輸。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，雙向變流供電系統(tǒng)處于整流狀態(tài)，為1 500 V直流牽引網(wǎng)供電；當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，車輛牽引電機(jī)處于再生發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能后輸送至1 500 V直流牽引網(wǎng)，這將引起直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高。當(dāng)雙向變流供電系統(tǒng)檢測(cè)到直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高至設(shè)定值時(shí)，確定列車處于制動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)則工作在逆變狀態(tài)，制動(dòng)能量將被回饋至35 kV交流電網(wǎng)中。當(dāng)制動(dòng)能量回饋完畢，直流網(wǎng)壓降低至設(shè)定值，雙向變流裝置停止回饋功能，重新進(jìn)入整流供電功能模式[9]。

1.1.2 雙向變流供電系統(tǒng)功能單元說明

雙向變流供電系統(tǒng)包括同步變壓器、40.5 kV開關(guān)柜、變壓器、風(fēng)機(jī)、可編程邏輯控制器 (programmable logic controller，PLC)、人機(jī)交互界面（human machine interface，HMI）、直流開關(guān)柜、隔離開關(guān)、驅(qū)動(dòng)控制單元和雙向變流柜。

本文定義的雙向變流柜主要包括對(duì)系統(tǒng)故障率影響較大的組件，即電容器、IGBT功率模塊、電流傳感器和電壓傳感器。電容器主要功能是緩沖直流電源與負(fù)載之間的能量沖擊，沖擊吸收無功；并抑制直流側(cè)諧波，穩(wěn)定電壓。IGBT功率模塊用于實(shí)現(xiàn)交流與直流間電能轉(zhuǎn)換。電壓傳感器和電流傳感器采集電壓、電流信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)變流系統(tǒng)的控制和保護(hù)。

1.1.3 3種方案的結(jié)構(gòu)組成與工作模式

雙向變流供電系統(tǒng)的3種設(shè)計(jì)方案具體如下：

（1）方案一

該方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖 1所示，其包括一套IGBT雙向變流機(jī)組，系統(tǒng)無冗余設(shè)置。通過擴(kuò)大裝置功率容量至7.5 MVA，來滿足系統(tǒng)的功率輸送需求。列車運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于可控整流狀態(tài)；列車制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)處于逆變回饋狀態(tài)。

圖 1 方案一的結(jié)構(gòu)組成圖Fig. 1 Structure composition diagram of the scheme 1

（2）方案二

該方案的系統(tǒng)包括兩套IGBT雙向變流機(jī)組，其中每套機(jī)組為主、從柜各配置2臺(tái)DC 1 500 V雙向變流器；主、從柜共用一個(gè)傳動(dòng)控制單元（driver control unit, DCU）（圖2）。單柜持續(xù)運(yùn)行功率2 MVA，峰值功率6 MVA。正常情況下，4個(gè)變流模塊共同分擔(dān)功率需求；當(dāng)任一雙向變流模塊發(fā)生故障而DCU和PLC等未發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)切換至3個(gè)雙向變流模塊共同工作的模式；若控制系統(tǒng)中任一DCU或PLC等發(fā)生故障，則系統(tǒng)被切換至2個(gè)變流模塊共同工作的模式。本方案中，至少需有2個(gè)雙向變流模塊工作正常，系統(tǒng)才可正常工作。

圖 2 方案二的結(jié)構(gòu)組成圖Fig. 2 Structure composition diagram of the scheme 2

（3）方案三

該方案的系統(tǒng)包括一個(gè)開關(guān)柜、一個(gè)4路輸出的變壓器，以及4路并聯(lián)的IGBT雙向變流機(jī)組；為“4+2”冗余結(jié)構(gòu)（圖3）。若其中一路出現(xiàn)故障（開關(guān)柜、變壓器、控制系統(tǒng)等未發(fā)生故障，任意支路的雙向變流模塊/風(fēng)機(jī)故障），切換為3路工作狀態(tài)；若其中兩路出現(xiàn)故障（開關(guān)柜、變壓器等未故障，任一控制系統(tǒng)故障，或者任意兩路中的雙向變流模塊/風(fēng)機(jī)發(fā)生故障），則切換到兩路工作狀態(tài)。系統(tǒng)至少需有兩路雙向變流機(jī)組正常工作，才可滿足系統(tǒng)功率需求。城市軌道交通列車正常發(fā)車啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，雙向變流裝置為直流牽引網(wǎng)供電；制動(dòng)時(shí)，列車的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為電能，從而抬升直流牽引網(wǎng)電壓。一旦雙向變流裝置檢測(cè)到直流牽引網(wǎng)電壓抬升到特定值，就啟動(dòng)回饋功能，將制動(dòng)能量回饋至35 kV交流電網(wǎng)。

圖 3 方案三的結(jié)構(gòu)組成圖Fig. 3 Structure composition diagram of the scheme 3

該系統(tǒng)在有效壽命周期內(nèi)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造有關(guān)的故障均被記為影響基本可靠度性的關(guān)聯(lián)故障；凡由于雙向變流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造缺陷而造成的不能完成規(guī)定任務(wù)或者影響人員安全的故障，即被視為影響任務(wù)和安全的關(guān)聯(lián)故障[10-11]。

1.2 系統(tǒng)任務(wù)剖面、故障判據(jù)與工作條件

雙向變流供電系統(tǒng)的任務(wù)剖面如圖4所示。

圖 4 系統(tǒng)任務(wù)剖面Fig. 4 System mission pro file

該系統(tǒng)被置于室內(nèi)，通風(fēng)良好；環(huán)境溫度范圍為-10～+45 ℃；日均濕度不大于95%，月均濕度不大于90%（25 ℃），有凝露現(xiàn)象發(fā)生。

2 雙向變流供電系統(tǒng)可靠性建模

可靠性框圖是基于支配系統(tǒng)運(yùn)行的物理規(guī)律、根據(jù)系統(tǒng)組成單元之間功能相關(guān)性而建立的可靠性模型，其可用于描述單元功能與系統(tǒng)功能之間的邏輯關(guān)系，并考慮不同部件故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。

2.1 可靠性建?；炯僭O(shè)

針對(duì)雙向變流供電系統(tǒng)建立可靠性模型的3個(gè)假設(shè)前提如下：

（1）系統(tǒng)輸入是可靠的，各組成單元間電氣連接（如導(dǎo)線、連接器）是可靠的，且產(chǎn)品可靠性不受裝卸、運(yùn)輸?shù)扔绊憽?/p>

（2）產(chǎn)品早期故障經(jīng)產(chǎn)品質(zhì)量控制和環(huán)境應(yīng)力篩選已被剔除，產(chǎn)品進(jìn)入浴盆曲線偶然故障階段，故障率較低且近似為常數(shù)。

（3）系統(tǒng)中各部分的壽命都服從指數(shù)分布，各組成部分之間的故障相互獨(dú)立；各個(gè)組成部分只有正常態(tài)或者失效態(tài)；不考慮因耗損引起性能降低的情況。

2.2 基本可靠性建模

基本可靠性框圖是系統(tǒng)各單元串聯(lián)組成的模型，用以估計(jì)系統(tǒng)及其組成部件故障所引起的維修及保障要求。3種方案的基本可靠性框圖分別如圖5～圖7所示。

圖 5 方案一的基本可靠性框圖Fig. 5 Basic reliability block diagram of the scheme 1

圖 6 方案二的基本可靠性框圖Fig. 6 Basic reliability block diagram of the scheme 2

圖 7 方案三的基本可靠性框圖Fig. 7 Basic reliability block diagram of the scheme 3

2.3 任務(wù)可靠性建模

任務(wù)可靠性模型是一種用于度量系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中完成功能的概率、描述完成任務(wù)過程中系統(tǒng)各單元的預(yù)定作用并度量工作有效性的可靠性模型。3種方案的任務(wù)可靠性框圖分別如圖8～圖10所示。

圖8 方案一的任務(wù)可靠性框圖Fig. 8 Mission reliability block diagram of the scheme 1

圖 9 方案二的任務(wù)可靠性框圖Fig. 9 Mission reliability block diagram of the scheme 2

圖 10 方案三的任務(wù)可靠性框圖Fig. 10 Mission reliability block diagram of the scheme 3

3 雙向變流供電系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)

為量化分析不同設(shè)計(jì)方案的可靠性，本文將對(duì)3種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)分析[12]。通過相似產(chǎn)品得到子部件故障率，以及不同設(shè)計(jì)方案的基本可靠性和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)過程。

3.1 子單元可靠性預(yù)計(jì)方法

系統(tǒng)中子單元的故障率采用相似產(chǎn)品法預(yù)計(jì)得到。通過歷史故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及物料手冊(cè)等得到舊式相似產(chǎn)品子單元的故障率為λi舊，則新研發(fā)產(chǎn)品中同一子單元的λi新=λi舊×Ci，其中，Ci是新研發(fā)產(chǎn)品各子單元的故障率差異評(píng)分系數(shù)。評(píng)分?jǐn)?shù)由系統(tǒng)人員、產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員及物料工程師等基于以下幾個(gè)方面打分得出：

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能的復(fù)雜程度；

（2）設(shè)計(jì)的相似性；

（3）產(chǎn)品物料、制造工藝的相似性；

（4）使用剖面的相似性。

3.1.1 所引用相似產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

采用兩電平雙向變流系統(tǒng)作為相似產(chǎn)品。其中，外購件的故障率通過查詢技術(shù)規(guī)格書、產(chǎn)品手冊(cè)等得到，自研發(fā)產(chǎn)品的故障率通過歷史故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到，不包括產(chǎn)品在調(diào)試階段的故障數(shù)據(jù)。

3.1.2 雙向變流裝置子單元可靠性預(yù)計(jì)

采用相似產(chǎn)品法進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，比較目標(biāo)單元與已有相似單元之間的差異，選擇適當(dāng)?shù)牟町愋韵禂?shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效率進(jìn)行調(diào)整，考慮功能結(jié)構(gòu)、工作條件/環(huán)境條件等方面的差異后，得到調(diào)整后的目標(biāo)單元預(yù)計(jì)失效率[13]。

3.2 系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)

基于系統(tǒng)和子部件服從指數(shù)分布的前提假設(shè)，子部件的可靠性與其失效率存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。根據(jù)串聯(lián)模型特點(diǎn)，系統(tǒng)內(nèi)任一子部件發(fā)生失效，系統(tǒng)基本可靠性會(huì)降低，則系統(tǒng)的可靠性為各子部件可靠性的乘積。3種方案的基本可靠性預(yù)計(jì)如下：

（1）方案一

式中：RX1——方案一的基本可靠度；λX1——方案一的系統(tǒng)失效率；Ri——第i個(gè)子部件的可靠度；λi——第i個(gè)子部件的失效率。

（2）方案二

式中：RX2——方案二的基本可靠度；λX2——方案二的系統(tǒng)失效率。

（3）方案三

式中：RX3——方案三的基本可靠度；λX3——方案三的系統(tǒng)失效率。

3.3 系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)

為量化比較不同方案成功執(zhí)行任務(wù)的概率，下面將基于2.3節(jié)所建立的系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型進(jìn)行任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)。

3.3.1 方案一

假設(shè)系統(tǒng)和子部件壽命都服從指數(shù)分布，則系統(tǒng)的任務(wù)可靠度為

式中：RS1——方案一的任務(wù)可靠度；λS1——方案一的系統(tǒng)任務(wù)失效率。

3.3.2 方案二

根據(jù)方案二系統(tǒng)的功能邏輯和系統(tǒng)工作模式，其任務(wù)可靠性分2種情況討論：

（1）圖9中支路1.3）與支路2.3）一條正常、一條故障，則簡(jiǎn)化模型如圖11所示。

此時(shí)方案二任務(wù)可靠性計(jì)算模型可被簡(jiǎn)化為

式中：P21——方案二第一種情況的任務(wù)可靠度；R1.17,R1.27,R1.3）——方案二中支路1.1)、支路1.2)、支路1.3)的任務(wù)可靠度。

（2）圖9所示中支路1.3）和支路1.4）兩條皆正常，則簡(jiǎn)化模型如圖12所示。

圖 11 方案二任務(wù)可靠性第一種情況Fig. 11 The first case of the scheme 2 task reliability

圖 12 方案二任務(wù)可靠性第二種情況Fig. 12 The second case of the scheme 2 task reliability

此時(shí)方案二任務(wù)可靠性計(jì)算模型可被簡(jiǎn)化為

式中：P22——方案中二第二種情況的任務(wù)可靠度；P(2)——4條支路即支路1.1)、支路1.2)、支路2.1)及支路2.2)中有兩條正常工作時(shí)的任務(wù)可靠度；P(3)——4條支路中有3條正常工作時(shí)的任務(wù)可靠度；P(4)——4條支路全正常工作時(shí)的任務(wù)可靠度。

3.3.3 方案三

根據(jù)方案三系統(tǒng)的功能邏輯和系統(tǒng)工作模式，其任務(wù)可靠性分兩種情況討論：

（1）圖10中支路[5]和支路[6]中一路正常、一路故障。記這情況的概率為P31，則簡(jiǎn)化模型如圖13所示。

圖 13 方案三任務(wù)可靠性第一種情況Fig. 13 The first case of the scheme 3 task reliability

由于方案三中要求至少有兩個(gè)支路能夠正常工作，因此方案三第一種情況的任務(wù)可靠度：

圖10中支路[5]和支路[6]皆正常。記這情況的概率為P32，則簡(jiǎn)化模型如圖14所示。

圖 14 方案三任務(wù)可靠性第二種情況Fig. 14 The second case of the scheme 3 task reliability

方案三中至少有兩個(gè)支路能夠正常工作，因此這種情況的概率為

則此時(shí)方案三的任務(wù)可靠度為

其中支路[1], [2], [3], [4]中有2、3、4條支路能正常工作的概率如下：

4 可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果分析

由3.2節(jié)和3.3節(jié)計(jì)算得到了各方案的基本可靠性和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果，本節(jié)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的比較分析，并針對(duì)系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)提出系統(tǒng)可靠性提升方案。

4.1 設(shè)計(jì)方案評(píng)估分析

4.1.1 基本可靠性

各方案基本可靠性如表 1所示，其中MTBF是指平均故障間隔時(shí)間。

表 1 各方案基本可靠性比較Tab. 1 Comparision of basic reliability of each solution

從表1可以看出，由于方案一無冗余結(jié)構(gòu)，其子部件數(shù)量最少，因此方案一基本可靠度對(duì)應(yīng)的失效率最低；而方案二基本可靠度對(duì)應(yīng)的失效率比方案三的略高，主要因?yàn)榉桨付到y(tǒng)器件數(shù)量較多。

4.1.2 任務(wù)可靠性

各方案任務(wù)可靠性比較如表 2所示。

表 2 各方案任務(wù)可靠性比較Tab. 2 Comparision of mission reliability of each solution

從表2可以看出，由于方案一只有一臺(tái)裝置，系統(tǒng)無冗余設(shè)計(jì)，因此其任務(wù)可靠度較低；方案二任務(wù)可靠度比方案三略高，主要因?yàn)榉桨付哂喽雀摺?/p>

最后，綜合3種設(shè)計(jì)方案的基本可靠性和任務(wù)可靠性的指標(biāo)評(píng)估結(jié)果可以看出，方案二的可靠性指標(biāo)更優(yōu)。

4.2 系統(tǒng)可靠性提升方案

結(jié)合子單元故障率、系統(tǒng)基本可靠性和系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果可知，DCU、變流模塊、控制電源、HMI是雙向變流裝置的薄弱環(huán)節(jié)。為提升系統(tǒng)可靠性，須針對(duì)各器件失效特點(diǎn)，采取差異化可靠性提升措施。

4.2.1 低可靠性器件/物料可靠性提升

由產(chǎn)品應(yīng)用歷史故障數(shù)據(jù)可知，DCU和功率模塊的薄弱環(huán)節(jié)均位于電源板。其中，電路板級(jí)電源模塊和電路板極繼電器是DCU的薄弱環(huán)節(jié)；而電路板級(jí)電源模塊是功率模塊的薄弱環(huán)節(jié)，其失效原因是電源板對(duì)潮濕、多灰塵的應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性欠佳。因此，可針對(duì)可靠性較低的電源板采取以下措施：（1）加強(qiáng)三防涂覆工藝；（2）加強(qiáng)工藝物料/產(chǎn)品的早期老化篩選；（3）開展環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，暴露并改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié)。通過采取這些措施，DCU失效率從10×10-7數(shù)量級(jí)降低至10×10-8數(shù)量級(jí)，使功率模塊的失效率從10×10-6數(shù)量級(jí)降低至10×10-7數(shù)量級(jí)。

4.2.2 低可靠性器件/物料冗余設(shè)計(jì)

雖然雙向變流器中的二次電源來自蓄電池，其供電可靠性和穩(wěn)定性非常高；但二次電源鏈路中還包括用于操作、控制供電的電源模塊，其失效率較高，而操作、控制電源模塊的失效亦將造成系統(tǒng)無法正常完成任務(wù)。因這些器件本身可靠性提升空間不大，可采用冗余設(shè)計(jì)，以提高裝置任務(wù)可靠性。

4.2.3 低可靠性器件/物料替代設(shè)計(jì)

HMI作為雙向變流裝置的人機(jī)交互界面，由于其環(huán)境適應(yīng)性較差，目前應(yīng)用中的故障率較高。雖然HMI失效通常不影響裝置任務(wù)可靠性，但不利于客戶的良好體驗(yàn)。因此，可以考慮采用智能運(yùn)維系統(tǒng)，通過云平臺(tái)存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而通過手機(jī)APP取代目前的HMI裝置。

綜上，將影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部件通過專項(xiàng)質(zhì)量提升、冗余設(shè)計(jì)、替代設(shè)計(jì)等方案進(jìn)行優(yōu)化，方案二裝置的任務(wù)可靠度有較大提高，系統(tǒng)在20 000 h的任務(wù)可靠度R(20 000 h) 將從目前的0.989 3提升至0.999 3，與目前應(yīng)用的城市軌道交通供電系統(tǒng)的可靠度基本相當(dāng)。

5 結(jié)語

本文對(duì)城市軌道交通雙向變流供電系統(tǒng)不同冗余方案的可靠性進(jìn)行了分析與研究，針對(duì)裝置的任務(wù)和結(jié)構(gòu)組成的邏輯特點(diǎn)，分別建立了基本可靠性和任務(wù)可靠性模型。通過相似產(chǎn)品法得出模型中各子部件的失效率。經(jīng)計(jì)算與比較，選出了可靠性最優(yōu)的方案，其任務(wù)可靠度在20 000 h時(shí)可達(dá)0.989 3。最后還提出了改善系統(tǒng)可靠性的措施，系統(tǒng)的R(20 000 h)將從目前的0.989 3提升至0.999 3。

在本次研究中并未考慮系統(tǒng)組成中材料、器件等的分散性。后續(xù)將累計(jì)子單元故障數(shù)據(jù)，細(xì)化建模顆粒度，并采用建模仿真的方法來研究材料、器件等的分散性的可靠性預(yù)計(jì)方法。