HESOP 智能可逆直流牽引變電所研究

王懷東，劉 濤

0 引言

2019年我國城市軌道交通總電能消耗152.6億kW·h，同比增長15.5%，其中牽引能耗79 億kW·h，同比增長17.3%[1]。隨著新建城市軌道交通線路的增加，其總體能耗指標(biāo)仍然在不斷增長。節(jié)能技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用成為熱門話題之一，對于軌道交通能耗占比約52%的牽引能耗成為最有前景的節(jié)能方向。

1 研究背景

幾十年來，由三相牽引變壓器和二極管整流器組成的直流牽引供電系統(tǒng)成為城市軌道交通牽引供電的成熟解決方案。然而，隨著可回收能量車輛的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)固有的一些弱點(diǎn)開始顯現(xiàn)：

（1）牽引電流越大，變電所和接觸網(wǎng)的電壓下降越多，該影響由于車輛使用轉(zhuǎn)換器驅(qū)動而加劇，通過轉(zhuǎn)矩控制，車輛即使在接觸網(wǎng)電壓下降時(shí)仍使受電弓保持恒定的功率負(fù)載。

（2）制動能量的使用僅限于制動車輛本身的輔助功率，以及在同一供電分段上同時(shí)加速的車輛，如果這些加速車輛相距太遠(yuǎn)，則多余的功率會在制動電阻中轉(zhuǎn)化為熱量，制動能量不能得到充分利用，且增加了熱量釋放。

圖1 所示為典型整流變電所的電流電壓特性。無任何負(fù)載時(shí)，變電所空載電壓為U0；當(dāng)牽引電流ITSS增加時(shí)，電壓UTSS呈線性下降；當(dāng)電流達(dá)到額定電流值Irect時(shí)，電壓達(dá)到其額定值UN；過載的情況下電壓將進(jìn)一步下降。列車之間的能量回收交換只能在U0以上進(jìn)行。如果列車間隔太遠(yuǎn)，制動車輛的電壓將達(dá)到Umax1閾值（IEC 62590），此時(shí)制動電阻需要介入，大量的制動能量通過車載電阻被消耗，從而保證變電所的電壓低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高連續(xù)電壓Umax1。

圖1 典型整流變電所的電流電壓特性

為了突破以上局限，最大限度地回收制動能量，有以下幾種不同思路的解決方案：

（1）優(yōu)化牽引供電方案，整流器可由晶閘管代替二極管構(gòu)成，可以動態(tài)控制輸出電壓，但增加了交流電網(wǎng)諧波振蕩和提高了無功需求。

（2）提高列車制動能量的回收，可增設(shè)逆變器，但勢必會影響列車之間的自然能量交換。

（3）由于許多電力公司不鼓勵(lì)孤立的能源回收業(yè)務(wù)，部分軌道交通運(yùn)營方選擇安裝固定的儲能設(shè)備。然而，除了容量有限外，這些儲能系統(tǒng)還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短等缺點(diǎn)，且增加了維護(hù)成本。

2 HESOP 智能可逆直流牽引變電所

2.1 HESOP 可逆變電所概述

本文研究一種集成化解決方案，在簡化設(shè)備組成的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化，成為雙向“智能”變電所。該研究成果（HESOP 可逆變電所）于2006 年通過技術(shù)論證，并于2011 年在法國上線驗(yàn)證了以下主要指標(biāo)：

（1）再生/回收99%的制動能量，同時(shí)保持列車之間的自然能量交換優(yōu)先；這將允許消除制動電阻，從而減輕列車重量，減少熱量釋放。

（2）在牽引和逆變模式下均可調(diào)節(jié)其輸出電壓，以減少損失，并增加牽引變電所間距。

（3）降低諧波水平，改善交流側(cè)功率因數(shù)。

圖2 簡要匯總不同型式變電所結(jié)構(gòu)和功能上的差異。

圖2 不同型式變電所結(jié)構(gòu)及功能

如圖2 所示，HESOP 變電所在結(jié)構(gòu)上沿用了傳統(tǒng)二極管變電所的設(shè)計(jì)理念，所使用的設(shè)備組件也相似。值得一提的是，HESOP 變電所交流電和直流電輸入和輸出端的接口需求與傳統(tǒng)變電所差異不大，因此在相同功率的情況下，HESOP 變電所可以完美匹配傳統(tǒng)變電所使用的高壓斷路器和直流快速斷路器。

上述不同型式變電所的結(jié)構(gòu)差異最明顯的表現(xiàn)是HESOP 變電所使用1 臺大功率IGBT 雙向變流器替代了傳統(tǒng)變電所的二極管整流器或其他能饋?zhàn)冸娝恼髌骷幽孀兤餮b置。由此，HESOP變電所體現(xiàn)了簡化變電所結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

HESOP 變電所通過智能動態(tài)調(diào)壓確保在牽引供電模式和能量回收模式下均能最大程度優(yōu)化直流供電的電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)對牽引供電的優(yōu)化以及超過99%的列車制動能量的回收。在交流端，HESOP 變電所可以大幅度減少諧波（電流畸變率小于5%），并且功率因數(shù)大于0.99。

2.2 HESOP 可逆變電所的技術(shù)特點(diǎn)

如圖3 所示，HESOP 可逆變電所具有雙向電流-電壓轉(zhuǎn)換的靈活性。圖中電壓UTSS在牽引供電模式下可被控制在一個(gè)恒定的水平，獨(dú)立于輸出電流ITSS。該方案彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二極管整流器在大電流時(shí)帶來的電壓降低，從而優(yōu)化了直流牽引供電。

圖3 HESOP 可逆變電所電流電壓特性

對于回饋模式中的電壓設(shè)置，可以基于不同的線路特征動態(tài)調(diào)壓，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用中的最佳值。通常，UTSS會被盡可能調(diào)高，以便優(yōu)先允許制動列車與加速列車之間的能量自然交換。另一方面，當(dāng)線路上只有列車制動，沒有正在加速的列車自然回收制動能量時(shí)，UTSS會被盡可能調(diào)低，以防止制動列車局部電壓升高致使能量送至制動電阻中消耗。這樣，可以保持接觸網(wǎng)電壓在可控范圍內(nèi)變化，并確保99%以上的可用制動能量被實(shí)際回收。

圖4（a）示意某型傳統(tǒng)列車的牽引變電系統(tǒng)，現(xiàn)如今已由IGBT 驅(qū)動功率變換器取代，用于所有多單元列車和機(jī)車，系統(tǒng)可提供交流電。主變壓器的設(shè)計(jì)取決于主電路的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行傳統(tǒng)列車牽引變電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常安裝1 個(gè)特殊的交流濾波器連接到變壓器的三級繞組，以消除寄生電流。

在圖4（b）中可以看到完全相同的組件，左側(cè)為HESOP 直流可逆變電所，右側(cè)出現(xiàn)列車典型的三相驅(qū)動設(shè)備，由逆變器和牽引電機(jī)組成。

圖4 不同功率轉(zhuǎn)換方案對比

3 HESOP 的產(chǎn)品平臺

HESOP 產(chǎn)品與傳統(tǒng)的鐵路供電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理念上非常接近，可以靈活地集成到現(xiàn)有的變電所建筑結(jié)構(gòu)中。如圖5 所示，HESOP 提供了靈活的智能變電所系統(tǒng)，在中壓配電系統(tǒng)和有軌電車/地鐵接觸網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)整流和逆變。

圖5 HESOP 可逆智能變電所

HESOP 完全采用模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品平臺擁有兩個(gè)功率范圍：

（1）對于有軌電車線路，HESOP 變電所提供的額定功率和電壓分別為1.2 MW、750 V，其具有很強(qiáng)的瞬態(tài)過載能力，可以達(dá)到相當(dāng)于額定電流的4.5 倍，持續(xù)15 s，滿足IEC 62590 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的七級過載能力要求，這表示峰值功率輸出可以達(dá)到5 MW 以上。

（2）對于功率要求較高的地鐵線路和列車，可提供一個(gè)版本的額定功率和電壓：2.0 MW、750 V，具有3 倍的額定電流過載能力，持續(xù)60 s，滿足IEC 62590 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的六級過載能力要求。若這些HESOP 模塊中的兩個(gè)串聯(lián)在輸出側(cè)，則可以提供1 500 V 額定電壓，額定功率為4.0 MW，峰值輸出功率達(dá)12 MW。

表1 為當(dāng)前HESOP 產(chǎn)品平臺的主要參數(shù)。

表1 HESOP 產(chǎn)品平臺的主要參數(shù)

4 HESOP 應(yīng)用案例

HESOP 所具有的優(yōu)勢使其成為一種獨(dú)特的解決方案，該方案可以滿足不同城市和郊區(qū)線路的運(yùn)輸運(yùn)營需求。截至目前，已有超過120 套HESOP設(shè)備在全球多個(gè)國家安裝并投入使用（表2），其中超過40 臺設(shè)備已經(jīng)正式上線運(yùn)行，證明HESOP可逆變電所是一種先進(jìn)的能饋解決方案，可大大提高能源性能和優(yōu)化牽引所需的功率，從而節(jié)省能源和降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。

表2 HESOP 設(shè)備應(yīng)用案例

5 結(jié)語

本文提出一種HESOP 智能可逆直流牽引變電所，就該變電所的技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)品平臺、應(yīng)用推廣等方面作了闡述。得出以下結(jié)論：

（1）該變電所可最大程度地優(yōu)化直流供電的電壓和電流，可對99%以上的列車制動能量進(jìn)行回收，大幅度減少諧波，功率因數(shù)大于0.99。

（2）在牽引供電模式下，該牽引變電所保持UTSS在恒定水平；在回饋模式下，可以動態(tài)調(diào)節(jié)UTSS至最佳值。

（3）該變電所采用模塊化設(shè)計(jì)，可滿足不同運(yùn)營場景的需求。