地鐵供電系統(tǒng)中雙向變流裝置設(shè)計(jì)方案對(duì)比研究

史 丹

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037）

地鐵供電系統(tǒng)通常采用24脈波二極管整流機(jī)組將交流轉(zhuǎn)換成直流，給列車供電。在列車啟動(dòng)和加速時(shí)電能由電網(wǎng)傳輸給列車，但在列車制動(dòng)時(shí)，無法進(jìn)行能量的反向傳遞，只能采用車載或地面制動(dòng)電阻消耗制動(dòng)能量，造成較大的能源浪費(fèi)。

近年來，新建地鐵線路開始采用增加再生制動(dòng)能量吸收裝置的方案，如設(shè)置中壓能饋裝置、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等，將列車制動(dòng)能量返回中壓電網(wǎng)或者再次提供給直流牽引供電，節(jié)能效果明顯。目前中壓能饋裝置已經(jīng)在中國(guó)許多地鐵線路應(yīng)用實(shí)施。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，用于中壓能饋裝置的雙向變流器具備四象限工作能力，能量可雙向流動(dòng)，從原理上具備替代二極管整流機(jī)組的條件。張鋼等[1]在分析雙向變流裝置工作原理的同時(shí)給出在北京地鐵10號(hào)線的掛網(wǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明其具有顯著的節(jié)能效果。徐金平等[2]對(duì)寧波地鐵 2號(hào)線掛網(wǎng)試驗(yàn)的雙向變流裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，證明其具有較強(qiáng)的穩(wěn)壓性能，可以實(shí)現(xiàn)能量的就近傳輸，且日回饋電能占牽引電能的14.69%。葉宏等[3]介紹了雙向變流裝置的均流度控制、環(huán)流抑制，通過仿真分析和實(shí)際某線路的掛網(wǎng)試驗(yàn)，說明雙向變流裝置與整流機(jī)組可以有效協(xié)同供電。

雙向變流裝置相對(duì)傳統(tǒng)的二極管整流機(jī)組具有以下優(yōu)勢(shì)：牽引和制動(dòng)工況下全功率穩(wěn)定網(wǎng)壓；就近站牽引或者回饋電能，避免能量越區(qū)傳輸，減少損耗；優(yōu)化潮流，限制軌電位，降低雜散電流。

因此，利用雙向變流裝置可實(shí)現(xiàn)新一代地鐵牽引供電系統(tǒng)雙向變流功能，顯著改善節(jié)能指標(biāo)，優(yōu)化供電環(huán)境。

目前雙向變流裝置已在北京地鐵10號(hào)線、寧波地鐵2號(hào)線，寧波地鐵3號(hào)線部分站點(diǎn)完成掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果良好。在建線路中已有全線應(yīng)用雙向變流裝置的線路，但均未開通運(yùn)營(yíng)。當(dāng)前由于缺少運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，在工程設(shè)計(jì)階段雙向變流裝置的配置方案對(duì)于設(shè)計(jì)工作來說是重難點(diǎn)。本文從雙向變流裝置功率選擇、諧波影響、保護(hù)配置等方面進(jìn)行分析，針對(duì)工程設(shè)計(jì)提供一定參考借鑒。

1 雙向變流裝置與整流機(jī)組的配置方案

雙向變流裝置的應(yīng)用尚在起步階段，部分線路在建設(shè)時(shí)考慮雙向變流裝置的可靠性，選擇與常規(guī)的整流機(jī)組配合設(shè)置，目前主要有以下3種設(shè)計(jì)方案。

方案1：每座牽引變電所設(shè)置2套二極管整流機(jī)組和1套雙向變流裝置，如圖1所示。方案2：每座牽引變電所設(shè)置1套二極管整流機(jī)組和1套雙向變流裝置，如圖2所示。方案3：每座牽引變電所設(shè)置2套雙向變流裝置，如圖3所示。

圖1 2套整流機(jī)組+1套雙向變流裝置方案Figure 1 The first scheme based on two rectifier units and one bidirectional converter unit

圖2 1套整流機(jī)組+1套雙向變流裝置方案Figure 2 The second scheme based on one rectifier unit and one bidirectional converter unit

圖3 2套雙向變流裝置方案Figure 3 The third scheme based on two bidirectional converter units

方案1現(xiàn)階段已在杭州、紹興、徐州等在建地鐵線路應(yīng)用，方案2目前在德清在建線路中有應(yīng)用，方案3在無錫在建地鐵線路有應(yīng)用，線路均未開通運(yùn)營(yíng)。

2 與整流機(jī)組協(xié)同控制策略及功率選擇

雙向變流裝置作為功率全控型裝置，與整流機(jī)組的協(xié)同控制策略可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求、經(jīng)濟(jì)性來確定。不同控制策略對(duì)應(yīng)不同的容量選擇方案。

目前雙向變流裝置和整流機(jī)組的協(xié)同控制策略主要有2種[4]：

1) 雙向變流裝置優(yōu)先工作。設(shè)置雙向變流裝置的牽引閾值U1＞整流機(jī)組空載電壓U0，在雙向變流裝置的功率限值內(nèi)，保持穩(wěn)壓輸出，超過功率限值后，雙向變流裝置轉(zhuǎn)為下垂特性，網(wǎng)壓下降至U0后，整流機(jī)組介入工作。

2) 整流機(jī)組優(yōu)先工作。設(shè)置雙向變流裝置的牽引閾值U1＜整流機(jī)組空載電壓U0，整流機(jī)組優(yōu)先工作，整流機(jī)組外特性為下垂特性，當(dāng)網(wǎng)壓下降至U1時(shí)，雙向變流裝置開始工作，在其功率限值范圍內(nèi)穩(wěn)定網(wǎng)壓。

通過控制雙向變流裝置的牽引閾值U1，可以調(diào)節(jié)整流機(jī)組和雙向變流裝置的功率分配比例[5](見圖4)。

圖4 雙向變流裝置和整流機(jī)組工作特性曲線Figure 4 Working characteristics of bidirectional converters and rectifiers

若按方案1，每座牽引變電所設(shè)置2套整流機(jī)組+1套雙向變流裝置，系統(tǒng)冗余配置。此方案下，考慮經(jīng)濟(jì)合理性，推薦雙向變流裝置和整流機(jī)組容量選擇的原則如下：按制動(dòng)功率選擇雙向變流裝置容量；考慮雙向變流裝置的牽引出力，降低整流機(jī)組的容量；按大雙邊運(yùn)行方式對(duì)容量進(jìn)行校驗(yàn)。

本文以某具體工程為實(shí)例，分析3種方案對(duì)應(yīng)雙向變流裝置和整流機(jī)組容量的選擇方法。該工程仿真計(jì)算得到的遠(yuǎn)期高峰小時(shí)牽引功率和制動(dòng)功率的平均值和最大值如表1所示。

表1 某牽引所遠(yuǎn)期高峰小時(shí)牽引和制動(dòng)功率Table 1 Long term traction and braking power of peak hours in one substation kW

依據(jù)上述原則，雙向變流裝置額定功率選擇1.5 MW，整流機(jī)組額定功率選擇2×1.5 MW，均需要滿足VI類過負(fù)荷要求。

雙向變流裝置牽引閾值的確定需要根據(jù)設(shè)計(jì)方案及整流機(jī)組的下垂特性來確定。某整流機(jī)組的下垂特性如圖5所示，整流機(jī)組空載電壓U0為1 650 V。

當(dāng)整流機(jī)組優(yōu)先工作時(shí)，如設(shè)置雙向變流裝置牽引閾值U1為1 575 V，可近似計(jì)算出整流機(jī)組單獨(dú)牽引時(shí)的功率P1，即圖5中陰影部分面積，P1=0.5×752×(1 650-1 575)+752×1 575=1 212.6 kW，兩套整流機(jī)組功率則為2 425.2 kW。以千秋廣場(chǎng)站為例，此時(shí)整流機(jī)組平均出力占比70%，雙向變流裝置平均出力占比30%。不同牽引閾值對(duì)應(yīng)的出力占比如表2所示。從表中可以看出，雙向變流裝置的牽引閾值設(shè)置在1 575～1 600 V區(qū)間較為合理。

圖5 某整流機(jī)組V-I特性曲線Figure 5 V-I characteristics of one rectifier

表2 千秋廣場(chǎng)站不同牽引閾值對(duì)應(yīng)的功率分配Table 2 Power ratios under different traction thresholds at Qianqiu Square Station

當(dāng)雙向變流裝置優(yōu)先工作時(shí)，如設(shè)置雙向變流裝置牽引閾值U1為1 670 V，額定功率1.5 MW的雙向變流裝置2 h內(nèi)可持續(xù)輸出的最大功率為3 MW，此時(shí)大部分車站的平均功率均可以由雙向變流裝置完成，僅少部分車站及短時(shí)(不超過1 min)峰值功率情況下，需要整流機(jī)組介入?yún)⑴c牽引出力。

若按方案2，每座牽引變電所設(shè)置1套整流機(jī)組+1套雙向變流裝置。此時(shí)雙向變流裝置必須參與牽引出力，推薦雙向變流裝置和整流機(jī)組容量選擇的原則如下：確定雙向變流裝置和整流機(jī)組的協(xié)同控制策略；依據(jù)牽引功率及控制策略選擇雙向變流裝置和整流機(jī)組的容量；按大雙邊運(yùn)行方式對(duì)容量進(jìn)行校驗(yàn)。

在該方案下，本文建議采用雙向變流裝置組優(yōu)先工作的控制策略。12脈波整流機(jī)組主要產(chǎn)生11次和13次的低次諧波，雙向變流裝置產(chǎn)生開關(guān)頻率附近的高次諧波，雙向變流裝置無法對(duì)12脈波整流機(jī)組產(chǎn)生的低次諧波進(jìn)行濾除。當(dāng)一座主變電所支援供電時(shí)，供電分區(qū)內(nèi)牽引變電所數(shù)量多，主所35 kV側(cè)母線諧波含量可能超標(biāo)。因此，該方案下，為了讓雙向變流裝置盡量滿足牽引功率需求，可適當(dāng)放大其額定功率。以上述工程為例，可選擇額定功率3 MW的雙向變流裝置，同時(shí)滿足V類過負(fù)荷要求，整流機(jī)組額定功率選擇2 MW，滿足VI類過負(fù)荷要求。設(shè)置雙向變流裝置牽引閾值U1為1 670 V，額定功率3 MW的雙向變流裝置可在2 h內(nèi)持續(xù)輸出的最大功率為4.5 MW，此時(shí)所有車站的平均功率均可以由雙向變流裝置完成，僅在短時(shí)(不超過1min)峰值功率情況下，需要整流機(jī)組介入?yún)⑴c牽引出力。

若按方案3，每座牽引變電所設(shè)置2套雙向變流裝置。該方案只需要依據(jù)牽引功率選擇雙向變流裝置功率即可，以上述工程為例，選擇2套額定功率為2 MW的雙向變流裝置即可。

3 對(duì)主變電所注入點(diǎn)諧波的影響

傳統(tǒng)的24脈波二極管整流諧波含量較低，主要為23次以上的高次諧波，一般不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，這也是目前國(guó)內(nèi)地鐵線路多采用24脈波整流的主要原因之一。雙向變流裝置由于產(chǎn)生的諧波均為開關(guān)頻率附近的高次諧波，且諧波含量低，滿足接入電網(wǎng)的諧波限值。因此，針對(duì)方案1和方案3，主變電所注入點(diǎn)的諧波是符合要求的。

方案2需要著重關(guān)注主所注入點(diǎn)諧波的影響。整流電路特征諧波次數(shù)為nc=kp±1，k取整數(shù)，p為脈動(dòng)數(shù)[6]，12脈波整流電路特征諧波為 11、13、23、25次諧波。

理想狀態(tài)下，第h次諧波的理論值Ih=I1/h，I1為基波值，實(shí)際上由于各種非理想因素，不可避免產(chǎn)生非特征諧波。由于換相重疊角的存在，實(shí)際的諧波值與理論值有所不同，重疊角使得諧波含量相對(duì)理論值有所降低。12脈波的諧波計(jì)算可以參考GB10236-2006《半導(dǎo)體變流器與供電系統(tǒng)的兼容及干擾防護(hù)導(dǎo)則》。

以上述工程為例，該線路設(shè)置有2座主變電所，在正常運(yùn)行方式下，某座主變電所35 kV母線處諧波含量如表3所示。當(dāng)另一座主變電所解列，由其支援供電時(shí)，35kV母線處諧波含量如表4所示(已折算到短路基準(zhǔn)容量250 MVA)。

表3 某主變電所正常運(yùn)行時(shí)35 kV母線諧波含量Table 3 Harmonic content of one 35 kV bus under the normal operation mode in one main substation A

表4 某主變電所支援供電時(shí)35 kV母線處諧波含量Table 4 Harmonic content of one 35 kV bus under the support operation mode in one main substation A

從表3和表4中可以看出，正常運(yùn)行方式及支援供電時(shí)，雖然各次諧波含量均可以滿足規(guī)范要求，但在支援供電時(shí)，11次諧波含量5.34 A已接近規(guī)范要求的5.6 A[7]。如果該主變電所還有其他共享線路時(shí)，多條線路諧波含量疊加后，則很有可能會(huì)超過規(guī)范要求。

因此，對(duì)于方案 2，建議采用雙向變流裝置優(yōu)先工作的控制策略，整流機(jī)組作為熱備用，減少其出力占比，降低11次和13次的諧波含量，或者在主變電所側(cè)考慮設(shè)置濾波功能的電抗器，以防止諧波含量超標(biāo)。

4 保護(hù)方案配置

4.1 交流側(cè)短路配置

雙向變流裝置一般使用高阻抗變壓器，阻抗電壓百分比相比二極管整流機(jī)組用的牽引變壓器要高，約為 18%[5]。當(dāng)該變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時(shí)，短路電流可能會(huì)較小，不能滿足靈敏度要求。此時(shí)可在變壓器高壓側(cè)增設(shè)帶低電壓閉鎖的過電流保護(hù)，提高保護(hù)的靈敏性[8]。

4.2 直流側(cè)短路配置

雙向變流裝置采用的IGBT其短路耐受電流遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的二極管整流機(jī)組。目前主流廠家采用在IGBT回路中并聯(lián)晶閘管整流橋支路，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路，大部分短路電流從晶閘管整流橋流過，少部分經(jīng)過IGBT，從而滿足短時(shí)耐受的要求。

雙向變流裝置和整流機(jī)組的內(nèi)阻主要來自變壓器阻抗，IGBT、晶閘管以及二極管產(chǎn)生的阻抗相對(duì)于變壓器來說較小，可忽略不計(jì)[9]。牽引網(wǎng)直流側(cè)短路時(shí)的等效模型如圖 6所示。Ik1和Ik2均為等效至交流側(cè)的短路電流，對(duì)于三相橋式變流器回路，直流側(cè)空載電壓Udo和變壓器低壓側(cè)相電壓Un之間的關(guān)系為：

圖6 短路等效模型Figure 6 Short-circuit equivalent model

假設(shè)交流側(cè)和直流側(cè)功率不變，則可得直流側(cè)短路電流Id和交流側(cè)短路電流Ik間的換算關(guān)系，其中Us為變壓器低壓側(cè)線電壓值：

距離變電所出口100 m位置處的短路阻抗參數(shù)及短路電流計(jì)算如表5所示。

表5 短路阻抗參數(shù)及短路電流計(jì)算Table 5 Parameters of short-circuit impedance and calculation of the short-circuit current

由上述計(jì)算可知，雙向變流裝置的直流短路電流穩(wěn)態(tài)值相比傳統(tǒng)的整流機(jī)組顯著減小。因此，針對(duì)不同項(xiàng)目采用不同的雙向變流裝置和整流機(jī)組配置方案時(shí)，需要對(duì)不同運(yùn)行工況下的直流側(cè)短路電流值進(jìn)行校驗(yàn)，以確保各種工況下短路故障時(shí)保護(hù)裝置可以正常動(dòng)作。直流的短路保護(hù)可以采取常規(guī)的保護(hù)方案，即設(shè)置大電流脫扣保護(hù)、di/dt+ΔI保護(hù)、逆流保護(hù)等。但在采用雙向變流器后，由于功率的雙向流動(dòng)，傳統(tǒng)的逆流保護(hù)需要引入雙向變流裝置的工作模式，作為逆流動(dòng)作的判別條件。同時(shí)，大電流脫扣保護(hù)也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整為雙向保護(hù)。

5 方案對(duì)比

綜合上述技術(shù)分析，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，3種方案的綜合對(duì)比如表6所示。方案1設(shè)置較為冗余，全線設(shè)置該方案的經(jīng)濟(jì)性較差，且需要單獨(dú)設(shè)置雙向變流裝置房間，增加土建面積；方案2土建面積和投資都較少，經(jīng)濟(jì)性好，但需要著重考慮二極管整流機(jī)組諧波對(duì)主變電所的影響，該方案下建議采用雙向變流裝置優(yōu)先工作的控制策略；方案3則是完全由雙向變流裝置取代傳統(tǒng)二極管整流機(jī)組，技術(shù)性能方面最優(yōu)，但投資造價(jià)最高。此外，IGBT等電力電子元件的可靠性及使用壽命相較傳統(tǒng)二極管也稍差，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，該方案是未來主流研究和發(fā)展方向。

表6 3種方案對(duì)比Table 6 Comparison of the three schemes

6 結(jié)論

本文對(duì)地鐵供電系統(tǒng)中雙向變流裝置的設(shè)置方案進(jìn)行分析，提出3種雙向變流裝置和二極管整流機(jī)組組合設(shè)計(jì)方案，針對(duì)3種方案的設(shè)備功率、協(xié)同控制策略、諧波影響和保護(hù)配置方案均作了分析，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和土建面積進(jìn)行綜合對(duì)比，可得出如下結(jié)論：

1) 3種方案均可以滿足地鐵供電系統(tǒng)中對(duì)牽引和制動(dòng)能量反饋的要求，方案的選擇應(yīng)結(jié)合投資、可靠性以及當(dāng)?shù)貥I(yè)主的需求綜合考慮。

2) 整流機(jī)組和雙向變流裝置的控制策略選擇應(yīng)結(jié)合設(shè)備容量、牽引網(wǎng)穩(wěn)壓、諧波含量等技術(shù)需求進(jìn)行綜合分析確定。針對(duì)方案 2，推薦采用雙向變流裝置優(yōu)先工作的控制策略。

3) 采用雙向變流裝置后，由于變壓器的阻抗電壓百分比增大，中壓交流側(cè)可設(shè)置低電壓閉鎖的過電流保護(hù)，提高保護(hù)的靈敏度。直流側(cè)的短路保護(hù)可沿用傳統(tǒng)方案，但需要針對(duì)不同工況下的短路電流值進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)需要注意功率雙向流動(dòng)的影響。