雙向變流裝置在城市軌道交通的應(yīng)用探討

深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 朱 玲

地鐵和傳統(tǒng)鐵路系統(tǒng)主要不同點(diǎn)為地鐵站間距短、列車提速快、制動(dòng)快、啟動(dòng)制動(dòng)切換頻繁。目前國(guó)內(nèi)地鐵均采用的是接觸網(wǎng)（軌）直流供電，牽引系統(tǒng)為變壓變頻交流傳動(dòng)系統(tǒng)。牽引時(shí)列車從接觸網(wǎng)（軌）吸收能量，制動(dòng)時(shí)則首先啟動(dòng)采用電制動(dòng)系統(tǒng)，將制動(dòng)能量反饋回接觸網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)壓升高到一定值時(shí)，電阻制動(dòng)系統(tǒng)和閘瓦制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)。目前常見的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)是通過城市主變電所引入高壓電源將其降壓至35kV交流電壓，通過整流變壓器、整流機(jī)組、直流開關(guān)柜，給接觸網(wǎng)（軌）提供直流電源。

傳統(tǒng)的軌交牽引供電系統(tǒng)未考慮列車制動(dòng)能量的吸收與利用，通過電阻消耗這部分能量或者是采用閘瓦制動(dòng)，采用這兩種方式均會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，大量熱量排入隧道，導(dǎo)致隧道和車站內(nèi)的溫度升高；同時(shí)，閘瓦制動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，增加了環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)和運(yùn)營(yíng)成本，形成惡性循環(huán)，帶來新的能源浪費(fèi)。

針對(duì)上述問題，全國(guó)地鐵已經(jīng)開始廣泛采用不同類型的再生回饋吸收裝置回收這部分再生能量。但由于能饋裝置在地鐵工程中應(yīng)用時(shí)間較短，地鐵公司未重視挖掘能饋裝置在無功補(bǔ)償及穩(wěn)壓方面的應(yīng)用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍缺乏能饋裝置與軌道交通供電系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)性的考量，導(dǎo)致該裝置在有效回收列車的制動(dòng)能量的同時(shí)，卻仍存在以下問題：占用了較大的房間面積，對(duì)地鐵站有限的空間利用較不友好；未改善列車啟動(dòng)時(shí)直流網(wǎng)壓下降、供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低等問題。全功率雙向變流裝置可實(shí)現(xiàn)在滿足使用要求的前提下，減少占地空間、減少建設(shè)投資，更為經(jīng)濟(jì)合理地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的二次利用，并提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量[1]。

1 組合式雙向變流裝置應(yīng)用研究

1.1 雙向變流裝置主要原理

全功率可控整流裝置采用PWM變流技術(shù)，變流裝置具有四象限運(yùn)行特性，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，即：在實(shí)現(xiàn)城市軌道交通列車牽引供電功能同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)城市軌道交通列車制動(dòng)能量吸收。由于變流裝置采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行，即：功率因數(shù)為1的運(yùn)行方式。同理，由于變流裝置采用了矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有功分量、無功分量獨(dú)立控制，因而可利用變流裝置進(jìn)行無功功率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償功能。雙向變流裝置由直流控制柜、變流柜1、2構(gòu)成，整個(gè)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)柜體結(jié)構(gòu)，柜體內(nèi)部件采用模塊化設(shè)計(jì)，柜體間連線及模塊間連線采用主電路與控制電路接線分離、交叉原則，重要控制電纜（如PWM信號(hào)線）采用光纖，使裝置具有極強(qiáng)的抗干擾能力。

雙向變流裝置可在取代整流機(jī)組，實(shí)現(xiàn)整流功能的同時(shí)兼顧實(shí)現(xiàn)逆變回饋、無功補(bǔ)償?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)直流牽引供電系統(tǒng)柔性牽引供電，同時(shí)減少變電所的設(shè)備數(shù)量和占地面積[2]。

1.2 雙向變流裝置主要功能

回饋電能。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋到直流牽引網(wǎng)上，由鄰車吸收，無法吸收的電能通過回饋裝置返回到中壓交流電網(wǎng)，供車站其他負(fù)荷使用；穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓。在列車制動(dòng)時(shí)將多余的再生制動(dòng)能量反饋回交流中壓電網(wǎng)，在列車牽引時(shí)與變電所牽引整流機(jī)組共同為列車提供能量。根據(jù)已進(jìn)行局部試用的國(guó)內(nèi)某地鐵項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果，雙向變流器不工作情況下，列車加速時(shí)和列車制動(dòng)時(shí)直流電壓至少有200V的波動(dòng)范圍。雙向變流器工作于穩(wěn)壓模式時(shí)列車加速和制動(dòng)的直流電壓波動(dòng)僅為15V左右；無功補(bǔ)償功能。城軌供電系統(tǒng)線路負(fù)荷率低時(shí)，如夜間收車后，中壓環(huán)網(wǎng)電纜容性無功造成系統(tǒng)功率因數(shù)非常低，本系統(tǒng)可作為無功發(fā)生器使用，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低或取消110kV主變電所SVG無功補(bǔ)償裝置容量。

1.3 組合式雙向變流裝置應(yīng)用研究

目前獨(dú)立整流和能饋回路是市場(chǎng)上的主流方案，其中整流系統(tǒng)由整流變廠家集成整流器供地鐵客戶，能饋系統(tǒng)由能饋廠家集成能饋供地鐵客戶。整個(gè)系統(tǒng)被劃分為整流和能饋兩個(gè)子系統(tǒng)，存在如下短板：系統(tǒng)集成度不高，設(shè)備占地面積大、設(shè)備投資高，需要兩臺(tái)變壓器及前后級(jí)開關(guān)；兩個(gè)不同的系統(tǒng)，整流器和能饋?zhàn)兞髌髋浜喜环€(wěn)定，如DC短路電流分配、存在環(huán)流等問題；客戶系統(tǒng)運(yùn)維、故障定位等涉及眾多廠家。針對(duì)傳統(tǒng)的軌交牽引供電系統(tǒng)存在的問題，組合式雙向變流裝置僅使用1套組合變壓器即實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量逆變回饋、牽引整流和35kV系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)裙δ?，與目前地鐵常規(guī)的整流變+整流器、能饋?zhàn)?能饋?zhàn)兞髌鞯姆桨赶啾龋痉桨腹?jié)省了1臺(tái)變壓器、1臺(tái)35kV開關(guān)柜，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和占用空間優(yōu)勢(shì)（圖1）。

圖1 新型組合變壓器型式接線圖

能饋裝置新型組合變壓器形式需進(jìn)行大容量整流/能饋四繞組牽引供電變壓器研制，重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的三繞組Dy11d0y11型變壓器，加入第四個(gè)繞組-能饋繞組，總體方案是布置35kV(HV)/1.18kV(MV)/1.18kV(TV)/1kV(LV)四個(gè)繞組，其中HV為原邊一次側(cè)繞組、MV為1.18kV（星接）整流供電繞組、LV為能饋裝置1kV饋能繞組、TV為1.18kV（角接）整流供電平衡繞組。四繞組按照LV、MV、HV、TV幅向布置，同時(shí)中、低壓側(cè)三繞組軸向分裂，同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算各繞組間阻抗，確保各繞組非設(shè)計(jì)情況下的耦合影響。該方案可實(shí)現(xiàn)能饋繞組與整流繞組的低耦合，盡可能地降低整體損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流/能饋?zhàn)儔浩鞯囊惑w化設(shè)計(jì)，有效降低了損耗和占地面積[3]。華南某地鐵在正線上試掛一套組合式雙向變流裝置。由新型組合變壓器形雙向變流裝置掛網(wǎng)運(yùn)行5天內(nèi)直流電壓波動(dòng)情況可看出，直流網(wǎng)壓基本控制在1740V以下，與裝置設(shè)置的門檻電壓相符，平均電壓在1600V左右，穩(wěn)壓效果良好。

2 全功率雙向變流裝置應(yīng)用研究

2.1 雙向變流裝置實(shí)際應(yīng)用

雙向變流裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，結(jié)合長(zhǎng)沙地鐵的雙向變流裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)研分析。

節(jié)能效果分析：長(zhǎng)沙地鐵一期工程共設(shè)置9套雙向變流型再生電能吸收利用裝置，表1記錄了全線日總回饋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，可得出全線27天的日平均回饋電能為8536度。

表1 全線日總回饋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(單位：kWh)

穩(wěn)壓效果分析：選取11.2～11.24日中23天的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到當(dāng)日牽引網(wǎng)電壓的最高值和電壓最低值。由圖2和圖3可知，裝置投入逆變后牽引網(wǎng)電壓的最高值為1760～1800V，始終不超過1800V。由此可見，在列車制動(dòng)電網(wǎng)電壓抬升時(shí)，裝置可起到較好的抑制作用，從而避免電網(wǎng)電壓抬升的過高；裝置投入整流后電網(wǎng)電壓的最低值為1520～1530V，始終不低于1520V。由此可見，在列車牽引電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，裝置可起到較好的補(bǔ)充能量的作用，從而避免電網(wǎng)電壓跌落得過低。

圖2 最高電壓曲線圖

圖3 最低電壓曲線圖

2.2 全功率雙向變流裝置容量選型探討

以某華南大型城市擬建地鐵工程為例，該線路總長(zhǎng)38.29km，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/小時(shí)，采用A型車8輛編組，共設(shè)車站23站，供電系統(tǒng)采用110/35kV兩級(jí)電壓供電方式，牽引和動(dòng)力照明共用35kV供電網(wǎng)絡(luò)，牽引供電系統(tǒng)采用DC1500V架空接觸網(wǎng)供電、走形軌回流方式。對(duì)采用2套雙向變流器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整流器+逆變器方案的可行性進(jìn)行分析研究，根據(jù)牽引供電計(jì)算，正線共設(shè)置16座牽引降壓變電所。該工程的牽引所布點(diǎn)方案如表2所示。

表2 牽引變電所間距

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)整流器的Ⅵ級(jí)負(fù)載特性要求，整流裝置應(yīng)滿足能額定負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，1.5倍額定負(fù)載運(yùn)行2小時(shí)，3倍額定負(fù)載運(yùn)營(yíng)1分鐘。由于IGBT沒有長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)載能力，如果將其作為牽引整流設(shè)備，需容量需滿足地鐵高峰小時(shí)的牽引負(fù)荷的需求。按照全線每座牽引變電所按照兩套雙向變流裝置進(jìn)行供電仿真計(jì)算，全線N-1故障情況下遠(yuǎn)期高峰小時(shí)（24對(duì)/小時(shí)）牽引負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各站牽引負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表（單位：kW）

根據(jù)供電計(jì)算，各牽引所遠(yuǎn)期高峰小時(shí)的牽引功率約為6～7kW，當(dāng)某牽引所退出運(yùn)行時(shí)，最大牽引負(fù)荷可達(dá)到約12MW。因此，采用整流機(jī)組容量為2×3300kW，利用150%過載運(yùn)行2小時(shí)，300%過載運(yùn)行1分鐘的過載能力可滿足容量需求。目前，市場(chǎng)上的能饋裝置一般峰值容量為額定容量的兩倍，且為30s/120s的運(yùn)行方式。即，采用1套額定功率1MW的能饋裝置，其最大輸出功率為2MW，持續(xù)工作時(shí)間為30s、間歇120s。因此，如果雙向變流裝置想達(dá)到與整流機(jī)組同等容量，則雙向變流裝置需選取2×6MW的容量。但目前國(guó)內(nèi)主流廠家普遍認(rèn)為6MW的雙向變流裝置理論技術(shù)是可行，但無實(shí)際生產(chǎn)、供貨業(yè)績(jī)，也缺乏相應(yīng)的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范和型式試驗(yàn)報(bào)告，對(duì)后續(xù)的雙向變流裝置的應(yīng)用會(huì)造成一定的影響。

綜上，全功率雙向變流裝置可集成整流、逆變以及無功補(bǔ)償功能，具有使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少設(shè)備接口等優(yōu)點(diǎn)。但由于大功率的雙向變流裝置采購成本高，總體投資成本更大，國(guó)內(nèi)地鐵工程尚無大規(guī)模采用全功率雙向變流裝置取代整流機(jī)組的應(yīng)用案例，無法判斷設(shè)備大規(guī)模投入運(yùn)行后，其系統(tǒng)兼容性及運(yùn)行可靠性。建議選取一個(gè)試驗(yàn)站，在不取消整流機(jī)組的前提下，增設(shè)兩套6M的雙向變流裝置，用于試驗(yàn)全功率雙向變流裝置的運(yùn)行效果，為后續(xù)雙向變流在地鐵中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。