雙向變流技術(shù)在軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用*

陳 昕 楊立新 王財華 張海波

(1.紹興柯橋區(qū)軌道交通集團(tuán)有限公司， 310200， 紹興；2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司， 300308， 天津∥第一作者， 高級工程師)

目前，我國新建的城市軌道交通工程逐步開始采用地面列車制動能量吸收裝置的方案，即在原有牽引整流機組構(gòu)架下，增設(shè)1套再生電能吸收裝置，通過由全控電力電子器件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)組成的變流裝置，將大部分列車制動能量返回中壓環(huán)網(wǎng)，使再生電能得以有效利用[1]。目前，國內(nèi)主流廠商可提供額定功率為1.5 MW、短時容量為3 MW左右的回饋裝置，若再增加容量，則通常采用并柜的配套方案。國內(nèi)多條線路均采用類似構(gòu)成的再生電能吸收裝置方案，其現(xiàn)場運行狀況良好[2]。

由IGBT構(gòu)成的變流裝置本身具備四象限工作能力，其能量可自然雙向流動，從工作原理上具備替代二極管整流機組的條件。目前，普遍采用的再生電能吸收裝置均具備雙向變流的功能，只是在系統(tǒng)應(yīng)用中只開放了其中逆變的功能[3]。要實現(xiàn)列車運行時的能量傳遞，全控整流裝置還應(yīng)具備和原二級管整流機組相同的容量、過載能力和短路耐受能力。無論是二極管整流還是IGBT全控整流，全控整流裝置的牽引負(fù)荷沒有發(fā)生變化。因此，牽引機組應(yīng)能滿足同樣的負(fù)荷承載能力，即滿足國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 60146中Ⅵ級負(fù)荷的要求，還需降低整體損耗、優(yōu)化節(jié)能指標(biāo)及改善供電環(huán)境[4]。本文將具備牽引供電短時過載3倍的雙向變流功率輸出能力，定義為大功率雙向變流技術(shù)，以區(qū)別于僅開放牽引功率輸出但并未達(dá)到IEC 60146中Ⅵ級負(fù)荷要求的一般逆變回饋技術(shù)。

1 雙向變流裝置技術(shù)特征

如圖1所示，在日本筑波快線項目中大功率雙向變流裝置取得了良好的應(yīng)用效果[5]。雙向變流機組的回饋能力遠(yuǎn)高于現(xiàn)有再生電能吸收裝置的容量，可完全吸收制動峰值功率。雙向變流機組具備如圖2所示的功能特性。

注：PWM為脈(沖)寬(度)調(diào)制。圖1 大功率雙向變流裝置構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of large power bidirectionalconverter device

注：Udc為雙向變流裝置直流側(cè)電壓；Umax和Umin分別為其能夠達(dá)到的最大和最小電壓；UN為額定電壓；Idc為雙向變流裝置直流側(cè)電流，Id，max和Id，min分別為雙向變流裝置可達(dá)到的最大和最小電流。

由于雙向變流裝置采用IGBT，過載能力有限，因此達(dá)到最大電流后可認(rèn)為雙向變流裝置將處于恒電流運行狀態(tài)。其優(yōu)點如下：

1) 牽引網(wǎng)網(wǎng)壓平穩(wěn)。無論是在整流還是逆變工作狀態(tài)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓均可穩(wěn)定在設(shè)定電壓[6]。在峰值功率輸出或制動能量回饋時，輸出電壓與設(shè)定值保持一致，能為列車牽引系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)提供了良好的供電支撐，同時可降低安全隱患?？山档涂鐓^(qū)間電流，進(jìn)而可顯著降低雜散電流對剛軌電位的影響[7-9]。

2) 減少線路損耗。由于牽引網(wǎng)網(wǎng)壓可控且平穩(wěn)，牽引和回饋電能基本上由近端牽引變電所輸出和回饋，減少了直流牽引系統(tǒng)能量越區(qū)傳輸和相關(guān)的能量傳輸損耗，同時通過合理設(shè)定運行電壓，也可減小由牽引負(fù)荷引起的線路損耗。

3) 供電兼容得到改善。由于全控型整流裝置的交直流解耦特性，使得雙向變流設(shè)備對網(wǎng)側(cè)交流電壓波動具有寬范圍適應(yīng)區(qū)間，交流電壓在±15%的波動區(qū)間內(nèi)可保持直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定不受影響，同時減少了地方電網(wǎng)波動對供電系統(tǒng)的影響。

4) 提高了安全性。對比傳統(tǒng)的整流機組在大雙邊供電時電壓降落嚴(yán)重的情況，雙向變流設(shè)備電壓在大雙邊供電時，可穩(wěn)定網(wǎng)壓，從而提高接觸網(wǎng)末端電壓，即提高了供電能力，保證了直流牽引供電系統(tǒng)正常運行。

5) 使核心設(shè)備可控。作為核心供電設(shè)備，對比整流機組，雙向變流裝置輸出電壓、功率大小和流向均可控，可顯著提高系統(tǒng)的信息化和智能化程度，為提高供電系統(tǒng)的安全和效率提供了有力的保證。

綜上可見，雙向變流技術(shù)可以優(yōu)化解決傳統(tǒng)整流技術(shù)存在的無法穩(wěn)定電壓、造成電網(wǎng)波動較大等問題，同時提高了設(shè)備的使用率，減少了牽引和回饋設(shè)備的中間環(huán)節(jié)。

2 雙向變流裝置仿真計算

仿真平臺中可針對直流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行解析，自動構(gòu)建直流潮流求解的矩陣模型。直流供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方程是線性方程組，網(wǎng)絡(luò)方程的建立和求解均可通過矩陣運算完成。城市軌道交通供電系統(tǒng)的主變電所、中壓環(huán)網(wǎng)、車站級牽引變電所及降壓變電所等可通過建模進(jìn)行交流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算。其中，交流供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算可認(rèn)為是引入牽引變電所功率模型的廣義的潮流計算，求解各節(jié)點功率平衡方程組和附加修正方程組?？赏ㄟ^高斯賽德爾法或牛頓拉夫遜法進(jìn)行非線性方程組求解[10]。

雙向變流裝置換流器模型示意圖見圖3。采用電壓源換流器VSC(關(guān)鍵監(jiān)督控制)模型，具有全控型電力電子器件、電壓源換流器和PWM等3大技術(shù)特點，可實現(xiàn)有功和無功的獨立控制，且不會發(fā)生換相失敗。

由于VSC換流單元等效電阻較小，遠(yuǎn)小于換流電抗，可得換流單元傳輸?shù)挠泄β手饕Q于相角差，傳輸?shù)臒o功功率則主要取決于換流器輸入節(jié)點電壓幅值。可通過改變δi和Usi，來實現(xiàn)所傳輸有功功率和無功功率的大小和方向在可控范圍內(nèi)的任意改變，即四象限內(nèi)可控。

注：Usi∠θsi為交流母線節(jié)點電壓；Uci∠θci為變流器輸入節(jié)點電壓；Ri、Xi為換流器等效電阻和電抗；Psi、Qsi為交流節(jié)點有功和無功功率;Pci、Qci為流入變流器功率；δi為Uci∠θci與Usi∠θs的相角差；Mi為調(diào)制度；Ii為流過換流變壓器的電流；Idi為直流側(cè)進(jìn)線節(jié)點電流。

bidirectional converter device

(1)

通過交替迭代方式對直流側(cè)、交流側(cè)網(wǎng)絡(luò)方程組和換流器系統(tǒng)方程組聯(lián)立求解，實現(xiàn)交直流一體化供電計算。

3 杭州至紹興城際鐵路工程雙向變流裝置應(yīng)用案例

3.1 工程背景

在杭州至紹興城際鐵路工程(簡稱“杭紹線”)原設(shè)計中，僅在楊汛橋站牽引變電所和錢清站牽引變電所內(nèi)分別設(shè)置了1套能饋式再生電能吸收裝置，如圖4所示。然而，杭紹線需要與之后建設(shè)的紹興地鐵1號線實現(xiàn)過軌聯(lián)運，且紹興地鐵1號線牽引變電所均安裝有再生電能吸收裝置，而杭紹線沒有足夠容量來完整吸收全線列車產(chǎn)生的再生電能。可見，若不增加杭紹線再生電能吸收裝置的數(shù)量，

圖4 杭紹線工程雙向變流裝置原設(shè)計方案Fig.4 Original design scheme of bidirectional converter device for Hangzhou-Shaoxing intercity railway project

則無法解決杭紹線與紹興1號線列車過軌聯(lián)運帶來的車輛制動問題。

若采用紹興地鐵1號線的設(shè)置原則，杭紹線將增加2 100萬元的再生電能吸收裝置的投資費用。為盡量避免重大投資變化和有關(guān)變更，擬定優(yōu)化方案以初步設(shè)計概算為總體限額設(shè)計的約束條件，對杭紹線有關(guān)牽引供電設(shè)備的設(shè)置方案進(jìn)行調(diào)整，即選用雙向變流技術(shù)，采用2套整流機組+1套雙向變流器方案(簡稱“2+1供電模式”)。優(yōu)化后的方案概算投資不超過初步設(shè)計的限額條件。

3.2 優(yōu)化后方案

雙向變流器的一大優(yōu)點是外特性相較于傳統(tǒng)不控二極管硬度更高，其內(nèi)阻在容量不超限的情況下可控制在較小范圍內(nèi)；直流輸出端電壓可穩(wěn)定在較高水平，接近理想電壓源的特性，使?fàn)恳W(wǎng)側(cè)的電壓相對平穩(wěn)，提升了正向牽引供電能力?；陔p向變流器的特點，牽引變電所分布優(yōu)化方案可減少了1座牽引變電所，進(jìn)而把節(jié)省下來的投資用于替換和增補在其他牽引所內(nèi)安裝的雙向變流裝置。這既可提高全線正向供電能力，又能保證反向再生電能的吸收。優(yōu)化后的方案如圖5所示。

圖5 杭紹線工程雙向變流裝置優(yōu)化后方案Fig.5 Optimized scheme of bidirectional converter device for Hangzhou-Shaoxing intercity railway project

對上述兩種方案進(jìn)行基于運行圖的牽引供電仿真計算，其中主要參數(shù)為：①4動2拖B型車，列車計算質(zhì)量為292.16×103kg(定員)，牽引功率為4 600 kW，運行速度為100 km/h；②遠(yuǎn)期高峰小時開行對數(shù)為18對/h，線路通過能力為30對/h；③牽引網(wǎng)單位阻抗：架空剛性接觸網(wǎng)的電阻率為0.014 3 Ω/km，回流走向鋼軌的電阻率為0.02 Ω/km；④雙向換流裝置額定容量為3 MW，輸出控制電壓為1 700 V等。

經(jīng)計算：采用傳統(tǒng)不控二極管整流機組時，7所方案“錢清站—西沙路站—稽山路站—笛揚路站”區(qū)段在N-1(供電系統(tǒng)中有一個變電所發(fā)生故障)故障情況下的最低牽引網(wǎng)網(wǎng)壓為1 007 V，軌電位為99 V，均滿足規(guī)范要求(但網(wǎng)壓水平接近規(guī)范要求的下限指標(biāo))；而采用可控雙向變流機組時，對應(yīng)區(qū)段的最低牽引網(wǎng)網(wǎng)壓為1 121 V，軌電位為98 V，均滿足規(guī)范要求。可見，采用整流機組+雙向變流器的優(yōu)化方案既能夠滿足與紹興1號線聯(lián)運的要求，又能不增加概算，滿足工程建設(shè)要求。目前該工程開通已近1年，牽引供電系統(tǒng)運行狀況良好。

4 結(jié)論

1) 杭紹線的優(yōu)化方案為2套整流機組+1套雙向變流器方案，二極管參與熱備用工作狀態(tài)。正常工況下，牽引功率輸出以雙向變流機組為主，僅在其故障狀態(tài)下切換為二極管支援輸出功率，也就意味著二極管方案可以被雙向變流技術(shù)替代。

2) 當(dāng)傳統(tǒng)的二極管+再生能饋裝置被雙向變流技術(shù)整合替代后，牽引供電系統(tǒng)可節(jié)約可觀的投資，而且因節(jié)約土建面積對設(shè)備房間布局也有很大改善，使原有的牽引供電設(shè)備布置及一次接線更為簡單。

3) 土建、機電設(shè)備投資上的節(jié)約以及房間布局的優(yōu)化，并沒有減弱牽引供電系統(tǒng)的性能，相反能更有效地控制穩(wěn)定接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，降低軌電位帶來的不利影響，也正因為技術(shù)上的這種優(yōu)越性，才使杭紹線全線減少1座牽引所成為了可行方案。