雙向變流器在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 毛 鄭月賓 宋 雷 楊雅銀 辛紅東 何俊文 梅桂芳

(1.徐州地鐵集團(tuán)有限公司,221116,徐州; 2.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司,710075,西安;3.中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司,030024,天津; 4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢)

城市軌道交通線路普遍采用直流牽引供電方式,由二極管整流機(jī)組為列車提供供電電源。整流機(jī)組在可靠性、價(jià)格等方面優(yōu)勢(shì)明顯,但也存在無(wú)法吸收利用列車再生反饋能量、輸出直流電壓不可控等缺點(diǎn)[1]。雙向變流器采用全控型IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)器件和PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制技術(shù),具備逆變和整流雙向能量變換的能力,既可在逆變模式下吸收利用列車的再生反饋能量,也可在整流模式下為列車提供牽引能量。此外,雙向變流器還具備靈活的直流電壓調(diào)整性能。

針對(duì)二極管整流技術(shù)存在的無(wú)法吸收利用列車的再生反饋能量、輸出電壓不可控等技術(shù)問(wèn)題,本文基于雙向變流器的牽引供電技術(shù),分析了雙向變流器的運(yùn)行邏輯和控制特性,并在徐州地鐵2號(hào)線車輛段和正線分別開(kāi)展了單列車運(yùn)行試驗(yàn)和全線多列車運(yùn)行試驗(yàn),測(cè)試了雙向變流器獨(dú)立供電、雙向變流器與二極管整流機(jī)組混合供電工況下的列車運(yùn)行性能指標(biāo)和雙向變流器性能指標(biāo)。本文研究驗(yàn)證了將雙向變流供電技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的可行性,可為城市軌道交通牽引供電技術(shù)的發(fā)展提供新的技術(shù)指導(dǎo)和解決思路。

1 雙向變流器工作原理

1.1 主電路拓?fù)?/h3>

雙向變流器主要由直流母線電容、逆變橋、濾波器組成。直流母線電容用于維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,6個(gè)IGBT組成三相逆變橋,通過(guò)不同的導(dǎo)通時(shí)序和脈沖寬度控制輸出功率的流向和大小。LCL型濾波器用于濾除輸出電流的諧波。

1.2 運(yùn)行邏輯

雙向變流器通過(guò)檢測(cè)和判斷直流電壓來(lái)決定運(yùn)行模式:當(dāng)直流電壓低于牽引啟動(dòng)電壓時(shí),雙向變流器進(jìn)入整流運(yùn)行模式;當(dāng)直流電壓高于回饋啟動(dòng)電壓時(shí),雙向變流器進(jìn)入逆變運(yùn)行模式[2]。

通過(guò)控制逆變橋口的電壓矢量實(shí)現(xiàn)整流模式和逆變模式的切換,同時(shí)逆變橋口的電壓矢量還可間接控制交流側(cè)電流的幅值和相位。當(dāng)雙向變流器整流運(yùn)行時(shí),交流電流與電網(wǎng)電壓同相位;當(dāng)雙向變流器逆變運(yùn)行時(shí),交流電流與網(wǎng)壓反相位;當(dāng)雙向變流器補(bǔ)充無(wú)功功率時(shí),交流電流滯后(感性)或超前(容性)電網(wǎng)電壓90°。

2 雙向變流器控制特性

2.1 變電所主接線

徐州地鐵2號(hào)線全長(zhǎng)24.15 km,全線共設(shè)車站20座,其中牽混所10座。每個(gè)牽混所設(shè)置2套整流機(jī)組和1套雙向變流裝置。雙向變流裝置的交流側(cè)通過(guò)35 kV中壓開(kāi)關(guān)柜連接到整流機(jī)組同段35 kV 母線,直流側(cè)通過(guò)1 500 V開(kāi)關(guān)柜連接到1 500 V母線[3]。

整流機(jī)組的額定容量為2×2 200 kW,具備150%過(guò)載運(yùn)行2 h,300%過(guò)載運(yùn)行1 min的能力;雙向變流裝置的額定容量為2 000 kW,具備150%過(guò)載運(yùn)行2 h,250%過(guò)載運(yùn)行1 min的能力。雙向變流裝置既可以僅作為逆變器運(yùn)行在回饋模式,也可以作為雙向變流器運(yùn)行在牽引回饋雙向模式。根據(jù)整流機(jī)組的投入和退出情況,雙向變流裝置可分為獨(dú)立供電和混合供電兩種控制特性。

2.2 獨(dú)立供電模式下的外特性

當(dāng)所有牽混所的整流機(jī)組退出,雙向變流裝置獨(dú)立供電時(shí),雙向變流器的外特性曲線如圖1所示。整流段采用下垂控制,以實(shí)現(xiàn)相鄰牽混所之間功率的均衡分配;逆變段采用恒壓控制,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓的穩(wěn)定控制[4]。外特性曲線ABC段:當(dāng)列車惰行時(shí),雙向變流器處于空載狀態(tài),其直流電壓為Udo(對(duì)應(yīng)圖1曲線上的C點(diǎn));當(dāng)列車制動(dòng)時(shí),雙向變流器的直流電壓有所升高,再生反饋能量?jī)?yōu)先被鄰近的列車吸收利用(對(duì)應(yīng)圖1曲線上的C→B段);多余的再生能量使雙向變流器的直流電壓繼續(xù)升高,當(dāng)達(dá)到逆變啟動(dòng)電壓Uinv時(shí),雙向變流器進(jìn)入逆變模式,在容量范圍內(nèi)保持直流電壓恒定(對(duì)應(yīng)圖1曲線上的B→A段)。特性曲線CD段:當(dāng)列車牽引運(yùn)行時(shí),雙向變流器進(jìn)入整流模式,整流輸出功率越大,直流電壓越低(對(duì)應(yīng)圖1曲線上的C→D段)。

注:Udc為雙向變流器直流電壓;Uinv為逆變啟動(dòng)電壓;Udo為雙向變流器空載電壓;I為變流器輸出的直流電流;A、B、C、D為雙向變流器最大逆變電流點(diǎn)、空載至逆變狀態(tài)切換點(diǎn)、空載至整流狀態(tài)切換點(diǎn)、最大整流電流點(diǎn)。

2.3 混合供電模式下的外特性

當(dāng)部分牽混所的整流機(jī)組退出,雙向變流裝置與未退出的整流機(jī)組構(gòu)成混合供電時(shí),雙向變流器的外特性曲線如圖2所示。整流段采用分段下垂控制,其下垂斜率與整流機(jī)組相同,以使雙向變流器承擔(dān)與原整流機(jī)組相同的牽引功率。逆變段采用恒壓控制,以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓的穩(wěn)定控制。外特性曲線ABC段:ABC段特性與獨(dú)立供電模式下的外特性完全相同。外特性曲線CED段:CED段特性的下垂斜率與整流機(jī)組相同,CE段下垂斜率為15%,ED段下垂斜率為3%[5]。

注:E為整流斜率切換點(diǎn)。

在獨(dú)立供電和混合供電兩種模式下,雙向變流器Udo的整定范圍為1 500～1 650 V,逆變啟動(dòng)電壓Uinv的整定范圍為1 650～1 800 V,逆變電壓?jiǎn)?dòng)值的整定需要結(jié)合列車再生能量被相鄰車的吸收比例、列車閘瓦制動(dòng)情況來(lái)綜合考慮。當(dāng)雙向變流器獨(dú)立供電運(yùn)行時(shí),其下垂斜率整定范圍為0～3%,可根據(jù)運(yùn)行需要進(jìn)行調(diào)整。

3 單列車試驗(yàn)

在徐州地鐵2號(hào)線車輛段試車線進(jìn)行單列車試驗(yàn)。在AW0(空載)條件下,分別測(cè)試了雙向變流器在獨(dú)立供電、混合供電兩種模式下的電氣性能。

3.1 列車參數(shù)

徐州地鐵2號(hào)線列車采用6節(jié)編組(4動(dòng)2拖,B2型車),列車最高運(yùn)行速度為80 km/h,空車質(zhì)量為206 t。列車采用輕量化設(shè)計(jì),取消了全部車載電阻配置,依靠地面雙向變流裝置吸收多余制動(dòng)功率。當(dāng)列車直流電壓高于1 880 V時(shí),空氣制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)投入。

列車的牽引特性:當(dāng)列車運(yùn)行速度為0～57 km/h時(shí),列車采用恒轉(zhuǎn)矩控制,牽引力恒定為244 kN;當(dāng)列車運(yùn)行速度為57～80 km/h時(shí),列車采用自然特性控制。列車的制動(dòng)特性:當(dāng)列車運(yùn)行速度為80～5 km/h時(shí),列車采用恒轉(zhuǎn)矩控制,制動(dòng)力恒定為232 kN;當(dāng)列車運(yùn)行速度小于5 km/h時(shí),列車采用空氣制動(dòng)。

根據(jù)牽引特性計(jì)算的列車最大牽引功率為4 293 kW;根據(jù)制動(dòng)特性計(jì)算的列車最大制動(dòng)功率為4 640 kW。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)效率取為0.9。雙向變流器的峰值功率為5 000 kW,能夠滿足AW0條件下,單列車運(yùn)行速度為80 km/h、100%牽引及制動(dòng)工況的試驗(yàn)配合要求。

3.2 獨(dú)立供電模式

車輛段的2套整流機(jī)組退出運(yùn)行,雙向變流裝置運(yùn)行在牽引回饋雙向模式,試車線上僅保留1列試驗(yàn)列車。雙向變流器的空載電壓設(shè)為1 650 V,下垂斜率設(shè)為0,逆變啟動(dòng)電壓設(shè)為1 720 V,對(duì)運(yùn)行速度為80 km/h的單列車進(jìn)行100%牽引及制動(dòng)工況試驗(yàn)。

獨(dú)立供電模式下的列車牽引及制動(dòng)測(cè)試參數(shù)如表1所示。雙向變流器的容量能夠滿足列車的最大牽引、制動(dòng)功率要求,列車最低網(wǎng)壓為1 581 V,最高網(wǎng)壓為1 771 V。在牽引及制動(dòng)工況下,雙向變流器的電流諧波分別為2.2%、1.7%,功率因數(shù)均為0.99。在試驗(yàn)過(guò)程中,雙向變流器的整流/逆變模式能夠與列車的牽引/制動(dòng)工況自動(dòng)適應(yīng),模式切換平滑穩(wěn)定,列車運(yùn)行平穩(wěn)。

表1 獨(dú)立供電模式下列車牽引及制動(dòng)測(cè)試參數(shù)

3.3 混合供電模式

車輛段的2套整流機(jī)組投入運(yùn)行,雙向變流器運(yùn)行在牽引回饋雙向模式,空載電壓設(shè)為1 650 V,逆變啟動(dòng)電壓設(shè)為1 720 V,對(duì)運(yùn)行速度為80 km/h的單列車進(jìn)行100%牽引及制動(dòng)工況試驗(yàn)。

混合供電模式下的列車牽引及制動(dòng)測(cè)試參數(shù)如表2所示。列車最低網(wǎng)壓為1 505 V,最高網(wǎng)壓為1 767 V,雙向變流器的最大整流功率為2 400 kW,整流機(jī)組的最大整流功率為2 050 kW。在試驗(yàn)過(guò)程中,雙向變流器的整流/逆變模式能夠與列車的牽引/制動(dòng)工況自動(dòng)適應(yīng),模式切換平滑穩(wěn)定,列車運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)列車處于牽引模式時(shí),雙向變流器與整流機(jī)組共同向列車供電;當(dāng)列車處于制動(dòng)模式時(shí),雙向變流器自動(dòng)切換到逆變模式,切換過(guò)程平滑。

表2 混合供電模式下列車牽引及制動(dòng)測(cè)試參數(shù)

3.4 對(duì)比分析

分別對(duì)比了雙向變流裝置獨(dú)立供電、雙向變流裝置與整流機(jī)組混合供電、整流機(jī)組供電3種模式下的列車網(wǎng)壓情況,如圖3所示。當(dāng)整流機(jī)組供電時(shí),列車最低網(wǎng)壓為1 460 V;當(dāng)雙向變流裝置與整流機(jī)組混合供電時(shí),列車最低網(wǎng)壓為1 505 V;當(dāng)雙向變流裝置獨(dú)立供電時(shí),列車最低網(wǎng)壓為1 581 V。由此可知,采用雙向變流器能夠有效提高牽引網(wǎng)的最低電壓。

圖3 3種供電模式下的列車網(wǎng)壓對(duì)比

4 全線試驗(yàn)

在徐州地鐵2號(hào)線正線上進(jìn)行全線試驗(yàn),上線列車數(shù)量為12列,行車間隔為8 min 45 s,在列車正常運(yùn)行情況下,開(kāi)展雙向變流器獨(dú)立供電和混合供電兩種模式下的試驗(yàn)。

4.1 獨(dú)立供電模式

全線各牽混所的整流機(jī)組退出運(yùn)行,雙向變流器運(yùn)行在牽引回饋雙向模式,空載電壓設(shè)為1 650 V。為了提高相鄰牽混所之間牽引功率的均衡度,將雙向變流器的下垂斜率設(shè)為3%。為了提高再生能量被相鄰列車吸收的比例,將逆變啟動(dòng)電壓設(shè)為1 750 V。

獨(dú)立供電模式下徐州地鐵2號(hào)線各牽混所最大牽引功率及最低直流電壓如表3所示。徐州地鐵2號(hào)線全線各牽混所的牽引功率分布較為均衡,線路北段(客運(yùn)北站站—科技城站)的最大平均牽引功率為1 387 kW,線路南段(大龍湖站—新城區(qū)東站)的最大平均牽引功率為3 355 kW。各牽混所的電壓控制效果較好,全線牽混所的最低直流電壓為1 572 V。獨(dú)立供電模式下的列車網(wǎng)壓及運(yùn)行速度曲線如圖4所示。列車的網(wǎng)壓波動(dòng)較小,最低網(wǎng)壓為1 557 V,最高網(wǎng)壓為1 750 V。

表3 獨(dú)立供電模式下徐州地鐵2號(hào)線各牽混所最大牽引功率及最低直流電壓

圖4 獨(dú)立供電模式下的列車網(wǎng)壓及運(yùn)行速度曲線

4.2 混合供電模式

客運(yùn)北站站、九龍湖站、中心醫(yī)院站、百果園站、漢源大道站1#及2#整流機(jī)組退出運(yùn)行,其余5個(gè)站1#及2#整流機(jī)組投入運(yùn)行。全線雙向變流裝置運(yùn)行在牽引回饋雙向模式,空載電壓設(shè)為1 650 V。為了提高再生能量被相鄰列車吸收的比例,逆變啟動(dòng)電壓設(shè)為1 750 V。

混合供電模式下徐州地鐵2號(hào)線各牽混所最大牽引功率及最低直流電壓如表4所示。徐州地鐵2號(hào)線各牽混所的電壓控制效果較好,全線牽混所的最低網(wǎng)壓為1 586 V。混合供電模式下的列車網(wǎng)壓及運(yùn)行速度曲線如圖5所示。列車的網(wǎng)壓波動(dòng)較小,最低網(wǎng)壓為1 562 V,最高網(wǎng)壓為1 759 V。

圖5 混合供電模式下的列車網(wǎng)壓及運(yùn)行速度曲線

4.3 對(duì)比分析

為了驗(yàn)證雙向變流器穩(wěn)定網(wǎng)壓效果,測(cè)試了雙向變流器僅逆變運(yùn)行,整流機(jī)組供電時(shí)的列車網(wǎng)壓,將其結(jié)果作為試驗(yàn)對(duì)照組。整流機(jī)組供電下的列車網(wǎng)壓及運(yùn)行速度曲線如圖6所示。該模式下,列車的網(wǎng)壓波動(dòng)較大,最低網(wǎng)壓為1 487 V,最高網(wǎng)壓為1 769 V。

圖6 整流機(jī)組供電下的列車網(wǎng)壓及運(yùn)行速度曲線

綜上所述,本文通過(guò)正線全線試驗(yàn),驗(yàn)證了雙向變流器在穩(wěn)定列車網(wǎng)壓方面的效果。雙向變流器可將列車網(wǎng)壓提高至1 500 V以上,能夠顯著改善列車的牽引性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于雙向變流器在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用,介紹了雙向變流器的主電路拓?fù)?分析了其運(yùn)行邏輯和控制特性,提出了雙向變流器獨(dú)立供電和混合供電兩種模式下的控制特性,并通過(guò)單列車試驗(yàn)、正線全線試驗(yàn),驗(yàn)證了雙向變流器用于城市軌道交通列車牽引供電和再生電能吸收利用的可行性。

試驗(yàn)結(jié)果表明:① 雙向變流器可根據(jù)線路上的列車運(yùn)行情況,自動(dòng)、平滑地切換整流、逆變運(yùn)行模式,與列車的牽引/制動(dòng)工況自動(dòng)適應(yīng),列車運(yùn)行平穩(wěn);② 采用雙向變流供電顯著改善了列車網(wǎng)壓的波動(dòng),避免了列車網(wǎng)壓低于1 500 V的情況,能夠顯著改善列車的牽引特性。