城市轨道交通牵引变电所主结线方案研究*

李鲲鹏史海欧刘 炜李群湛

（1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州；2.西南交通大学电气工程学院，610031，成都∥第一作者，高级工程师）

城市轨道交通牵引变电所主结线方案研究*

李鲲鹏1，2史海欧1刘 炜2李群湛2

（1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州；2.西南交通大学电气工程学院，610031，成都∥第一作者，高级工程师）

城市轨道交通直流牵引供电系统中用电和发电同时存在，其负荷属于典型的脉冲大功率负荷，其牵引变电所应至少具有整流、功率平衡和牵引网电压控制3种基本功能。依据功能需求决定主结线方案的基本原则。综合技术经济因素分析比较了几种典型主结线方案，给出了2种性能优良和经济适用的牵引变电所主结线方案。鉴于目前大功率功率控制器件和储能介质的发展水平，综合技术经济因素，牵引变电所宜采用多重化二极管整流与逆变回馈或者储能装置组合的主结线方案。

城市轨道交通；牵引变电所；主结线方案；再生制动；逆变回馈

First-author's address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

目前，城市轨道交通牵引供电系统普遍采用的DC 1 500 V供电制式，根据牵引负荷要求需在线路沿线设置牵引变电所。牵引变电所将工频三相AC 10 k V或者35 k V（33 k V）整流为标称电压DC 1 500 V，向在线运行列车提供持续稳定的直流电。由于交流传动系统的广泛采用，列车负荷具有电动机和发电机的双重性，使得直流牵引供电系统有别于传统的配电网络，存在电能的双向流动，因此需要同时控制功率平衡和牵引网电压。

传统的牵引变电所一般仅扮演电能提供者的角色，即将交流电整流为直流电并提供给牵引网，其牵引网电压控制功能由车载制动电阻负责。随着变流和储能技术的发展，以及列车牵引节能的迫切需要，取消车载制动电阻以减轻车辆质量、从系统运行角度实现列车再生制动电能的综合利用，是直流牵引供电系统研究和工程实践的重要方向之一。因此，牵引变电所的功能应由单一的整流功能逐步向功率平衡和牵引网电压控制功能扩充，其主结线方案也应做相应重构。

1　牵引变电所基本功能

在城市轨道交通直流牵引供电系统中，用电与发电同时存在，且存在不确定性，其日负荷特征属于典型脉冲大功率负荷［1］。牵引变电所除了具有能够将三相交流电整流为直流电，为列车牵引运行提供稳定电能的基本功能之外，还应具有吸收直流牵引网中的富余电能以及控制直流牵引网电压满足列车再生电制动需要的功能。

1.1功率平衡控制

为保障牵引电网的运行安全，需要确保电功率的实时平衡。由于列车运行的不确定性和随机性，同时考虑到列车再生制动电功率大于其牵引所需的电功率，因此，直流牵引供电系统电功率客观上存在不能实时平衡的情况，并将直接导致牵引网电压升高，列车电制动失效。地铁车辆一般均配置了车载制动电阻，承担牵引供电系统功率平衡和电压控制功能；当因列车制动而使牵引网电压升高到1 800 V及以上时，将投入车载制动电阻进行功率平衡和电压控制。在探索列车牵引供电系统节能的工程实践中，部分城市出于减轻车辆质量或者受车辆结构的限制等因素的影响，开始采用取消车载制动电阻以实现节能的方案，将功率平衡功能移交给了牵引变电所。当相邻列车具有吸收条件时，制动列车产生的再生能量通过直流牵引网被相邻的处于牵引模式下的其他列车所吸收；当再生电能不能完全被其他列车所吸收时，由牵引变电所吸收牵引网中的富余电能。

1.2牵引网电压水平控制

控制牵引网电压的目的，是为了充分保障列车牵引与电制动功能的发挥，保障牵引供电设备的运行安全。根据相关设计规范［2-4，5］，直流牵引供电系统的电压水平应满足：“系统的标称电压为1 500 V，在任何运行方式下（含当1个牵引变电所在远期高峰小时故障时，其相邻牵引变电所采用越区供电方式），接触网最低持续电压不得低于1 000 V，最高持续电压不得高于1 800 V，最长持续时间5 min的最高非持续电压为1 950 V。”牵引网电压水平控制包括防止电压过低和抑制电压过高2个方面。

2　牵引变电所主结线方案

牵引变电所应具有整流、功率平衡控制和牵引网电压控制3种基本功能。直流牵引网的功率平衡控制和电压控制功能是相互关联融为一体的，它通过及时吸收牵引网中富余电能抑制牵引网电压过高，也可以作为整流功能的补充及时向牵引网提供电能，以防止牵引网电压过低。

2.1整流功能主结线方案分析

根据目前电力电子技术及其装备的发展水平，适用于城市轨道交通的变流装置主要有二极管整流装置、晶闸管变流装置和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）变流装置。三者的适用性分析详见表1。多重化二极管整流装置和IGBT变流装置的电能质量均符合系统运行要求，但二极管整流装置过载能力强，性价比高，适合脉冲大功率负荷特征；IGBT变流装置性能优良，基本不具备过载能力，性价比较差。综合技术经济比较，以整流功能为主的变流装置宜选用多重化二极管整流装置。

表1　典型变流装置在城市轨道交通供电系统中应用的适用性对比分析

2.2功率平衡和电压控制功能主结线方案分析

常规牵引变电所主结线方案如图1所示。其中，压侧采用单母线结线，电压等级为AC 35 k V（33 k V）或者AC 10 k V；直流侧为DC 1 500 V。牵引变电所除了AC 35 k V和DC 1 500 V母线之外，还有车站辅助用电系统的AC 0.4 k V母线。解决牵引网中富余电能的吸收问题的方法主要分为2类：通过存贮或者消耗等方式将牵引网富余电能控制在直流牵引供电系统中；通过逆变回馈方式将牵引网富余电能回馈至相邻交流电网。

电阻消耗型和储能型的吸收方式，是将再生电能集中在直流牵引网侧进行处理，稳定牵引网电压，不与交流电网发生电能交换。电阻消耗型和储能型两种吸收方式的DC 1 500V侧主接线方式基本一致，其主结线方案如图2所示。电阻消耗型通过将富余电能转换为热能的方式控制牵引网电压。此方案虽然能满足牵引供电系统运行要求，但是与节能环保政策相违背，一般不推荐采用。对于储能型吸收装置，当牵引网电压过高时，它从牵引网吸收电能进行存储；当牵引网电压低于标称电压或者其他整定值时，它向牵引网释放电能。储能型吸收装置不仅能够有效控制直流牵引网电压，而且还能通过对直流牵引功率平衡的控制，降低对整个城市轨道交通供电系统需用功率的要求，改善城市轨道交通用电负荷脉动性。

图1　常规牵引变电所主结线方案

图2　配置制动电阻装置的牵引变电所主结线方案

逆变回馈方式是通过变流装置将再生电能变换为交流电回馈至变电所的交流侧，供城市轨道交通供电网络中的其他负荷使用。依据逆变回馈目的地和回馈路径的不同，逆变回馈型变电所的主结线方式主要分为如表2所示的3种方案，即：逆变回馈至AC 0.4 k V侧，AC 1.18 k V侧，AC 35 k V（33 k V）侧。其主结线方案如图3～图5所示。

表2　牵引变电所主要逆变回馈方式对比分析表

牵引变电所的逆变回馈方式采用方案1时，通过理论分析和工程试验可知，由于逆变回馈瞬时功率一般大于车站辅助系统需用功率，因此必有一部分电能通过动力变压器回馈至 AC 35 k V中压侧［3］；采用方案2时，充分利用整流变压器在列车再生制动时的空闲时间实现电能的反向流动，充分利用整流变压器将电能回馈至AC 35 k V母线侧，在中压网络实现电能的二次利用；采用方案3时，不与既有整流装置直接发生关系，将再生电能回馈至变电所AC 35 k V中压母线。方案1和方案3对既有二极管整流装置系统的影响最小；方案2充分利用既有的变流设施，实现电能的反向流动，工程投资小，但对既有整流机组的运行有一定的影响。在目前逆变回馈技术和装置尚不十分成熟的背景下，本着安全可靠的原则，工程实践中一般会推荐采用方案3。但是方案1和方案3均没有充分利用整流变压器的空闲状态，反而增加了隔离升压变压器，增加了系统运行空载损耗，使得方案系统性和整体性不强。

图3　逆变回馈至AC 0.4 k V侧主结线示意图

图4　逆变回馈至AC 1.18 k V侧主结线示意图

图5　逆变回馈至AC 35 k V侧主结线示意图

方案2充分利用多重化二极管整流装置的整流功能，将不可控整流和可控变流装置并联运行，充分利用了二极管整流装置和IGBT变流装置的优点。不可控整流和可控变流装置并联运行的关键在于环流控制，是一个技术难点。其连接方案主要分为两类：一类是以ABB公司、日本明电舍公司以及国内的许继公司的方案为代表，通过变压器（双绕组变压器或者自耦变压器）电磁隔离抑制环流，但是连接装置的整体性不强；另一类是以东芝公司的方案为代表，二极管整流装置与IGBT变流装置仅通过电抗和电阻连接，通过装置之间参数匹配和控制策略抑制环流，实现了二极管整流装置和IGBT变流装置完全并联运行。后者的系统性和耦合性较好，但是系统设计和控制技术相对复杂。

3　牵引变电所理想主结线方案

理想的牵引变电所变流装置应具有较高的变换效率，交直流侧的电能质量应符合现行标准，具有功率平衡和电压控制能力，适应脉冲式大功率负荷特征，具有较低的投资和维修成本，宜具有较硬的输出电压-电流特性。

多重化24脉波二极管整流机组的特性较软，且空载电压高出标称电压100多V，不利于在线列车之间相互吸收电能。而IGBT整流机组在额定容量运行范围内具有水平的输出特性、整流和逆变双向变流功能。

基于目前电力电子装置装备水平，若牵引变电所完全采用IGBT变流装置，由于受其过载能力限制，需要配置较大额定容量，工程投资太高，不具备工程应用价值。牵引负荷属于典型的脉冲式大功率负荷特征，峰值功率是其平均功率的2～3倍。若考虑采用直流牵引网侧设置储能装置，特别是超级电容储能装置具有非常好的快速充放电能力，为牵引网提供或者消纳峰值电功率，则IGBT变流装置的额定容量可以按照其平均整流功率配置，即牵引变电所采用IGBT变流装置与储能装置的主结线方案。此方案不仅降低了牵引变电所IGBT变流装置的额定安装容量，而且利用储能装置对牵引网负荷“削峰填谷”，对改善整个牵引供电系统功能配置具有重要意义，属于比较理想的牵引变电所主结线方案。

相对多重化大功率二极管整流装置而言，大功率IGBT变流装置的成本还是相对较高，不具备成本优势，鉴于此，可以考虑采用二极管整流装置与储能装置或者逆变装置的组合方案。此方案与IGBT变流装置方案相比，在于整流输出外特性较“软”，相同容量需求条件下，牵引变电所设置数量相对较多，在线运行列车相互吸收功率的电压空间相对较窄。

4　结语

随着列车再生电制动设备的普遍采用，传统的城市轨道交通牵引变电所功能已由单纯的整流功能扩展为同时具有整流、功率平衡和牵引网电压控制3种基本功能，其主结线方案也应做相应重构。

在线大功率快速充放电储能装置的采用，使属于典型脉冲大功率负荷的牵引变电所不仅能够平衡直流牵引供电系统电功率，同时能够控制牵引网电压，使得列车牵引和再生电制动功能得以充分发挥；而且通过改变牵引网功率需求时间分布，能够实现“削峰填谷”，降低整个牵引供电系统的需要功率峰值，减少其对外部电网的功率需求和负荷冲击影响。

理想的牵引变电所输出电压电流外特性应具有平直的电压特性和电能的在线快速存贮、释放功能，因此宜采用基于IGBT的PWM变流装置和储能装置组合的主结线方案。鉴于目前大功率功率控制器件和储能介质的发展水平，综合技术经济因素，牵引变电所宜采用多重化二极管整流与逆变回馈或者储能装置组合的主结线方案。

［1］ 李鲲鹏.城市轨道交通列车再生制动能量逆变回馈系统研究报告［R］.广州：广州地铁设计研究院有限公司，2011.

［2］ GB/T 10411—2005建设部标准定额研究所城市轨道交通直流牵引供电系统［S］.

［3］ GB 50157—2013地铁设计规范［S］.

［4］ 陈德胜，刘志刚，张刚.能馈式牵引供电装置在轨道交通领域的应用［J］.都市快轨交通，2014（1）：111.

［5］ Kiessling，Puschmann，Schmieder，et al.电气化铁道接触网［M］.中铁电气化局集团有限公司，译.北京：中国电力出版社，2004.

On the Main One-line Scheme for Urban Rail Transit Traction Substation

Li Kunpeng，Shi Haiou，Liu Wei，Li Qunzhan

In urban rail DC traction power supply system，the electric power generation and power utilization are coexisting，thesystem load is a typical pulse high power load.The traction substation requires at least 3 basic functions：rectification，power balance and voltage control of traction line.According to the basic principle that the function demands will determine the main one-line scheme of the traction substation，and based on the comprehensive technical and economic factors，several typical schemes of traction substation are compared and analyzed，among them two schemes of the traction substation with ideal output performance and economic applicability are presented.According to the development level of the large power controller and energy storage medium，and combined with technical and economic factors，the scheme of multiple diode rectifier+feedback inverter or energy storage devices is recommended.

urban rail transit；traction substation；main one-line scheme；regenerative brake；feedback inverter

U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2015.07.011

2014-04-15）

*广州市科技计划项目（2013J4500068）