基于地铁接触网直流融冰装置分析

任维维

南京地铁运营有限责任公司， 江苏南京  210012

摘要：本文将在地铁接触网的基础上，对地铁接触网的直流融冰背景特点进行详细分析，然后在此基础上针对地铁接触网融冰的基本需求，提出了一种全桥性质的MMC直流融冰装置，以此为满足地铁接触网的直流融冰需求提供有力帮助。

关键词：地铁;接触网;直流融冰装置

1直流融冰背景特点

城市化进程的加快使得大城市的交通拥堵问题愈发严重，解决拥堵问题的有效途径在于发展轨道交通。但是在我国的南方地区，在冬季湿度、温度和风速的影响下，高架段的地铁接触网表面极易覆盖大面积的冰层，在寒冰影响下，受电弓取流会受到很大影响，甚至会使受电弓发生断裂和损坏问题，这对地铁的运行安全将会造成极大影响。在地铁接触网覆冰的处理当中，主要方法有化学处理、人工处理、热滑处理、大电流热力融冰等。其中大电流热力融冰所采用的的就是直流融冰技术，该方法较为简单可靠便捷，因此在电网覆冰处理中被广泛使用。其工作原理为利用直流融冰装置在电网的架空线中通入大电流，然后通过导线电阻发热的现象以达到融化冰层的目的。

2直流融冰装置基本工作原理

本文介绍的直流融冰装置是基于全桥子模块的MMC图片普，当MMC换流器交流侧经过变压器接触35KV的交流电网之后，MMC直流就会通过刀闸与地铁接触网相接。FBSM按照设定的调整和控制策略可以对正、负、零电平进行输出，使变换器直流側的点电压电流在额定范围内可无限调节，在变换器直流电压和直流功率较低、变换器输出的交流电流波形质量较好的情况下，可对不同长度的线路进行融冰，且不会对电网产生有功需求，因此不需要添加额外的滤波器组。通过公式计算可知：

MMC拓扑和传统的VSC电路理论一致，因此在控制方面仍然可以沿用VSC的控制方法。

3新型地铁接触网融冰装置控制策略

由上文内容可知，全桥直流融冰装置的工作原理与VSC相同，那么可以采用基于同步坐标系传统的双闭环控制方法，通过交叉连接和馈电实现了盲功率和有功功率的独立控制，外环包括功率环、直流环和直流外环，其中直流电流外环会实现对融冰装置直流电流输出的控制，直流电流从0到额定值可以间断、连续调整;直流电压外环能够实现对融冰装置功率模组无功功率输出的控制;内环则是能够在外环指令的引导下对电流进行控制。但与VSC不同的是，直流融冰装置必须加入电容均衡算法和流量抑制方法，以均衡电容电压和抑制桥臂环流。

3.1载波移相调制

载波移相是变换器中最常用的电容电压分量法。它可以在较低的开关频率下获得良好的波形。但是由于功率模组参数的不一致性，单一的采用载波移相调制方法会降低电容电压的聚集力。有学者提出可以通过调整桥臂内部在不同空间中的能量分布来平衡电容电压，如图1。

由上图可知，功率模组i的电容电压为Uci，桥臂中所有模组电容电压的平均值用 表示，功率模组i的电容电压和平均值之间存在的误差经过比例积分器之后乘以桥臂电流ibr，之后得到∆ui*，然后用∆ui*加上桥臂的调制波ubr*，就可以得到功率模组i的调制波ui*。最后通过载波移相得到功率模组i的驱动脉冲

3.2环流抑制方法

全桥融冰装置的储能电容处于分布式布置的状态，三相之间的能量分配平衡性较差，这导致融冰装置内部存在内环流，这种现象极易造成桥臂电流波形畸变，使得开关器件损耗加大。有学者针对这一问题推导出环流解析表达式，并得到了内部环流为负序2倍电流的结论。

首先对每一相桥臂的电流进行求和，得出的数值就是桥臂环流，然后通过DQ变换得到桥臂还留起DQ分量，最后通过比例积分器成为调制波的桥臂环流分量，然后将其作用到双闭环产生的调制波上，以此实现抑制桥臂环流的效果。

4最终结果验证

为了对全桥融冰装置的设计和控制可行性进行验证，用PSCAD搭建仿真模型，从模型中发现，直流融冰装置电流需要从零开始连续可调，融冰电流在0到额定值1500A之间。在这一范围内，融冰电流可以按照相关指令进行跟随，经试验发现，由于接触网的电抗过大，电流容易出现超调问题，但是通过观察有关波形，融冰装置输出电流谐波较小，正弦度较好，精度较高，且对电网影响较小;模块电容电压与电压外环指令一致，模块间电容电压平衡良好，桥臂电流辨识高，二次谐波回流小。

总结

由以上信息可知，全桥直流融冰装置在地铁接触网覆冰融化中能够起到良好的使用效果，且不易发生故障问题，能够实现0到1500A额定值之间的精准控制。这对减轻冰层覆盖铁路面，提高地铁运行安全具有积极影响，另外在模型仿真验证中也发现，该类型融冰装置还具有零电流升流、电流谐波小、桥臂环流小、正弦度较好，模组间电容电压均衡度好等特点，值得地铁行业大力推广使用。

参考文献

[1]马晓红，许逵，林奕群， 等.全桥MMC型直流融冰装置试验技术研究[J].电力电容器与无功补偿，2019，40（5）：31-37.