城市轨道交通混合供电系统工作模式研究

曹翔宇 姚春玉

摘 要： 随着社会的进步和城市化建设的加快，城市轨道交通混合供电系统为双向变流器机组和二极管整流机组并联工作的供电系统。二极管整流机组输出电压不可控，无法根据现场工况变化进行调整;双向变流器采用全控型器件，可通过参数调整实现多种输出特性。在混合供电系统中，双向变流器需根据不同的控制目标及二极管整流机组输出特性等因素对自身输出特性进行调整。针对混合供电系统中双向变流器输出特性设计方法进行研究，实车测试结果表明，混合供电系统能满足各种供电模式的实际应用需求，也能实现双向变流器与整流机组之间的协同工作。

关键词： 城市轨道;交通混合;供电系统工作

【中图分类号】U121     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）11-0183-01

引言：城市轨道交通牵引供电系统承载电能变换、输送、回馈、故障保护和隔离等多种功能，是城市轨道交通的核心系统。早期的城市轨道交通牵引供电系统主要采用二极管整流机组，在列车起动和加速时提供牵引电能;但列车制动时产生的制动能量只能通过车载或地面制动电阻进行消耗，能源浪费较大。近期新建的城市轨道交通线路开始采用增加列车制动能量吸收装置的方案，通过由全控电力电子器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）组成的全控整流装置，将大部分列车制动能量反馈回电网，节能效果明显。

1 混合供电系统的供电特性

①NOP段特性。在电流I2—I1的范围内，设定双向变流器以较小的功率输出，保持双向变流器输出电压跟随接触网电压，这种情况下，当有突变负载需大功率输出时可避免接触网的电压突变;另外，在该区间内以小功率宽电压跟随直流网压不仅可以实现制动能量邻车优先吸收，还可以避免双向变流器与整流机组或其他双向变流器之间出现功率环流。②MN段特性。当回馈电流大于I2时，双向变流器进入大功率回馈稳压特性运行，在双向变流器的容量范围之内，能最大程度地将制动能量回馈至交流电网，将直流网压维持在目标设定值Ufbk范围内，以抑制接触网压上升。

2 城市轨道交通混合供电系统工作模式研究

2.1 混合储能装置建模

由于双向DC/DC具有稳定电压等级以及控制能量流向的作用，采用效率模型进行混合储能装置的建模。采用效率模型建立能量管理系统，效率模型中包含超级电容充放电效率、蓄电池充放电效率、DC/DC变换器效率、逆变器的效率、齿轮比效率及电机效率。由于总效率为各效率之积，为了简化模型，建立储能装置与供电系统网络的能量关系。

2.2 整流机组优先供电模式

在该模式下，制动能量由双向变流器逆变回馈至交流电网，列车牵引时由二极管整流机组优先供电;随着牵引功率的增加，直流电压下降至双向变流器稳压启动阈值时双向变流器输出大功率牵引电能，维持网压不再继续下降。

2.3 双向变流器挂网实施

双向变流器在正线挂网，对施工和试验都提出了较高要求，重点需要解决以下3个问题：设备安装不影响牵引变电所内设备运行;解决双向变流器正线操作逻辑及保护问题;采用适当的控制模式使双向变流器与现有整流机组能够协调运行。①操作保护逻辑操作显示单元主要由柜门操作按钮、指示灯、仪表及触摸屏组成，实现启停、运行/检修、近控/远控等操作，触摸屏可以实现系统运行状态监视、参数设定、故障记录及录波等功能。②混合供电控制模式。双向变流器作为PWM整流器，其本质上是一个电压源，要想与整流机组协调供电，一方面需要杜绝各整流电源之间产生能量环流，另一方面需要顺应整流机组自然下垂特性的负载曲线，因此采用多段下垂控制模式。

2.4 内部条件

由于超级电容和蓄电池的互补特性，在能量管理上，超级电容响应优先级高于蓄电池。在容量设置上，考虑经济性和蓄电池能量密度高的特点，蓄电池的容量大于超级电容容量。为了装置安全性，引入峰值功率Ppeak，任意时刻混合储能装置的响应应该小于峰值功率。为了延长二者寿命，满足浅充浅放的原则，应该满足SOC限制条件。

2.5 混合供电模式分析

双向变流器与整流机组协同供电，二者不同优先供电模式对对直流网压波动的影响。通过修改系统参数，双向变流器可工作于整流机组优先模式和双向变流器优先模式，二者最大的不同在于双向变流器的牵引阈值不同。双向变流器牵引阈值较低，列车加速时整流机组先供电;随着电压下降到牵引阈值时双向变流器开始提供牵引支撑，网压变得较为稳定。向变流器优先提供牵引支撑，网压较为稳定;随着牵引功率的增加双向变流器进入下垂控制，直流网压下降，整流机组开始提供牵引能量。

2.6 下垂控制運行效果

实际挂网运行中，双向变流器采用下垂控制策略与整流器协同运行，试验中记录了单次列车从加速到停车的数据，生成曲线图。在列车加速过程中，双向变流器输出直流电压初始下降较快，中间经历了一段稳压输出区间;随着负载的继续增加，直流电压再次开始下垂，此时由整流机组继续补充牵引能量;在列车制动时，双向变流器通过稳压回馈把制动能量回馈至35kV电网。整个运行过程中，直流输出电压根据负载变化不断进行调整，满足预定控制目标。

结语：在双向变流器加整流机组的混合供电系统中，通过调整双向变流器的特性参数并经过实车测试表明，混合供电系统特性可满足双向变流器稳压模式、整流机组优先供电模式、双向变流器优先供电模式的实际应用需求，且双向变流器与整流机组之间的协同工作也均实现了无缝对接。双向变流器稳压模式可完全实现接触网的稳压功能。接触网电压稳定可以实现列车就近取流、减少线路损耗、优化回流路径。但双向变流器稳压模式的实现需建立在全线设置双向变流器的基础上，目前双向变流器的全线应用的项目已在安装实施阶段，但尚未有全线运行的相关数据。整流机组优先供电模式除完成制动能量回馈，还可在双向变流器功率范围内有效维持直流网压下降，减小接触网电压波动范围，实现了整流机组及双向变流器之间的协同工作，增加了线网的供电容量。双向变流器优先供电模式同样具备整流机组优先供电的优点，但是当进行单站挂网应用时，由于单站的双向变流器将接触网电压稳定在一个较高的电压值，因此将会产生大功率长距离传输，会造成不必要的线路损耗。

参考文献

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