双向变流装置在城市轨道交通中的多场景应用研究

中铁第四勘察设计院集团有限公司电化院 左 超

引言

近年来，随着我国城市轨道交通运营里程的逐年增加，城市轨道交通总电能耗逐年攀升。其中，2020年城轨交通牵引能耗84亿千瓦时，平均车公里牵引能耗1.9千瓦时。通过采取措施降低车公里牵引能耗，对于降低运营成本、响应“双碳”目标具有重大意义[1]。

城市轨道交通多采用直流供电制式，其核心特征是采用24脉波整流机组进行供电，具有可靠性较高且成本较低的优势，但是存在再生制动能量无法吸收、功率因数低、接触网直流电压波动大等诸多问题。为更加充分吸收或利用列车再生制动能量，我国许多城市轨道交通采用了不同形式的能馈装置，主要包括电阻耗能型、储能型、逆变回馈型[2]。其中，中压逆变回馈型能馈装置在行业内已广泛应用。

在此基础上，随着电力电子技术的发展，进一步研发出双向变流装置，让设备可以分别工作在整流和逆变两种状态下。双向变流装置集合了传统的牵引整流机组、逆变回馈装置和无功补偿装置功能，这有助于提高牵引供电系统的能量利用效率、功率因数，降低接触网电压波动，代表了未来城市轨道交通牵引供电技术的发展方向[3]。目前国内部分城市轨道交通实现了将双向变流装置作为辅助装置与整流机组实现并联牵引，尚无全线完全由双向变流装置独立牵引的应用实例，因此有必要在未开通线路上进行试验，开展双向变流装置全线多场景应用研究[4-5]。

目前能馈装置广泛应用于国内城市轨道交通中，随着电力电子技术的发展，双向变流装置在工程中的应用愈加成熟。本文结合双向变流装置的原理及优点，在某条城市轨道交通线路中分别进行了双向变流装置独立牵引、双向变流装置与整流机组并联牵引等试验，研究了不同场景下双向变流装置在城市轨道交通线路中全线应用的可行性，为双向变流装置在国内推广使用提供参考。

1 双向变流装置原理及优点

1.1 双向变流装置原理

双向变流装置是将目前的整流机组+逆变装置进行整合，基于PWM 脉宽调制技术，同时开启IGBT 的整流和逆变功能，让设备可以分别工作在整流和逆变两种状态下，从而实现与列车牵引、制动特性的优秀匹配。

图1 整流机组+中压逆变型再生能馈装置原理图

1.2 双向变流装置优点

能量双向流动。列车牵引取流时，能量通过双向变流装置由交流侧传递至直流侧向列车供电；列车制动时，除被其它列车吸收外，多余的制动能量通过双向变流装置直接反馈回交流侧中压环网，供其他负载使用。

图2 双向变流型再生能馈装置原理图

稳定直流网压。通过检测直流电压与设定值之间的大小关系，控制双向变流装置传输能量的方向及大小，从而实现对直流电压的调节，起到稳定接触网电压的效果。

提高系统功率因数。双向变流装置具备功率因数任意可调的特点，可取代专用的无功补偿装置SVG，并且有效解决中压网络非高峰时段功率因数偏低的问题。

2 双向变流试验

北方某城市地铁2号线列车采用4动2拖的B2型车，开通前空载运行，最高运行速度为80km/h。上线列车数量为12列，行车间隔为8分45秒。全线共设车站20座，其中牵混所10座，每个牵混所配置2套整流机组和1套双向变流装置，其中整流机组的额定容量为2×2200kW，双向变流装置的额定容量为2000kW，峰值容量为5000kW。

在全线列车按图运行的情况下，分别进行了以下三种工况条件下的试验：工况1。双向变流装置独立牵引试验（全线整流机组退出）；工况2。双向变流装置独立牵引+与24脉波整流机组并联牵引试验（整流机组仅隔站投入）；工况3。双向变流装置与24脉波整流机组并联牵引试验（全线整流机组均投入）。其中工况1双向变流装置独立牵引试验，属于国内首次在城市轨道交通正线实现全线无整流机组的牵引运行。

2.1 双向变流装置独立牵引试验

图3 工况1列车直流电压变化图

全线双向变流装置的整流电压均设为1650～1550V（下垂控制），逆变电压均设为1750V（恒压控制），全线整流机组退出运行，完全由双向变流装置独立牵引。各牵混所的最大牵引功率、最低直流电压、列车直流电压如下：

从表1中可知，全线各牵混所双向变流装置的最大牵引功率为3772kW，均低于设备峰值功率（5000kW）。在全线整流机组均退出的情况下，依靠10套5MW 双向变流装置可以满足12列B 型车空载运行需求，各牵混所牵引功率分布较为均衡。

表1 工况1各牵混所的最大牵引功率和最低直流电压试验数据

全线各牵混所的最低网压为1572V，全线列车直流网压最低为1557V、最高为1750V。采用双向变流装置，可以将列车网压的波动控制在较小的范围内。

2.2 双向变流装置独立牵引+与24脉波整流机组并联牵引试验

全线双向变流装置的整流电压均设为1650～1550V（下垂控制），逆变电压均设为1750V（恒压控制），选取其中的牵混所1、牵混所3、牵混所5、牵混所7、牵混所9的整流机组退出运行，以上牵混所完全由双向变流装置独立牵引，其余牵混所则由双向变流装置和整流机组并联完成牵引。各牵混所的最大牵引功率、最低直流电压、列车直流电压如下：

从表2中可知，全线各牵混所双向变流装置的最大牵引功率为3256kW，均低于设备峰值功率（5000kW）。和工况1相比，5个车站的整流机组重新投入了应用，分担了双向变流装置一定功率，工况2条件下的双向变流装置最大牵引功率低于工况1。

表2 工况2各牵混所的最大牵引功率和最低直流电压试验数据

图4 工况2列车直流电压变化图

当全线分别处于双向变流装置独立牵引和双向变流装置与24脉波整流机组并联牵引两种状态时，各牵混所牵引功率分布较为均衡，双向变流装置与整流机组间相互配合良好。

全线各牵混所的最低网压为1586V，全线列车直流网压最低为1562V，最高为1759V，列车网压波动较小。

2.3 双向变流装置与24脉波整流机组并联牵引试验

全线双向变流装置的整流电压均设为1650～1550V（下垂控制），逆变电压均设为1750V（恒压控制），全线整流机组均投入，所有牵混所均由双向变流装置和整流机组并联完成牵引。各牵混所的最大牵引功率、最低直流电压，列车直流电压如下：

图5 工况3列车直流电压变化图

从表3中可知，全线各牵混所双向变流装置的最大牵引功率为2900kW，均低于设备峰值功率（5000kW）。和工况1、2相比，所有车站的整流机组全部投入了应用，双向变流装置承担的牵引功率进一步降低。

表3 工况3各牵混所的最大牵引功率和最低直流电压试验数据

当全线均处于双向变流装置与24脉波整流机组并联牵引状态时，各牵混所牵引功率分布较为均衡，双向变流装置与整流机组间相互配合良好。

全线各牵混所的最低网压为1592V，全线列车直流网压最低为1555V、最高为1752V，列车网压波动较小。

2.4 试验总结与展望

对于一条20km 左右长度的城市轨道交通线路，在全线整流机组完全退出的条件下，依靠10套5MW双向变流装置可以满足12列B 型车空载运行的需求。

无论是双向变流装置隔站独立牵引，还是全线双向变流装置与整流机组并联牵引，双向变流装置与整流机组间相互配合较好，各牵混所牵引功率分布较为均衡。

当双向变流装置分别处于单独工作、隔站单独工作、与24脉波整流机组配合工作等状态时，其最大牵引功率呈现逐渐减小的规律。

采用双向变流装置，可以有效控制列车网压波动在较小的范围内，起到了改善网压的效果。

双向变流装置对城市轨道交通牵引供电系统具有显著改善作用，且各项试验数据较为稳定，具备在正线全线推广应用的条件。各城市轨道交通项目可根据各自发展现状、实际需求、资金投入等条件决定全线双向变流装置投入数量和具体使用方式。

综上，随着城市轨道交通牵引能耗的逐年攀升，再生能馈装置将得到更加普遍的应用。其中，双向变流装置将整流机组、逆变装置、无功补偿装置功能集于一身，节省了设备投资和土建面积，进一步改善了供电系统性能，代表了城市轨道交通能馈装置未来的发展方向。本文通过研究分析不同场景下双向变流装置在城市轨道交通线路中全线应用的可行性，对于将来双向变流装置在各城市推广应用具有一定的指导意义。