基于下垂特性的地铁双向变电站直流电压控制策略研究

2022-07-24单辉

科学技术创新 2022年21期

单辉

(常州地铁集团有限公司,江苏常州 213000)

在城市轨道交通的运行中,为列车提供驱动力的能量来源为电能,采用的牵引供电压也主要有两种,分别为750V 和1500V。在列车的制动方式上,主要采用再生制动为主、空气制动为辅[1-2]。列车运行过程中如果产生的再生制动电能过剩,会导致牵引网电压的突然飙升,为此需要采用特殊的处理措施将这部分电能耗散掉,导致电力损耗过大,同时也会引发隧道内温度升高,增加了通风降温措施成本,进一步加剧了电力能源的消耗[3]。研究将剩余再生制动电能进行再利用是提高列车运行能效的有力措施,目前常用的吸能储能措施主要有3中,分别是通过电池或电容进行储能、通过飞轮进行储能以及将剩余再生制动电能由直流电形式转换为交流电形式的逆变回馈储能[4-5]。

1 城市地铁双向变电站的工作原理

双线变电站为了实现直流电与交流电之间的双线流动,在传统的轨道交通牵引系统中间二级整流器进行置换,将其置换为PWM 变流器,达到即可以为列车运行的牵引网络提供电能,又可以实现电能回收再利用的目的。本文研究的PWM 变流器为二极管钳位型三电平变流器,其结构原理图如图1 所示。

二极管钳位型三电平变流器在工作时,任意状态下均存在4 个功率器件中的2 个可以实现电流通路状态。以A 相为例,其电压的输出有3 种状态,对图1 中电路电压可以采用方程(1)进行描述[6]。

图1 二极管钳位型三电平变流器结构原理图

2 基于下垂特性的地铁双向变电站多重化控制仿真分析

为此,基于平均电流补偿的下垂控制方法[8],采用仿真软件建立2 个并联变流器的仿真模型,研究电路中电流随时间的变化过程。模型计算时,计算参考电压Vk取900V,负载电阻R 取20Ω,电网电压有效值VG取380V,线缆电阻R0取0.02Ω,线缆电感l0取10μH。为研究不同下垂斜率对平均电流的影响,设计2 中下垂斜率值工况,分别为工况1：下垂斜率1.0,不加补偿；工况2：下垂斜率0.1,不加补偿；工况3：下垂斜率1.0,加补偿系数0.6；工况4：下垂斜率0.1,加补偿系数0.6；工况5：下垂斜率1.0,不加补偿,空载电压；工况4：下垂斜率1.0,加补偿系数0.6,空载电压。

研究表明,当下垂斜率值设置为1.0 时,并联的2 个变流器的电流值非常相近,随时间的变化呈现小幅度波动,平均值分别为21.87A 和22.85A,不平衡系数为4.5%；当下垂斜率值设置为0.1 时,并联的2 个变流器的电流值则出现明显的分离,随时间的变化呈现小幅度波动,平均值分别为19.06A 和25.33A,不平衡系数为32.8%,由此可知,下垂斜率从0.1 变化至1.0 时,可以实现并联2 个电流器的电流值均衡化。当下垂斜率值设置为1.0,加补偿系数0.6 时,仿真的电流结果与工况1 不加补偿的结果一致,同样地,当下垂斜率值设置为0.6,加补偿系数0.6 时,仿真的电流结果与工况2 不加补偿的结果一致,由此可以看出,增加附加补偿并不会影响电流的均流性,电流器之间电流信号的传播并不会因为附加补偿的变化而产生波动,具有良好的稳定性,并联电流器系统也具有更高的可靠性,降低了崩溃的概率。

3 基于下垂特性的地铁双向变电站多重化控制室内试验分析

为进一步验证基于下垂特性的并联电流器系统对电流的均衡补偿性,在室内建立了2 个50kWa 的并行电流器平台,总负载为56kWa,搭建的试验平台装置如图2所示。试验时,2 台变流器交流侧的并联方式的实现主要是通过隔离变压器进行并联,而交流器的并联方式的实现可以直接进行并联。

图2 并联电流器系统的室内试验测试平台

4 地铁多变电站直流电压的调整策略

以常州地铁1 号线工程为研究对象分析地铁双向变电站直流电压的控制策略。常州地铁1 号线起于南夏墅站,止于森林公园站,线路全长33837m,设置地下车站27 座,高架车站2 座,牵引供电采用直流电压1500V 接触轨下部受流方式,列车型号为B 型车,按4 动2 拖的编组方式组成列车,车速平均为80km/h,建立了基于模糊算法的并联电流器直流电压控制模型。