双向变流装置在城市轨道交通的应用探讨

深圳市市政设计研究院有限公司 朱 玲

地铁和传统铁路系统主要不同点为地铁站间距短、列车提速快、制动快、启动制动切换频繁。目前国内地铁均采用的是接触网（轨）直流供电，牵引系统为变压变频交流传动系统。牵引时列车从接触网（轨）吸收能量，制动时则首先启动采用电制动系统，将制动能量反馈回接触网。当网压升高到一定值时，电阻制动系统和闸瓦制动系统启动。目前常见的城市轨道交通牵引供电系统是通过城市主变电所引入高压电源将其降压至35kV交流电压，通过整流变压器、整流机组、直流开关柜，给接触网（轨）提供直流电源。

传统的轨交牵引供电系统未考虑列车制动能量的吸收与利用，通过电阻消耗这部分能量或者是采用闸瓦制动，采用这两种方式均会产生大量的热量，大量热量排入隧道，导致隧道和车站内的温度升高；同时，闸瓦制动还会产生大量的粉尘，增加了环控系统的负担和运营成本，形成恶性循环，带来新的能源浪费。

针对上述问题，全国地铁已经开始广泛采用不同类型的再生回馈吸收装置回收这部分再生能量。但由于能馈装置在地铁工程中应用时间较短，地铁公司未重视挖掘能馈装置在无功补偿及稳压方面的应用，在系统设计中普遍缺乏能馈装置与轨道交通供电系统的整体性和系统性的考量，导致该装置在有效回收列车的制动能量的同时，却仍存在以下问题：占用了较大的房间面积，对地铁站有限的空间利用较不友好；未改善列车启动时直流网压下降、供电系统功率因数较低等问题。全功率双向变流装置可实现在满足使用要求的前提下，减少占地空间、减少建设投资，更为经济合理地实现再生制动能量的二次利用，并提高供电系统的电能质量[1]。

1 组合式双向变流装置应用研究

1.1 双向变流装置主要原理

全功率可控整流装置采用PWM变流技术，变流装置具有四象限运行特性，可实现能量双向流动，即：在实现城市轨道交通列车牵引供电功能同时，可实现城市轨道交通列车制动能量吸收。由于变流装置采用电网电压定向矢量控制技术，可实现高功率因数运行，即：功率因数为1的运行方式。同理，由于变流装置采用了矢量控制技术，实现了有功分量、无功分量独立控制，因而可利用变流装置进行无功功率调节，实现供电系统无功功率补偿功能。双向变流装置由直流控制柜、变流柜1、2构成，整个装置采用标准柜体结构，柜体内部件采用模块化设计，柜体间连线及模块间连线采用主电路与控制电路接线分离、交叉原则，重要控制电缆（如PWM信号线）采用光纤，使装置具有极强的抗干扰能力。

双向变流装置可在取代整流机组，实现整流功能的同时兼顾实现逆变回馈、无功补偿等功能，实现直流牵引供电系统柔性牵引供电，同时减少变电所的设备数量和占地面积[2]。

1.2 双向变流装置主要功能

回馈电能。当列车制动时产生的能量回馈到直流牵引网上，由邻车吸收，无法吸收的电能通过回馈装置返回到中压交流电网，供车站其他负荷使用；稳定牵引网压。在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流中压电网，在列车牵引时与变电所牵引整流机组共同为列车提供能量。根据已进行局部试用的国内某地铁项目试验结果，双向变流器不工作情况下，列车加速时和列车制动时直流电压至少有200V的波动范围。双向变流器工作于稳压模式时列车加速和制动的直流电压波动仅为15V左右；无功补偿功能。城轨供电系统线路负荷率低时，如夜间收车后，中压环网电缆容性无功造成系统功率因数非常低，本系统可作为无功发生器使用，提高系统功率因数，降低或取消110kV主变电所SVG无功补偿装置容量。

1.3 组合式双向变流装置应用研究

目前独立整流和能馈回路是市场上的主流方案，其中整流系统由整流变厂家集成整流器供地铁客户，能馈系统由能馈厂家集成能馈供地铁客户。整个系统被划分为整流和能馈两个子系统，存在如下短板：系统集成度不高，设备占地面积大、设备投资高，需要两台变压器及前后级开关；两个不同的系统，整流器和能馈变流器配合不稳定，如DC短路电流分配、存在环流等问题；客户系统运维、故障定位等涉及众多厂家。针对传统的轨交牵引供电系统存在的问题，组合式双向变流装置仅使用1套组合变压器即实现制动能量逆变回馈、牵引整流和35kV系统无功补偿等功能，与目前地铁常规的整流变+整流器、能馈变+能馈变流器的方案相比，本方案节省了1台变压器、1台35kV开关柜，具有一定的经济效益和占用空间优势（图1）。

图1 新型组合变压器型式接线图

能馈装置新型组合变压器形式需进行大容量整流/能馈四绕组牵引供电变压器研制，重新设计现有的三绕组Dy11d0y11型变压器，加入第四个绕组-能馈绕组，总体方案是布置35kV(HV)/1.18kV(MV)/1.18kV(TV)/1kV(LV)四个绕组，其中HV为原边一次侧绕组、MV为1.18kV（星接）整流供电绕组、LV为能馈装置1kV馈能绕组、TV为1.18kV（角接）整流供电平衡绕组。四绕组按照LV、MV、HV、TV幅向布置，同时中、低压侧三绕组轴向分裂，同时准确计算各绕组间阻抗，确保各绕组非设计情况下的耦合影响。该方案可实现能馈绕组与整流绕组的低耦合，尽可能地降低整体损耗，同时实现整流/能馈变压器的一体化设计，有效降低了损耗和占地面积[3]。华南某地铁在正线上试挂一套组合式双向变流装置。由新型组合变压器形双向变流装置挂网运行5天内直流电压波动情况可看出，直流网压基本控制在1740V以下，与装置设置的门槛电压相符，平均电压在1600V左右，稳压效果良好。

2 全功率双向变流装置应用研究

2.1 双向变流装置实际应用

双向变流装置的实际应用效果，结合长沙地铁的双向变流装置运行数据进行了调研分析。

节能效果分析：长沙地铁一期工程共设置9套双向变流型再生电能吸收利用装置，表1记录了全线日总回馈数据统计情况，根据表1统计的数据，可得出全线27天的日平均回馈电能为8536度。

表1 全线日总回馈数据统计(单位：kWh)

稳压效果分析：选取11.2～11.24日中23天的数据进行统计，得到当日牵引网电压的最高值和电压最低值。由图2和图3可知，装置投入逆变后牵引网电压的最高值为1760～1800V，始终不超过1800V。由此可见，在列车制动电网电压抬升时，装置可起到较好的抑制作用，从而避免电网电压抬升的过高；装置投入整流后电网电压的最低值为1520～1530V，始终不低于1520V。由此可见，在列车牵引电网电压跌落时，装置可起到较好的补充能量的作用，从而避免电网电压跌落得过低。

图2 最高电压曲线图

图3 最低电压曲线图

2.2 全功率双向变流装置容量选型探讨

以某华南大型城市拟建地铁工程为例，该线路总长38.29km，设计时速为100km/小时，采用A型车8辆编组，共设车站23站，供电系统采用110/35kV两级电压供电方式，牵引和动力照明共用35kV供电网络，牵引供电系统采用DC1500V架空接触网供电、走形轨回流方式。对采用2套双向变流器代替传统的整流器+逆变器方案的可行性进行分析研究，根据牵引供电计算，正线共设置16座牵引降压变电所。该工程的牵引所布点方案如表2所示。

表2 牵引变电所间距

根据《地铁设计规范》中对整流器的Ⅵ级负载特性要求，整流装置应满足能额定负载长时间运行，1.5倍额定负载运行2小时，3倍额定负载运营1分钟。由于IGBT没有长时间过负载能力，如果将其作为牵引整流设备，需容量需满足地铁高峰小时的牵引负荷的需求。按照全线每座牵引变电所按照两套双向变流装置进行供电仿真计算，全线N-1故障情况下远期高峰小时（24对/小时）牵引负荷，计算结果如表3所示。

表3 各站牵引负荷统计表（单位：kW）

根据供电计算，各牵引所远期高峰小时的牵引功率约为6～7kW，当某牵引所退出运行时，最大牵引负荷可达到约12MW。因此，采用整流机组容量为2×3300kW，利用150%过载运行2小时，300%过载运行1分钟的过载能力可满足容量需求。目前，市场上的能馈装置一般峰值容量为额定容量的两倍，且为30s/120s的运行方式。即，采用1套额定功率1MW的能馈装置，其最大输出功率为2MW，持续工作时间为30s、间歇120s。因此，如果双向变流装置想达到与整流机组同等容量，则双向变流装置需选取2×6MW的容量。但目前国内主流厂家普遍认为6MW的双向变流装置理论技术是可行，但无实际生产、供货业绩，也缺乏相应的产品技术规范和型式试验报告，对后续的双向变流装置的应用会造成一定的影响。

综上，全功率双向变流装置可集成整流、逆变以及无功补偿功能，具有使系统结构简单，减少设备接口等优点。但由于大功率的双向变流装置采购成本高，总体投资成本更大，国内地铁工程尚无大规模采用全功率双向变流装置取代整流机组的应用案例，无法判断设备大规模投入运行后，其系统兼容性及运行可靠性。建议选取一个试验站，在不取消整流机组的前提下，增设两套6M的双向变流装置，用于试验全功率双向变流装置的运行效果，为后续双向变流在地铁中的应用提供参考依据。