双向变流技术在轨道交通牵引供电系统中的应用*

2022-08-23杨立新王财华张海波

城市轨道交通研究 2022年8期

陈昕杨立新王财华张海波

(1.绍兴柯桥区轨道交通集团有限公司， 310200，绍兴；2.中国铁路设计集团有限公司， 300308，天津∥第一作者，高级工程师)

目前，我国新建的城市轨道交通工程逐步开始采用地面列车制动能量吸收装置的方案，即在原有牵引整流机组构架下，增设1套再生电能吸收装置，通过由全控电力电子器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)组成的变流装置，将大部分列车制动能量返回中压环网，使再生电能得以有效利用[1]。目前，国内主流厂商可提供额定功率为1.5 MW、短时容量为3 MW左右的回馈装置，若再增加容量，则通常采用并柜的配套方案。国内多条线路均采用类似构成的再生电能吸收装置方案，其现场运行状况良好[2]。

由IGBT构成的变流装置本身具备四象限工作能力，其能量可自然双向流动，从工作原理上具备替代二极管整流机组的条件。目前，普遍采用的再生电能吸收装置均具备双向变流的功能，只是在系统应用中只开放了其中逆变的功能[3]。要实现列车运行时的能量传递，全控整流装置还应具备和原二级管整流机组相同的容量、过载能力和短路耐受能力。无论是二极管整流还是IGBT全控整流，全控整流装置的牵引负荷没有发生变化。因此，牵引机组应能满足同样的负荷承载能力，即满足国际电工委员会标准IEC 60146中Ⅵ级负荷的要求，还需降低整体损耗、优化节能指标及改善供电环境[4]。本文将具备牵引供电短时过载3倍的双向变流功率输出能力，定义为大功率双向变流技术，以区别于仅开放牵引功率输出但并未达到IEC 60146中Ⅵ级负荷要求的一般逆变回馈技术。

1 双向变流装置技术特征

如图1所示，在日本筑波快线项目中大功率双向变流装置取得了良好的应用效果[5]。双向变流机组的回馈能力远高于现有再生电能吸收装置的容量，可完全吸收制动峰值功率。双向变流机组具备如图2所示的功能特性。

注：PWM为脉(冲)宽(度)调制。图1 大功率双向变流装置构成示意图Fig.1 Schematic diagram of large power bidirectionalconverter device

注：Udc为双向变流装置直流侧电压；Umax和Umin分别为其能够达到的最大和最小电压；UN为额定电压；Idc为双向变流装置直流侧电流，Id，max和Id，min分别为双向变流装置可达到的最大和最小电流。

由于双向变流装置采用IGBT，过载能力有限，因此达到最大电流后可认为双向变流装置将处于恒电流运行状态。其优点如下：

1) 牵引网网压平稳。无论是在整流还是逆变工作状态，牵引网网压均可稳定在设定电压[6]。在峰值功率输出或制动能量回馈时，输出电压与设定值保持一致，能为列车牵引系统、辅助供电系统提供了良好的供电支撑，同时可降低安全隐患。可降低跨区间电流，进而可显著降低杂散电流对刚轨电位的影响[7-9]。

2) 减少线路损耗。由于牵引网网压可控且平稳，牵引和回馈电能基本上由近端牵引变电所输出和回馈，减少了直流牵引系统能量越区传输和相关的能量传输损耗，同时通过合理设定运行电压，也可减小由牵引负荷引起的线路损耗。

3) 供电兼容得到改善。由于全控型整流装置的交直流解耦特性，使得双向变流设备对网侧交流电压波动具有宽范围适应区间，交流电压在±15%的波动区间内可保持直流牵引网网压稳定不受影响，同时减少了地方电网波动对供电系统的影响。

4) 提高了安全性。对比传统的整流机组在大双边供电时电压降落严重的情况，双向变流设备电压在大双边供电时，可稳定网压，从而提高接触网末端电压，即提高了供电能力，保证了直流牵引供电系统正常运行。

5) 使核心设备可控。作为核心供电设备，对比整流机组，双向变流装置输出电压、功率大小和流向均可控，可显著提高系统的信息化和智能化程度，为提高供电系统的安全和效率提供了有力的保证。

综上可见，双向变流技术可以优化解决传统整流技术存在的无法稳定电压、造成电网波动较大等问题，同时提高了设备的使用率，减少了牵引和回馈设备的中间环节。

2 双向变流装置仿真计算

仿真平台中可针对直流供电系统网络拓扑进行解析，自动构建直流潮流求解的矩阵模型。直流供电系统的网络方程是线性方程组，网络方程的建立和求解均可通过矩阵运算完成。城市轨道交通供电系统的主变电所、中压环网、车站级牵引变电所及降压变电所等可通过建模进行交流供电系统网络计算。其中，交流供电系统网络计算可认为是引入牵引变电所功率模型的广义的潮流计算，求解各节点功率平衡方程组和附加修正方程组。可通过高斯赛德尔法或牛顿拉夫逊法进行非线性方程组求解[10]。

双向变流装置换流器模型示意图见图3。采用电压源换流器VSC(关键监督控制)模型，具有全控型电力电子器件、电压源换流器和PWM等3大技术特点，可实现有功和无功的独立控制，且不会发生换相失败。

由于VSC换流单元等效电阻较小，远小于换流电抗，可得换流单元传输的有功功率主要取决于相角差，传输的无功功率则主要取决于换流器输入节点电压幅值。可通过改变δi和Usi，来实现所传输有功功率和无功功率的大小和方向在可控范围内的任意改变，即四象限内可控。

注：Usi∠θsi为交流母线节点电压；Uci∠θci为变流器输入节点电压；Ri、Xi为换流器等效电阻和电抗；Psi、Qsi为交流节点有功和无功功率;Pci、Qci为流入变流器功率；δi为Uci∠θci与Usi∠θs的相角差；Mi为调制度；Ii为流过换流变压器的电流；Idi为直流侧进线节点电流。

bidirectional converter device

(1)

通过交替迭代方式对直流侧、交流侧网络方程组和换流器系统方程组联立求解，实现交直流一体化供电计算。

3 杭州至绍兴城际铁路工程双向变流装置应用案例

3.1 工程背景

在杭州至绍兴城际铁路工程(简称“杭绍线”)原设计中，仅在杨汛桥站牵引变电所和钱清站牵引变电所内分别设置了1套能馈式再生电能吸收装置，如图4所示。然而，杭绍线需要与之后建设的绍兴地铁1号线实现过轨联运，且绍兴地铁1号线牵引变电所均安装有再生电能吸收装置，而杭绍线没有足够容量来完整吸收全线列车产生的再生电能。可见，若不增加杭绍线再生电能吸收装置的数量，

图4 杭绍线工程双向变流装置原设计方案Fig.4 Original design scheme of bidirectional converter device for Hangzhou-Shaoxing intercity railway project

则无法解决杭绍线与绍兴1号线列车过轨联运带来的车辆制动问题。

若采用绍兴地铁1号线的设置原则，杭绍线将增加2 100万元的再生电能吸收装置的投资费用。为尽量避免重大投资变化和有关变更，拟定优化方案以初步设计概算为总体限额设计的约束条件，对杭绍线有关牵引供电设备的设置方案进行调整，即选用双向变流技术，采用2套整流机组+1套双向变流器方案(简称“2+1供电模式”)。优化后的方案概算投资不超过初步设计的限额条件。

3.2 优化后方案

双向变流器的一大优点是外特性相较于传统不控二极管硬度更高，其内阻在容量不超限的情况下可控制在较小范围内；直流输出端电压可稳定在较高水平，接近理想电压源的特性，使牵引网侧的电压相对平稳，提升了正向牵引供电能力。基于双向变流器的特点，牵引变电所分布优化方案可减少了1座牵引变电所，进而把节省下来的投资用于替换和增补在其他牵引所内安装的双向变流装置。这既可提高全线正向供电能力，又能保证反向再生电能的吸收。优化后的方案如图5所示。

图5 杭绍线工程双向变流装置优化后方案Fig.5 Optimized scheme of bidirectional converter device for Hangzhou-Shaoxing intercity railway project

对上述两种方案进行基于运行图的牵引供电仿真计算，其中主要参数为：①4动2拖B型车，列车计算质量为292.16×103kg(定员)，牵引功率为4 600 kW，运行速度为100 km/h；②远期高峰小时开行对数为18对/h，线路通过能力为30对/h；③牵引网单位阻抗：架空刚性接触网的电阻率为0.014 3 Ω/km，回流走向钢轨的电阻率为0.02 Ω/km；④双向换流装置额定容量为3 MW，输出控制电压为1 700 V等。

经计算：采用传统不控二极管整流机组时，7所方案“钱清站—西沙路站—稽山路站—笛扬路站”区段在N-1(供电系统中有一个变电所发生故障)故障情况下的最低牵引网网压为1 007 V，轨电位为99 V，均满足规范要求(但网压水平接近规范要求的下限指标)；而采用可控双向变流机组时，对应区段的最低牵引网网压为1 121 V，轨电位为98 V，均满足规范要求。可见，采用整流机组+双向变流器的优化方案既能够满足与绍兴1号线联运的要求，又能不增加概算，满足工程建设要求。目前该工程开通已近1年，牵引供电系统运行状况良好。