双向变流装置运行性能测试分析
2023-10-08何俊文王开康曾佳欣
何俊文 王开康 何 斌 刘 炜 张 戬 曾佳欣
(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司, 430063, 武汉; 2.西南交通大学电气工程学院, 610031, 成都∥第一作者, 高级工程师)
当前,在我国建设节约型城市轨道交通的背景下,城市轨道交通供电系统中车辆再生制动产生的电能利用问题已引起了专家学者的广泛关注。目前,我国地铁牵引降压混合变电所(以下简称“牵混所”)采用24脉波整流机组及再生制动能量装置,对列车制动产生的能量进行有效利用。双向变流装置从原理上能替代能量单向传递的二极管整流机组,其是基于PWM(脉冲宽度调制)技术,能够实现整流和逆变双向变流功能,具有能量双向流动、直流特性可控、功率因数可调、谐波含量小等优良特性。
文献[1]通过地铁双向变流装置的实测数据,验证了该装置的稳定性、良好的整流效果及节能的有效性。文献[2]研究了整流机组与双向变流装置混合供电的控制策略,并对某地铁工程双向变流装置挂网测试,分析了双向变流装置具备替代二极管整流机组+能馈装置的能力,验证了其具有稳定直流网压、提高供电质量及降低越区供电等优点。文献[3]建立了考虑下垂输出外特性的双向变流装置计算模型,并以某地铁工程为例,研究双向变流装置下垂率和空载电压对峰值功率、牵引网网压和钢轨电位的影响。以上文献对地铁双向变流装置的功能性验证较多,而针对不同条件下双向变流装置和整流机组配合的负载功率分配规律实测研究及全线双向变流装置的试验验证研究较少。
双向变流在城市轨道交通中的应用一般有两种方案,即整流机组与双向变流装置协同工作的方案(以下简称“整流+双向变流方案”)和完全采用双向变流装置的方案(以下简称“全双向变流方案”)。本文以徐州地铁某含双向变流装置的实际线路为例,研究该线路中某牵混所的双向变流装置与整流机组协同工作时的系统综合输出外特性,分析双向变流装置启动电压及整流机组工况对负载功率分配的影响。通过现场实测对比整流+双向变流方案与全双向变流方案的负载情况,分析含双向变流装置车辆段的无功补偿效果。本文研究可为地铁双向变流装置系统设计提供依据。
1 案例车站工程概况
测试线路长度为24.2 km,供电系统设置主变电所2座,牵混所11座,降压所10座,跟随所3座,车站20座。采用直流1 500 V架空接触网授流,钢轨回流。列车类型为6B(6节编组B型车,4动2拖)。
该线路牵混所及车辆段均安装双向变流装置,其简化的供电系统示意图如图1所示。牵混所中整流机组Tr1、Tr2和BCD(双向变流装置)均连接在I段母线上。双向变流装置启动电压范围设置为1 550～1 650 V,安装容量为2 MW。对牵混所和车辆段的负荷过程进行测试,包括双向变流装置交流侧进线电流、I段35 kV母线电压,以及直流侧接触网电压、直流侧整流机组及双向变流装置电流。牵混所及车辆段电量参数监测点位置示意图如图2所示。
图1 供电系统示意图
a) 牵混所5监测点位置
本次测试共包含4种工作模式:①整流机组与双向变流装置(恒压外特性)协同工作;②整流机组与双向变流装置(下垂外特性)协同工作;③整流机组独立工作,双向变流装置仅参与逆变;④双向变流装置(下垂外特性)独立工作。
2 整流+双向变流方案外特性分析与实测
2.1 外特性分析
双向变流装置与整流机组配合运行时,一方面需要与整流机组配合提供牵引能量,另一方面需要回馈列车制动能量,其负载功率分配情况受到启动电压和整流机组工况的影响[4]。整流机组具有自然下垂特性。双向变流装置相当于一个可控电压源,其恒压特性及下垂特性如图3所示。
a) 恒压特性
对于恒压特性而言,当电流在Idmin—Idmax范围内时,双向变流装置保持牵引恒压特性运行,在其容量范围之内将直流牵引网压稳定在设定目标值Ud0范围内,以抑制接触网压下降;随着牵引功率的增加,当电流达到设定值Idmax并继续增大时,双向变流器保持最大恒定功率进行工作。
对于下垂特性而言,当电流在Idmin—Idmax范围内时,随着装置输出电流的增加,直流网压以下垂率k逐渐减小, 由于牵引功率的增加,当电流达到设定值Idmax并继续增大时,双向变流器以最大恒定功率进行工作。
以恒压特性作为双向变流装置外特性,整流机组与双向变流装置协同配合时,其混合供电系统有3种工作模式,分别为:Udr>Ud0(Udr为整流机组空载电压;Ud0为双向变流装置空载电压);Udr=Ud0;Udr a) Udr>Ud0 a) Udr>Ud0(恒压特性) 对于Udr>Ud0模式:当电流小于I1时,直流网压高于Ud0,此时整流机组单独工作,为列车提供牵引功率;当电流达到设定值I1并继续增大时,双向变流装置投入工作,保持牵引恒压特性运行,补充列车所需牵引电能,有效实现双向变流器+整流机组协同工作的目的,并将直流网压维持在Ud0范围内[5];当电流增大至I1+Idmax并继续增大时,双向变流装置进入最大恒定功率运行区间,直流网压逐渐下降。 对于Udr=Ud0模式:由于双向变流装置的稳压功能,当电流小于Idmax时,直流网压一直维持在Ud0范围内,此时双向变流装置单独工作;当电流达到设定值Idmax并继续增大时,双向变流装置进入最大恒定功率运行区间,直流网压逐渐下降,整流机组投入工作,补充列车所需牵引电能。 对于Udr 2.2.1 启动电压影响 以2020年11月10日徐州某地铁工程牵混所5为例,分析该所双向变流装置启动电压对输出情况的影响,其直流侧输出电流曲线如图6所示。其中:工况1—工况3分别表示牵混所5中24脉波整流机组与恒压1 550 V、1 600 V、1 650 V双向变流装置协同工作的情况;整流工况下,输出电流为正。牵混所5直流负荷过程统计如表1所示。其中:PRAVG为整流机组有功功率的平均值;PBAVG为双向变流装置整流工况有功功率的平均值。 表1 工况1—工况3的牵混所5直流负荷过程统计 a) 工况1 由表1可知,当牵混所5中的双向变流装置保持牵引恒压特性运行时,随着启动电压从1 550 V提高至1 650 V,总体上整流机组输出功率的平均值逐渐减小,而双向变流装置整流输出功率的平均值逐渐增大,且其工作时间逐渐增加。这说明双向变流装置启动电压越高,负载功率分配越多。根据前文提到的供电系统的工作模式(见图4 a)),当Ud0增加时,设定值I1相应减小,随着牵引负荷电流增大,双向变流装置提早投入工作,其输出功率相较于原来有所增加。 2.2.2 整流机组工况影响 双向变流装置分别与12脉波整流机组、24脉波整流机组并联运行时,由于12脉波整流机组的等效阻抗大于24脉波整流机组,在相同负载情况下,第1种工作模式(双向变流装置与12脉波整流机组并联运行)的整流机组输出功率小于第2种工作模式(双向变流装置与24脉波整流机组并联运行),则第1种工作模式下的双向变流装置整流输出功率大于第2种工作模式。 以2020年11月10日牵混所5及牵混所6的双向变流装置与整流机组配合运行为例,分析牵混所6整流机组工况影响,其直流负荷统计柱状图如图7所示。其中:工况4表示整流机组与双向变流装置(恒压1 550 V)协同工作情况;工况5表示整流机组与双向变流装置(恒压1 600 V)协同工作情况。 图7 工况4—工况5的牵混所6直流负荷统计 由图7可知,12脉波整流机组、24脉波整流机组分别与双向变流装置并联运行时,在相同负载情况下,第1种工作模式牵混所6中的双向变流装置的整流输出功率峰值大于与第2种工作模式。测试结果表明,12脉波整流机组的等效阻抗大于24脉波整流机组的等效阻抗。 以2020年11月10日徐州某地铁工程牵混所5为例,分析该所双向变流装置(下垂外特性)与不同工况整流机组协同工作时的负载功率分配规律,其直流侧负荷统计结果如表2所示。其中:工况6表示24脉波整流机组与双向变流装置(下垂1 650～1 550 V)协同工作情况;工况7表示12脉波整流机组与双向变流装置(下垂1 650～1 550 V)协同工作情况;PRMAX为整流机组有功功率最大值;PBMAX为双向变流装置整流工况有功功率最大值。 表2 工况6—工况7的牵混所5直流侧负荷过程统计 由表2可知,牵混所5的双向变流装置以牵引下垂特性(1 650～1 550 V)运行时,工况6的双向变流装置整流输出功率峰值小于工况7,这同样也表明12脉波整流机组的等效阻抗大于24脉波整流机组的等效阻抗。 以工况6为例,当双向变流装置(下垂外特性)与24脉波整流机组协同工作并处于整流工况时,随着直流网压从1 650 V逐渐下降至1 550 V,整流机组及双向变流装置的输出电流逐渐增加,取该时段部分数据进行拟合,所得曲线如图8所示。由图8可知:实际情况下的整流机组下垂外特性并非线性,其自然下垂率随电流的变化而发生变化;由于装置控制策略原因,本次试验的双向变流装置并没有工作在恒功率区,其输出电流随着网压的降低而逐渐增加。 图8 整流机组自然下垂外特性拟合曲线 以2020年11月11日徐州某地铁工程为例,牵混所5及牵混所6的直流侧输出电流曲线如图9所示。其中:工况8表示整流+双向变流方案方案,即24脉波整流机组独立工作的情况(此时双向变流装置仅参与逆变);工况9表示全双向变流方案,即全线各牵混所整流机组退出后,双向变流装置以下垂外特性(1 650～1 550 V)独立运行的情况;整流工况下,输出直流为正。工况8及工况9的牵混所5及牵混所6直流负荷过程统计如表3所示。其中:IRAVG5、IRAVG6分别表示牵混所5及牵混所6的整流机组整流的输出电流平均值;IBAVG5、IBAVG6分别表示牵混所5及牵混所6的双向变流装置整流的输出电流平均值。 表3 工况8及工况9的牵混所5及牵混所6直流负荷过程统计 a) 工况8 由表3可知:当整流机组独立工作时,牵混所5及牵混所6的整流机组的输出电流平均值相近,为列车牵引提供所需电流;当全线双向变流装置独立运行时,牵混所5的双向变流装置整流输出功率平均值有所增加,牵混所6的双向变流装置整流输出功率平均值有所减少。这说明在本次试验中,双向变流装置可以替代整流机组独立运行,在列车牵引及制动时实现整流、逆变的功能,且系统牵引功率分布有所改变。 功率因数问题一直是困扰轨道交通供电系统的重要问题, 功率因数较低会导致电力部门的高额罚款。为了提高功率因数, 需对无功补偿效果进行分析。本节主要分析双向变流装置工作时的无功补偿效果。以含双向变流装置的车辆段为例,对其进行无功补偿分析。用双向变流装置进行无功补偿,切除SVG(静止无功发生器)后,不同无功补偿控制操作下,主所110 kV侧的无功功率均值(补偿前,主所容性无功功率均值为-3.87 Mvar)如表4所示。 表4 不同无功补偿控制操作下的主所无功功率均值 当双向变流装置无功功率补偿值依次增大为0.50 Mvar、1.00 Mvar时,主所110 kV侧的容性无功功率依次减少了0.49 Mvar、1.00 Mvar(与主所连接的其他牵混所负荷波动有关),理论计算的线路无功损耗依次为16.216 kvar、16.337 kvar,可忽略不计。因此,双向变流装置能有效对地铁供电系统进行无功补偿。 1) 通过对徐州某地铁工程含双向变流装置的牵混所5及牵混所6进行测试分析可知,双向变流装置的负载功率分配受到其启动电压及整流机组工况的影响。在恒压外特性下,当启动电压升高时,相同条件下双向变流装置的整流输出功率有所增加,此结果与混合系统综合输出外特性分析结果一致;双向变流装置分别与12脉波及24脉波整流机组协同运行时,其在第1种工作模式下的整流输出功率峰值大于第2种工作模式。 2) 对比整流+双向变流方案与全双向变流方 案发现,当整流机组与双向变流装置(仅逆变)协同工作时,牵混所5及牵混所6中整流机组的输出电流平均值均为194 A;当整流机组退出后,牵混所5及牵混所6的双向变流装置整流机组的输出电流平均值分别为331 A、29 A。结果表明,双向变流装置能完全代替整流机组独立运行,实现整流和逆变的功能。 3) 对含双向变流装置的车辆段进行无功补偿分析发现,当双向变流装置补偿的无功功率依次增大为0.50 Mvar、1.00 Mvar时,监测主所110 kV侧的容性无功功率均值依次减少了0.49 Mvar、1.00 Mvar,验证了双向变流装置无功补偿功能的有效性。
2.2 恒压外特性下负载功率分配情况实测分析
2.3 下垂外特性下输出功率情况实测分析
3 全双向变流方案运行性能实测分析
4 含双向变流装置的车辆段无功补偿分析
5 结论
