双向变流器在城市轨道交通供电系统中的应用

2024-02-22郑月宾杨雅银辛红东何俊文梅桂芳

城市轨道交通研究 2024年2期

王毛郑月宾宋雷杨雅银辛红东何俊文梅桂芳

(1.徐州地铁集团有限公司,221116,徐州; 2.西安许继电力电子技术有限公司,710075,西安;3.中铁十二局集团电气化工程有限公司,030024,天津; 4.中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉)

城市轨道交通线路普遍采用直流牵引供电方式,由二极管整流机组为列车提供供电电源。整流机组在可靠性、价格等方面优势明显,但也存在无法吸收利用列车再生反馈能量、输出直流电压不可控等缺点[1]。双向变流器采用全控型IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件和PWM(脉冲宽度调制)控制技术,具备逆变和整流双向能量变换的能力,既可在逆变模式下吸收利用列车的再生反馈能量,也可在整流模式下为列车提供牵引能量。此外,双向变流器还具备灵活的直流电压调整性能。

针对二极管整流技术存在的无法吸收利用列车的再生反馈能量、输出电压不可控等技术问题,本文基于双向变流器的牵引供电技术,分析了双向变流器的运行逻辑和控制特性,并在徐州地铁2号线车辆段和正线分别开展了单列车运行试验和全线多列车运行试验,测试了双向变流器独立供电、双向变流器与二极管整流机组混合供电工况下的列车运行性能指标和双向变流器性能指标。本文研究验证了将双向变流供电技术应用于城市轨道交通牵引供电系统的可行性,可为城市轨道交通牵引供电技术的发展提供新的技术指导和解决思路。

1 双向变流器工作原理

1.1 主电路拓扑

双向变流器主要由直流母线电容、逆变桥、滤波器组成。直流母线电容用于维持直流侧电压的稳定,6个IGBT组成三相逆变桥,通过不同的导通时序和脉冲宽度控制输出功率的流向和大小。LCL型滤波器用于滤除输出电流的谐波。

1.2 运行逻辑

双向变流器通过检测和判断直流电压来决定运行模式:当直流电压低于牵引启动电压时,双向变流器进入整流运行模式;当直流电压高于回馈启动电压时,双向变流器进入逆变运行模式[2]。

通过控制逆变桥口的电压矢量实现整流模式和逆变模式的切换,同时逆变桥口的电压矢量还可间接控制交流侧电流的幅值和相位。当双向变流器整流运行时,交流电流与电网电压同相位;当双向变流器逆变运行时,交流电流与网压反相位;当双向变流器补充无功功率时,交流电流滞后(感性)或超前(容性)电网电压90°。

2 双向变流器控制特性

2.1 变电所主接线

徐州地铁2号线全长24.15 km,全线共设车站20座,其中牵混所10座。每个牵混所设置2套整流机组和1套双向变流装置。双向变流装置的交流侧通过35 kV中压开关柜连接到整流机组同段35 kV 母线,直流侧通过1 500 V开关柜连接到1 500 V母线[3]。

整流机组的额定容量为2×2 200 kW,具备150%过载运行2 h,300%过载运行1 min的能力;双向变流装置的额定容量为2 000 kW,具备150%过载运行2 h,250%过载运行1 min的能力。双向变流装置既可以仅作为逆变器运行在回馈模式,也可以作为双向变流器运行在牵引回馈双向模式。根据整流机组的投入和退出情况,双向变流装置可分为独立供电和混合供电两种控制特性。

2.2 独立供电模式下的外特性

当所有牵混所的整流机组退出,双向变流装置独立供电时,双向变流器的外特性曲线如图1所示。整流段采用下垂控制,以实现相邻牵混所之间功率的均衡分配;逆变段采用恒压控制,以实现网压的稳定控制[4]。外特性曲线ABC段:当列车惰行时,双向变流器处于空载状态,其直流电压为Udo(对应图1曲线上的C点);当列车制动时,双向变流器的直流电压有所升高,再生反馈能量优先被邻近的列车吸收利用(对应图1曲线上的C→B段);多余的再生能量使双向变流器的直流电压继续升高,当达到逆变启动电压Uinv时,双向变流器进入逆变模式,在容量范围内保持直流电压恒定(对应图1曲线上的B→A段)。特性曲线CD段:当列车牵引运行时,双向变流器进入整流模式,整流输出功率越大,直流电压越低(对应图1曲线上的C→D段)。

注:Udc为双向变流器直流电压;Uinv为逆变启动电压;Udo为双向变流器空载电压;I为变流器输出的直流电流;A、B、C、D为双向变流器最大逆变电流点、空载至逆变状态切换点、空载至整流状态切换点、最大整流电流点。

2.3 混合供电模式下的外特性

当部分牵混所的整流机组退出,双向变流装置与未退出的整流机组构成混合供电时,双向变流器的外特性曲线如图2所示。整流段采用分段下垂控制,其下垂斜率与整流机组相同,以使双向变流器承担与原整流机组相同的牵引功率。逆变段采用恒压控制,以实现网压的稳定控制。外特性曲线ABC段:ABC段特性与独立供电模式下的外特性完全相同。外特性曲线CED段:CED段特性的下垂斜率与整流机组相同,CE段下垂斜率为15%,ED段下垂斜率为3%[5]。

注:E为整流斜率切换点。

在独立供电和混合供电两种模式下,双向变流器Udo的整定范围为1 500～1 650 V,逆变启动电压Uinv的整定范围为1 650～1 800 V,逆变电压启动值的整定需要结合列车再生能量被相邻车的吸收比例、列车闸瓦制动情况来综合考虑。当双向变流器独立供电运行时,其下垂斜率整定范围为0～3%,可根据运行需要进行调整。

3 单列车试验

在徐州地铁2号线车辆段试车线进行单列车试验。在AW0(空载)条件下,分别测试了双向变流器在独立供电、混合供电两种模式下的电气性能。

3.1 列车参数

徐州地铁2号线列车采用6节编组(4动2拖,B2型车),列车最高运行速度为80 km/h,空车质量为206 t。列车采用轻量化设计,取消了全部车载电阻配置,依靠地面双向变流装置吸收多余制动功率。当列车直流电压高于1 880 V时,空气制动系统启动投入。

列车的牵引特性:当列车运行速度为0～57 km/h时,列车采用恒转矩控制,牵引力恒定为244 kN;当列车运行速度为57～80 km/h时,列车采用自然特性控制。列车的制动特性:当列车运行速度为80～5 km/h时,列车采用恒转矩控制,制动力恒定为232 kN;当列车运行速度小于5 km/h时,列车采用空气制动。

根据牵引特性计算的列车最大牵引功率为4 293 kW;根据制动特性计算的列车最大制动功率为4 640 kW。牵引传动系统效率取为0.9。双向变流器的峰值功率为5 000 kW,能够满足AW0条件下,单列车运行速度为80 km/h、100%牵引及制动工况的试验配合要求。

3.2 独立供电模式

车辆段的2套整流机组退出运行,双向变流装置运行在牵引回馈双向模式,试车线上仅保留1列试验列车。双向变流器的空载电压设为1 650 V,下垂斜率设为0,逆变启动电压设为1 720 V,对运行速度为80 km/h的单列车进行100%牵引及制动工况试验。

独立供电模式下的列车牵引及制动测试参数如表1所示。双向变流器的容量能够满足列车的最大牵引、制动功率要求,列车最低网压为1 581 V,最高网压为1 771 V。在牵引及制动工况下,双向变流器的电流谐波分别为2.2%、1.7%,功率因数均为0.99。在试验过程中,双向变流器的整流/逆变模式能够与列车的牵引/制动工况自动适应,模式切换平滑稳定,列车运行平稳。

表1 独立供电模式下列车牵引及制动测试参数

3.3 混合供电模式

车辆段的2套整流机组投入运行,双向变流器运行在牵引回馈双向模式,空载电压设为1 650 V,逆变启动电压设为1 720 V,对运行速度为80 km/h的单列车进行100%牵引及制动工况试验。

混合供电模式下的列车牵引及制动测试参数如表2所示。列车最低网压为1 505 V,最高网压为1 767 V,双向变流器的最大整流功率为2 400 kW,整流机组的最大整流功率为2 050 kW。在试验过程中,双向变流器的整流/逆变模式能够与列车的牵引/制动工况自动适应,模式切换平滑稳定,列车运行平稳。当列车处于牵引模式时,双向变流器与整流机组共同向列车供电;当列车处于制动模式时,双向变流器自动切换到逆变模式,切换过程平滑。

表2 混合供电模式下列车牵引及制动测试参数

3.4 对比分析

分别对比了双向变流装置独立供电、双向变流装置与整流机组混合供电、整流机组供电3种模式下的列车网压情况,如图3所示。当整流机组供电时,列车最低网压为1 460 V;当双向变流装置与整流机组混合供电时,列车最低网压为1 505 V;当双向变流装置独立供电时,列车最低网压为1 581 V。由此可知,采用双向变流器能够有效提高牵引网的最低电压。

图3 3种供电模式下的列车网压对比

4 全线试验

在徐州地铁2号线正线上进行全线试验,上线列车数量为12列,行车间隔为8 min 45 s,在列车正常运行情况下,开展双向变流器独立供电和混合供电两种模式下的试验。

4.1 独立供电模式

全线各牵混所的整流机组退出运行,双向变流器运行在牵引回馈双向模式,空载电压设为1 650 V。为了提高相邻牵混所之间牵引功率的均衡度,将双向变流器的下垂斜率设为3%。为了提高再生能量被相邻列车吸收的比例,将逆变启动电压设为1 750 V。

独立供电模式下徐州地铁2号线各牵混所最大牵引功率及最低直流电压如表3所示。徐州地铁2号线全线各牵混所的牵引功率分布较为均衡,线路北段(客运北站站—科技城站)的最大平均牵引功率为1 387 kW,线路南段(大龙湖站—新城区东站)的最大平均牵引功率为3 355 kW。各牵混所的电压控制效果较好,全线牵混所的最低直流电压为1 572 V。独立供电模式下的列车网压及运行速度曲线如图4所示。列车的网压波动较小,最低网压为1 557 V,最高网压为1 750 V。