雙向變流器在城市軌道交通中的應(yīng)用淺析

余 龍，張 鋼

0 引言

目前，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)一般采用二極管整流模式。二極管整流器技術(shù)簡(jiǎn)單可靠、設(shè)備皮實(shí)耐用、功率大、價(jià)格相對(duì)低廉，所以二極管整流器在城市軌道交通工程中得到了廣泛應(yīng)用。

但是該模式存在諸如本體電壓降隨負(fù)荷增大而增大、無法處理回饋的制動(dòng)能量等問題。為此增加的配套設(shè)施，不僅加大了工程投資，還帶來了相應(yīng)的設(shè)備維護(hù)問題。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外城軌業(yè)界都在不斷致力于開發(fā)更加可靠、簡(jiǎn)單、節(jié)能和節(jié)省投資的牽引供電設(shè)備及應(yīng)用模式。目前，由國(guó)內(nèi)單位自主研制的適用于城軌交通牽引供電系統(tǒng)的大功率雙向變流器已通過了實(shí)際工況的考驗(yàn)，使城軌牽引供電設(shè)備模式和節(jié)能技術(shù)的變革出現(xiàn)了曙光。

1 雙向變流器原理

雙向變流器是以全控型電力電子器件組成并采用PWM控制方式的電力電子變換器。其交流側(cè)通過變壓器連接中壓交流電網(wǎng)（35，10 kV），直流側(cè)連接牽引網(wǎng)直流母線（750，1 500 V）。投入運(yùn)行后，控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)中電壓、電流參數(shù)判斷直流側(cè)電網(wǎng)上的列車運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)判斷線路上的列車處于牽引工況時(shí)，控制指令使雙向變流器以整流模式運(yùn)行，從交流側(cè)吸收電能，經(jīng)整流后輸出直流電能供列車使用；當(dāng)判斷列車處于制動(dòng)工況時(shí)，雙向變流器則以逆變模式運(yùn)行，將直流母線上的電能逆變?yōu)榻涣麟娮⑷虢涣麟娋W(wǎng)中。

雙向變流器的電路原理如圖1所示。

圖1 雙向變流器原理圖

雙向變流器既能夠?yàn)榱熊囂峁?qū)動(dòng)電能，又能夠吸收列車的再生制動(dòng)電能，直接快捷地實(shí)現(xiàn)電能的雙向變換。

由于采用了PWM控制方式，雙向變流器的電能變換過程輸出諧波少（電流畸變率<3%）、效率高（98%）、輸出平穩(wěn)、系統(tǒng)電能質(zhì)量高[1]。

當(dāng)發(fā)揮牽引供電功能時(shí)，既保證了直流電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，也最大程度地回收了列車再生制動(dòng)能量，節(jié)省了大量牽引電能。

另外，雙向變流器可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，交流側(cè)功率因數(shù)可控（控制范圍從-1到+1），且雙向變流器機(jī)組直接與地鐵中壓供電網(wǎng)絡(luò)相連，所以不需要系統(tǒng)電路上的調(diào)整，僅通過一定的控制程序，即可向中壓供電網(wǎng)絡(luò)中注入連續(xù)可調(diào)的無功功率，實(shí)現(xiàn)中壓靜止無功發(fā)生器（SVG）的功能。

目前樣機(jī)容量為2 MW，短時(shí)功率2.5 MW，采用單柜體結(jié)構(gòu)，空氣絕緣，強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻方式，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于城市軌道交通工程環(huán)境。

樣機(jī)按照鐵道設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)通過了型式試驗(yàn)，在一運(yùn)營(yíng)地鐵中進(jìn)行了掛網(wǎng)試驗(yàn)，通過了實(shí)際工況下的考驗(yàn)，設(shè)備各項(xiàng)功能正常發(fā)揮，技術(shù)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 應(yīng)用方案研究

對(duì)于雙向變流器，研究人員從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多方面考慮，提出了多種工程應(yīng)用方案。限于篇幅，本文僅介紹其中最具代表性意義的方案。

2.1 完全采用雙向變流器的方案

該方案完全采用雙向變流器替代二極管整流器，徹底改變了目前的牽引供電設(shè)備模式。系統(tǒng)一次接線如圖2所示。

圖2 完全采用能饋式牽引供電機(jī)組的方案示意圖

該方案由于全部電路均為PWM整流電路，具備以下明顯的優(yōu)點(diǎn)（與二極管整流模式對(duì)比）：

（1）輸出直流電壓紋波系數(shù)更小，電流諧波含量更低（<3%）。

（2）直流電壓特性更“硬”，而且可控。

（3）將制動(dòng)能量回饋吸收，轉(zhuǎn)換效率高（>96%），節(jié)能效果明顯。

（4）交流側(cè)功率因數(shù)高（0.99）且可控。

但是，該方案也有如下的主要局限：

目前，雙向變流器的核心設(shè)備采用了全控型電力電子器件。該類產(chǎn)品目前的容量還遠(yuǎn)小于二極管，故雙向變流器單臺(tái)最大功率遠(yuǎn)低于二極管整流器。要達(dá)到同等供電能力，需要的雙向變流器數(shù)量多、占地面積大，設(shè)備投資也相當(dāng)大。所以目前該方案在實(shí)際工程中應(yīng)用不太可行[1]。

2.2 混合方案

經(jīng)過分析論證并通過試驗(yàn)證明，二極管整流機(jī)組與雙向變流器混合使用的方案是可行的，且諧波等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合要求。

保留二極管整流機(jī)組可發(fā)揮其容量大、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。雙向變流器機(jī)組也可負(fù)擔(dān)一定的整流負(fù)荷，從而降低二極管整流機(jī)組一定的設(shè)計(jì)容量。兩者結(jié)合，既保證了供電能力，又實(shí)現(xiàn)了能量回饋，且整體投資比完全采用雙向變流器的方案大幅降低。混合方案也有多種，下面分析幾種典型的情況。

（1）混合方案一。該方案由2套容量較小的二極管整流機(jī)組加1套雙向變流器機(jī)組組成，如圖3所示。

圖3 混合方案一主接線圖

2套二極管整流器組合（等效24脈波）為供電功率和質(zhì)量提供了基本保障。雙向變流器則解決了制動(dòng)能量吸收的問題，同時(shí)補(bǔ)充了供電功率。在該模式下，系統(tǒng)的各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)不低于二極管整流模式，且具備制動(dòng)能量吸收功能。但是設(shè)備（變壓器、中壓交流開關(guān)、直流開關(guān)等）數(shù)量較多，系統(tǒng)接線較復(fù)雜，設(shè)備投資、房建投資也有所增加。

（2）混合方案二。該方案由1套大容量二極管整流機(jī)組加1套雙向變流器機(jī)組組成（圖4）。

目前，單臺(tái)大容量（可高達(dá)5 MW）的12脈波二極管整流機(jī)組已經(jīng)成熟應(yīng)用，而單臺(tái)大容量24脈波二極管整流器機(jī)組也正在推廣中。以技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，目前常用的2臺(tái)組合等效24脈波二極管整流機(jī)組模式終將被大容量單臺(tái)機(jī)組替代。所以，混合方案一可以優(yōu)化為混合方案二。

圖4 混合方案二主接線圖

2套設(shè)備容量互補(bǔ)、功能匹配，系統(tǒng)電路更加簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量和占地面積更少，工程投資更少，真正實(shí)現(xiàn)了技術(shù)與效益的更好結(jié)合。

2.3 無功補(bǔ)償方案

由于雙向變流器電路結(jié)構(gòu)與SVG基本一致，而且交流側(cè)（通過變壓器）直接接入中壓系統(tǒng)，所以不需調(diào)整電路硬件和復(fù)雜的倒閘作業(yè)，而僅在控制程序中改變測(cè)量參數(shù)和算法，即可轉(zhuǎn)變?yōu)榈韧赟VG功能的裝置。分布在全線各牽引所中的雙向變流器，形成類似于就地補(bǔ)償裝置的模式，減少了主變電所集中補(bǔ)償?shù)膲毫ΑＲ归g線路停運(yùn)時(shí)段正好也是地鐵供電系統(tǒng)最需要無功補(bǔ)償?shù)臅r(shí)段，雙向變流器可以無功補(bǔ)償模式運(yùn)行，補(bǔ)償?shù)罔F供電系統(tǒng)中的無功。轉(zhuǎn)換過程方便快捷，質(zhì)量高，做到了一物多用，提升了設(shè)備的價(jià)值。

3 試驗(yàn)和試運(yùn)行情況

3.1 牽引供電試驗(yàn)情況

一系列試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)備在實(shí)際工況下穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2]。

以下摘選試驗(yàn)中的典型情況以及數(shù)據(jù)圖片。

圖5中，上方波形是雙向變流器機(jī)組交流側(cè)的電流波形，下方波形是二極管整流機(jī)組交流側(cè)的電流波形。可以很明顯地看到：雙向變流器機(jī)組牽引電流、反饋電流表現(xiàn)明顯，而二極管整流機(jī)組只在牽引過程有明顯的電流，而到了列車制動(dòng)時(shí)，沒有任何電流流過。

圖5 牽引-制動(dòng)全過程中裝置交流側(cè)的電流波形圖

圖6中，波形從上至下分別為1 500 V直流母線電壓、直流饋線（接觸網(wǎng)）電流、1號(hào)和2號(hào)二極管整流機(jī)組直流側(cè)電流、雙向變流器直流側(cè)電流。

圖6 牽引-制動(dòng)全過程中裝置直流側(cè)的電流電壓波形圖

從圖 6中可以看到：在牽引-制動(dòng)過程中，二極管整流機(jī)組的電流變化幅值為單向，而雙向變流器和直流饋線電流波形走向一致，電流變化幅值是正負(fù)雙向的。很明顯地反映了二極管整流器單向供電，反向截止，雙向變流器電流雙向流動(dòng)的特點(diǎn)。

在該試驗(yàn)中，雙向變流器最大整流輸出功率達(dá)到1 010 kW，最大逆變輸出功率達(dá)到934 kW。

3.2 無功發(fā)生試驗(yàn)

無功發(fā)生試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙向變流器產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的感性、容性無功功率的能力。該裝置樣機(jī)理論上可產(chǎn)生2 Mvar感性無功功率和1 Mvar容性無功功率。在試驗(yàn)中，由于環(huán)境所限，未全功率輸出，裝置發(fā)出了最大感性無功功率1 098 kvar，最大容性無功功率743 kvar。圖7是裝置產(chǎn)生的無功電流，可見電流平順，波形標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 無功發(fā)生試驗(yàn)時(shí)交流側(cè)的電流波形圖

4 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景分析

與逆變吸收、電阻消耗等制動(dòng)能量吸收方式相比，雙向變流器以同一電路實(shí)現(xiàn)了整流與逆變的功能，不用單獨(dú)設(shè)置制動(dòng)能量吸收電路，減少了設(shè)備數(shù)量和設(shè)備安裝空間，從而在設(shè)備和建筑兩方面節(jié)省了工程投資。同時(shí)，雙向變流器的應(yīng)用可在城軌工程的多方面產(chǎn)生連帶影響，帶來經(jīng)濟(jì)效益不可低估[1]。

目前影響雙向變流器推廣的因素主要是技術(shù)可靠性的長(zhǎng)期驗(yàn)證和設(shè)備造價(jià)問題。但是隨著大量后續(xù)工作的進(jìn)行以及電力電子器件制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題的解決是可以有樂觀預(yù)期的，隨之帶來的是雙向變流器的廣闊應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

大功率雙向變流器的研制成功，對(duì)國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程的影響是巨大的。隨著該技術(shù)的逐漸成熟和設(shè)備價(jià)格的降低，雙向變流器的技術(shù)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益會(huì)日益體現(xiàn)。含有雙向變流技術(shù)的牽引供電模式，極有可能成為未來城軌牽引供電系統(tǒng)的重要技術(shù)，甚至帶來城軌牽引供電技術(shù)的一場(chǎng)變革。

[1]北京交通大學(xué)，廣州地鐵總公司，中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.能饋式牽引供電裝置掛網(wǎng)試驗(yàn)報(bào)告、研究報(bào)告[R].2010，4.

[2]北京交通大學(xué).能饋式牽引供電裝置型式試驗(yàn)報(bào)告[R].2010，2.