城市軌道交通混合式牽引供電裝置的關鍵技術與性能優化研究

王全恒　劉昊誠　趙偉

摘 要：牽引供電裝置在城市交通中扮演著重要的角色，尤其是對軌道交通的貢獻。電車無法回饋再生制動能量和功率因數偏低是當前軌道交通中明顯存在的兩個問題。混合式牽引供電裝置是解決這兩個問題的最佳途徑，該裝置包括PWM整流器機組和24脈波整流器機組。本文以提高城市軌道供電系統的效益為切入點，全面論述了混合式牽引供電裝置的技術要求，然后對交流側諧波穩定性與電流限制、直流側電壓諧波抑制和低直流電壓條件下裝置容量如何擴大3個重點問題進行詳細的分析和研究。

關鍵詞：關鍵技術；混合式牽引供電裝置；穩定性

社會在不斷地發展，社會的發展必然需要并推動交通的發展，而軌道系統作為一種重要的環保節能的交通方式，必然受到政府的鼓勵與支持。我國的城軌交通事業正處在精心設計與興旺發展的階段，其一定會帶動其他相關產業的飛速發展，為城軌交通關鍵技術的研究突破奠定雄厚的技術基礎。國家政府的重視與技術資本的雄厚為城軌交通的發展提供了保障，牽引供電系統又是城軌交通的核心，是電車正常運行的有力保障，所以對牽引供電的研究與分析是極為必要的。本文針對交流側諧波穩定性與電流限制、直流側電壓諧波抑制和低直流電壓條件下裝置容量如何擴大3個關鍵技術問題進行了較為詳細的探討，同時還研究了混合式牽引供電裝置交流側諧波優化與穩定性、分合式牽引供電裝置直流側電壓諧波的抑制方法和低直流電壓條件下混合式牽引供電裝置容量的擴大。

1 混合式牽引供電裝置交流側諧波優化與穩定性研討

1.1 牽引供電裝置交流側諧波抑制與穩定性分析及策略

眾所周知，由PWM整流器支撐的電容諧波電壓將對供電裝置產生影響，有必要對其進行抑制。一旦由直流輸出側的諧波電壓支撐的直流牽引網并網的設備過多以及電氣網絡變得復雜，就會導致電壓震蕩，因此對輸出側諧波電壓的抑制對電流穩定大有作用。首先，通過對脈波整流器工作原理的分析，可總結出脈波整流器直流側諧波電壓的新算法。嘗試結合單次諧波理論知識，歸納出以電流諧波畸變因數為結果的網側濾波器諧波電流含量的算法。基于此，再以網側濾波器取值的限制變量，得出電感量最小的網側濾波器參數設計策略。其次，透徹分析網側濾波器的頻率特性，并結合電壓定向雙閉環PI控制方法，離散電流環的控制模型，可歸納出控制器參數調諧對系統穩定性和動靜態性能影響的基本規律。最后，再借助分析諧振頻率、阻尼電阻、網側附加阻抗和附加時延環節對控制系統穩定性的影響，模擬仿真和小功率樣機實驗，對基本策略和規律進行有力驗證。

1.2 驗證與分析

由空載的案例分析得知，設置的直流側平衡電抗器和增大變壓器副變漏感這兩種拓撲的諧波含量一致，并且與本文歸納的諧波算法計算結果符合；由重載的案例分析得知，盡管諧波的分布與空載案例一致，但二者的拓撲諧波含量有出入，拓撲2的各次諧波較大，平均值下降，主要是因為漏感的增大帶來單個整流橋換相重疊過程的加劇。

2 直流電壓條件下混合式牽引供電裝置容量

在低直壓條件下，如果混合式牽引供電裝置的單位功率因數控制的PWM整流器功率輸出能力不足，會對城軌牽引供電系統造成影響，以致電車無法正常地運行。但基于對固定開關模式相角控制策略的研究，然后研究出有功與無功協調控制的參數設計方法，并平衡裝置輸出有功功率的提高和無功補償兩方面的比例，以改善過渡過程的動態特性。

2.1 策略——固定開關模式相角控制

如果直流電壓降低到一定程度，PWM整流器機組就需要通過輔助性地輸出合適的有功功率來提升直流電壓，滿足供電牽引需求。但是很明顯，PWM整流器是升壓整流器，為了保證單位功率因數的正常運行，其橋臂應該輸出的交流電壓幅值一定要足夠大，這就意味著低壓下PWM整流器難以輸出充足的有功功率。

2.2 策略——有功、無功協調控制

根據傳統的固定開關模式相角控制，可提出新型有效的有功、無功協調控制策略來解決當前問題。在混合供電裝置雙向變流基本能力能夠繼續發揮作用的前提下，向中壓環網輸出恒定的感性無功功率，以對電纜的容性進行無功補償，即將重新優化設計電網電壓幅值作為必要前提，加強供電裝置在額定直壓下輸出有功和無功功率的能力，加強在低直壓下有功功率輸出的能力，完善供電裝置功率變化時直壓的過渡性能，提高牽引系統功率因數。

2.3 兩種策略對比

3 結束語

本文分析了城市軌道混合式牽引供電裝置交直流側的技術需求，并依據需求引出的關鍵技術進行了研究；然后分析了直流側諧波特性，并基于直流側小信號模型總結出直流電壓諧波抑制策略，這種策略可以提高電壓的平穩度，減小電壓諧波；通過討論電網電壓畸變以及變壓器位移相對誤差對脈波整流器直壓特性的影響，得出了一種更為有效清晰的電壓諧波算法；推導出了供電裝置的直流側小信號模型，得出了濾波電感的取值優化過程，并結合實例進行了驗證和說明。

參考文獻

[1]許愛國，謝少軍.城市軌道交通牽引供電PWM變流器的研究[J].電力電子技術，2009，（10）：67.

[2]馮江華，張志學.軌道電力牽引中高效友好的電能利用[J].機車電傳動，2012，（5）：32.

[3]馬琪.國產地鐵車輛制動系統[J].都市快軌交通，2004，（17）：102.

（作者單位：1.青島地鐵集團有限公司運營分公司；2.成都地鐵運營有限公司；3.青島地鐵集團有限公司運營分公司）