基于地鐵接觸網直流融冰裝置分析

任維維

南京地鐵運營有限責任公司， 江蘇南京 ?210012

摘要：本文將在地鐵接觸網的基礎上，對地鐵接觸網的直流融冰背景特點進行詳細分析，然后在此基礎上針對地鐵接觸網融冰的基本需求，提出了一種全橋性質的MMC直流融冰裝置，以此為滿足地鐵接觸網的直流融冰需求提供有力幫助。

關鍵詞：地鐵;接觸網;直流融冰裝置

1直流融冰背景特點

城市化進程的加快使得大城市的交通擁堵問題愈發嚴重，解決擁堵問題的有效途徑在于發展軌道交通。但是在我國的南方地區，在冬季濕度、溫度和風速的影響下，高架段的地鐵接觸網表面極易覆蓋大面積的冰層，在寒冰影響下，受電弓取流會受到很大影響，甚至會使受電弓發生斷裂和損壞問題，這對地鐵的運行安全將會造成極大影響。在地鐵接觸網覆冰的處理當中，主要方法有化學處理、人工處理、熱滑處理、大電流熱力融冰等。其中大電流熱力融冰所采用的的就是直流融冰技術，該方法較為簡單可靠便捷，因此在電網覆冰處理中被廣泛使用。其工作原理為利用直流融冰裝置在電網的架空線中通入大電流，然后通過導線電阻發熱的現象以達到融化冰層的目的。

2直流融冰裝置基本工作原理

本文介紹的直流融冰裝置是基于全橋子模塊的MMC圖片普，當MMC換流器交流側經過變壓器接觸35KV的交流電網之后，MMC直流就會通過刀閘與地鐵接觸網相接。FBSM按照設定的調整和控制策略可以對正、負、零電平進行輸出，使變換器直流側的點電壓電流在額定范圍內可無限調節，在變換器直流電壓和直流功率較低、變換器輸出的交流電流波形質量較好的情況下，可對不同長度的線路進行融冰，且不會對電網產生有功需求，因此不需要添加額外的濾波器組。通過公式計算可知：

MMC拓撲和傳統的VSC電路理論一致，因此在控制方面仍然可以沿用VSC的控制方法。

3新型地鐵接觸網融冰裝置控制策略

由上文內容可知，全橋直流融冰裝置的工作原理與VSC相同，那么可以采用基于同步坐標系傳統的雙閉環控制方法，通過交叉連接和饋電實現了盲功率和有功功率的獨立控制，外環包括功率環、直流環和直流外環，其中直流電流外環會實現對融冰裝置直流電流輸出的控制，直流電流從0到額定值可以間斷、連續調整;直流電壓外環能夠實現對融冰裝置功率模組無功功率輸出的控制;內環則是能夠在外環指令的引導下對電流進行控制。但與VSC不同的是，直流融冰裝置必須加入電容均衡算法和流量抑制方法，以均衡電容電壓和抑制橋臂環流。

3.1載波移相調制

載波移相是變換器中最常用的電容電壓分量法。它可以在較低的開關頻率下獲得良好的波形。但是由于功率模組參數的不一致性，單一的采用載波移相調制方法會降低電容電壓的聚集力。有學者提出可以通過調整橋臂內部在不同空間中的能量分布來平衡電容電壓，如圖1。

由上圖可知，功率模組i的電容電壓為Uci，橋臂中所有模組電容電壓的平均值用 表示，功率模組i的電容電壓和平均值之間存在的誤差經過比例積分器之后乘以橋臂電流ibr，之后得到?ui*，然后用?ui*加上橋臂的調制波ubr*，就可以得到功率模組i的調制波ui*。最后通過載波移相得到功率模組i的驅動脈沖

3.2環流抑制方法

全橋融冰裝置的儲能電容處于分布式布置的狀態，三相之間的能量分配平衡性較差，這導致融冰裝置內部存在內環流，這種現象極易造成橋臂電流波形畸變，使得開關器件損耗加大。有學者針對這一問題推導出環流解析表達式，并得到了內部環流為負序2倍電流的結論。

首先對每一相橋臂的電流進行求和，得出的數值就是橋臂環流，然后通過DQ變換得到橋臂還留起DQ分量，最后通過比例積分器成為調制波的橋臂環流分量，然后將其作用到雙閉環產生的調制波上，以此實現抑制橋臂環流的效果。

4最終結果驗證

為了對全橋融冰裝置的設計和控制可行性進行驗證，用PSCAD搭建仿真模型，從模型中發現，直流融冰裝置電流需要從零開始連續可調，融冰電流在0到額定值1500A之間。在這一范圍內，融冰電流可以按照相關指令進行跟隨，經試驗發現，由于接觸網的電抗過大，電流容易出現超調問題，但是通過觀察有關波形，融冰裝置輸出電流諧波較小，正弦度較好，精度較高，且對電網影響較小;模塊電容電壓與電壓外環指令一致，模塊間電容電壓平衡良好，橋臂電流辨識高，二次諧波回流小。

總結

由以上信息可知，全橋直流融冰裝置在地鐵接觸網覆冰融化中能夠起到良好的使用效果，且不易發生故障問題，能夠實現0到1500A額定值之間的精準控制。這對減輕冰層覆蓋鐵路面，提高地鐵運行安全具有積極影響，另外在模型仿真驗證中也發現，該類型融冰裝置還具有零電流升流、電流諧波小、橋臂環流小、正弦度較好，模組間電容電壓均衡度好等特點，值得地鐵行業大力推廣使用。

參考文獻

[1]馬曉紅，許逵，林奕群， 等.全橋MMC型直流融冰裝置試驗技術研究[J].電力電容器與無功補償，2019，40（5）：31-37.