HESOP 智能可逆直流牽引變電所研究

王懷東，劉 濤

0 引言

2019年我國城市軌道交通總電能消耗152.6億kW·h，同比增長15.5%，其中牽引能耗79 億kW·h，同比增長17.3%[1]。隨著新建城市軌道交通線路的增加，其總體能耗指標仍然在不斷增長。節能技術在城市軌道交通領域的應用成為熱門話題之一，對于軌道交通能耗占比約52%的牽引能耗成為最有前景的節能方向。

1 研究背景

幾十年來，由三相牽引變壓器和二極管整流器組成的直流牽引供電系統成為城市軌道交通牽引供電的成熟解決方案。然而，隨著可回收能量車輛的不斷發展，該系統固有的一些弱點開始顯現：

（1）牽引電流越大，變電所和接觸網的電壓下降越多，該影響由于車輛使用轉換器驅動而加劇，通過轉矩控制，車輛即使在接觸網電壓下降時仍使受電弓保持恒定的功率負載。

（2）制動能量的使用僅限于制動車輛本身的輔助功率，以及在同一供電分段上同時加速的車輛，如果這些加速車輛相距太遠，則多余的功率會在制動電阻中轉化為熱量，制動能量不能得到充分利用，且增加了熱量釋放。

圖1 所示為典型整流變電所的電流電壓特性。無任何負載時，變電所空載電壓為U0；當牽引電流ITSS增加時，電壓UTSS呈線性下降；當電流達到額定電流值Irect時，電壓達到其額定值UN；過載的情況下電壓將進一步下降。列車之間的能量回收交換只能在U0以上進行。如果列車間隔太遠，制動車輛的電壓將達到Umax1閾值（IEC 62590），此時制動電阻需要介入，大量的制動能量通過車載電阻被消耗，從而保證變電所的電壓低于標準規定的最高連續電壓Umax1。

圖1 典型整流變電所的電流電壓特性

為了突破以上局限，最大限度地回收制動能量，有以下幾種不同思路的解決方案：

（1）優化牽引供電方案，整流器可由晶閘管代替二極管構成，可以動態控制輸出電壓，但增加了交流電網諧波振蕩和提高了無功需求。

（2）提高列車制動能量的回收，可增設逆變器，但勢必會影響列車之間的自然能量交換。

（3）由于許多電力公司不鼓勵孤立的能源回收業務，部分軌道交通運營方選擇安裝固定的儲能設備。然而，除了容量有限外，這些儲能系統還存在結構復雜、壽命短等缺點，且增加了維護成本。

2 HESOP 智能可逆直流牽引變電所

2.1 HESOP 可逆變電所概述

本文研究一種集成化解決方案，在簡化設備組成的同時實現能源優化，成為雙向“智能”變電所。該研究成果（HESOP 可逆變電所）于2006 年通過技術論證，并于2011 年在法國上線驗證了以下主要指標：

（1）再生/回收99%的制動能量，同時保持列車之間的自然能量交換優先；這將允許消除制動電阻，從而減輕列車重量，減少熱量釋放。

（2）在牽引和逆變模式下均可調節其輸出電壓，以減少損失，并增加牽引變電所間距。

（3）降低諧波水平，改善交流側功率因數。

圖2 簡要匯總不同型式變電所結構和功能上的差異。

圖2 不同型式變電所結構及功能

如圖2 所示，HESOP 變電所在結構上沿用了傳統二極管變電所的設計理念，所使用的設備組件也相似。值得一提的是，HESOP 變電所交流電和直流電輸入和輸出端的接口需求與傳統變電所差異不大，因此在相同功率的情況下，HESOP 變電所可以完美匹配傳統變電所使用的高壓斷路器和直流快速斷路器。

上述不同型式變電所的結構差異最明顯的表現是HESOP 變電所使用1 臺大功率IGBT 雙向變流器替代了傳統變電所的二極管整流器或其他能饋變電所的整流器加逆變器裝置。由此，HESOP變電所體現了簡化變電所結構的優勢。

HESOP 變電所通過智能動態調壓確保在牽引供電模式和能量回收模式下均能最大程度優化直流供電的電壓和電流，從而實現對牽引供電的優化以及超過99%的列車制動能量的回收。在交流端，HESOP 變電所可以大幅度減少諧波（電流畸變率小于5%），并且功率因數大于0.99。

2.2 HESOP 可逆變電所的技術特點

如圖3 所示，HESOP 可逆變電所具有雙向電流-電壓轉換的靈活性。圖中電壓UTSS在牽引供電模式下可被控制在一個恒定的水平，獨立于輸出電流ITSS。該方案彌補了傳統二極管整流器在大電流時帶來的電壓降低，從而優化了直流牽引供電。

圖3 HESOP 可逆變電所電流電壓特性

對于回饋模式中的電壓設置，可以基于不同的線路特征動態調壓，以達到實際應用中的最佳值。通常，UTSS會被盡可能調高，以便優先允許制動列車與加速列車之間的能量自然交換。另一方面，當線路上只有列車制動，沒有正在加速的列車自然回收制動能量時，UTSS會被盡可能調低，以防止制動列車局部電壓升高致使能量送至制動電阻中消耗。這樣，可以保持接觸網電壓在可控范圍內變化，并確保99%以上的可用制動能量被實際回收。

圖4（a）示意某型傳統列車的牽引變電系統，現如今已由IGBT 驅動功率變換器取代，用于所有多單元列車和機車，系統可提供交流電。主變壓器的設計取決于主電路的結構，在進行傳統列車牽引變電系統設計時，通常安裝1 個特殊的交流濾波器連接到變壓器的三級繞組，以消除寄生電流。

在圖4（b）中可以看到完全相同的組件，左側為HESOP 直流可逆變電所，右側出現列車典型的三相驅動設備，由逆變器和牽引電機組成。

圖4 不同功率轉換方案對比

3 HESOP 的產品平臺

HESOP 產品與傳統的鐵路供電系統在設計理念上非常接近，可以靈活地集成到現有的變電所建筑結構中。如圖5 所示，HESOP 提供了靈活的智能變電所系統，在中壓配電系統和有軌電車/地鐵接觸網之間實現整流和逆變。

圖5 HESOP 可逆智能變電所

HESOP 完全采用模塊化設計，產品平臺擁有兩個功率范圍：

（1）對于有軌電車線路，HESOP 變電所提供的額定功率和電壓分別為1.2 MW、750 V，其具有很強的瞬態過載能力，可以達到相當于額定電流的4.5 倍，持續15 s，滿足IEC 62590 標準規定的七級過載能力要求，這表示峰值功率輸出可以達到5 MW 以上。

（2）對于功率要求較高的地鐵線路和列車，可提供一個版本的額定功率和電壓：2.0 MW、750 V，具有3 倍的額定電流過載能力，持續60 s，滿足IEC 62590 標準規定的六級過載能力要求。若這些HESOP 模塊中的兩個串聯在輸出側，則可以提供1 500 V 額定電壓，額定功率為4.0 MW，峰值輸出功率達12 MW。

表1 為當前HESOP 產品平臺的主要參數。

表1 HESOP 產品平臺的主要參數

4 HESOP 應用案例

HESOP 所具有的優勢使其成為一種獨特的解決方案，該方案可以滿足不同城市和郊區線路的運輸運營需求。截至目前，已有超過120 套HESOP設備在全球多個國家安裝并投入使用（表2），其中超過40 臺設備已經正式上線運行，證明HESOP可逆變電所是一種先進的能饋解決方案，可大大提高能源性能和優化牽引所需的功率，從而節省能源和降低基礎設施成本。

表2 HESOP 設備應用案例

5 結語

本文提出一種HESOP 智能可逆直流牽引變電所，就該變電所的技術特點、產品平臺、應用推廣等方面作了闡述。得出以下結論：

（1）該變電所可最大程度地優化直流供電的電壓和電流，可對99%以上的列車制動能量進行回收，大幅度減少諧波，功率因數大于0.99。

（2）在牽引供電模式下，該牽引變電所保持UTSS在恒定水平；在回饋模式下，可以動態調節UTSS至最佳值。

（3）該變電所采用模塊化設計，可滿足不同運營場景的需求。