基于下垂特性的地鐵雙向變電站直流電壓控制策略研究

單輝

(常州地鐵集團有限公司,江蘇 常州 213000)

在城市軌道交通的運行中,為列車提供驅動力的能量來源為電能,采用的牽引供電壓也主要有兩種,分別為750V 和1500V。在列車的制動方式上,主要采用再生制動為主、空氣制動為輔[1-2]。列車運行過程中如果產生的再生制動電能過剩,會導致牽引網電壓的突然飆升,為此需要采用特殊的處理措施將這部分電能耗散掉,導致電力損耗過大,同時也會引發隧道內溫度升高,增加了通風降溫措施成本,進一步加劇了電力能源的消耗[3]。研究將剩余再生制動電能進行再利用是提高列車運行能效的有力措施,目前常用的吸能儲能措施主要有3中,分別是通過電池或電容進行儲能、通過飛輪進行儲能以及將剩余再生制動電能由直流電形式轉換為交流電形式的逆變回饋儲能[4-5]。

1 城市地鐵雙向變電站的工作原理

雙線變電站為了實現直流電與交流電之間的雙線流動,在傳統的軌道交通牽引系統中間二級整流器進行置換,將其置換為PWM 變流器,達到即可以為列車運行的牽引網絡提供電能,又可以實現電能回收再利用的目的。本文研究的PWM 變流器為二極管鉗位型三電平變流器,其結構原理圖如圖1 所示。

二極管鉗位型三電平變流器在工作時,任意狀態下均存在4 個功率器件中的2 個可以實現電流通路狀態。以A 相為例,其電壓的輸出有3 種狀態,對圖1 中電路電壓可以采用方程(1)進行描述[6]。

圖1 二極管鉗位型三電平變流器結構原理圖

2 基于下垂特性的地鐵雙向變電站多重化控制仿真分析

為此,基于平均電流補償的下垂控制方法[8],采用仿真軟件建立2 個并聯變流器的仿真模型,研究電路中電流隨時間的變化過程。模型計算時,計算參考電壓Vk取900V,負載電阻R 取20Ω,電網電壓有效值VG取380V,線纜電阻R0取0.02Ω,線纜電感l0取10μH。為研究不同下垂斜率對平均電流的影響,設計2 中下垂斜率值工況,分別為工況1：下垂斜率1.0,不加補償；工況2：下垂斜率0.1,不加補償；工況3：下垂斜率1.0,加補償系數0.6；工況4：下垂斜率0.1,加補償系數0.6；工況5：下垂斜率1.0,不加補償,空載電壓；工況4：下垂斜率1.0,加補償系數0.6,空載電壓。

研究表明,當下垂斜率值設置為1.0 時,并聯的2 個變流器的電流值非常相近,隨時間的變化呈現小幅度波動,平均值分別為21.87A 和22.85A,不平衡系數為4.5%；當下垂斜率值設置為0.1 時,并聯的2 個變流器的電流值則出現明顯的分離,隨時間的變化呈現小幅度波動,平均值分別為19.06A 和25.33A,不平衡系數為32.8%,由此可知,下垂斜率從0.1 變化至1.0 時,可以實現并聯2 個電流器的電流值均衡化。當下垂斜率值設置為1.0,加補償系數0.6 時,仿真的電流結果與工況1 不加補償的結果一致,同樣地,當下垂斜率值設置為0.6,加補償系數0.6 時,仿真的電流結果與工況2 不加補償的結果一致,由此可以看出,增加附加補償并不會影響電流的均流性,電流器之間電流信號的傳播并不會因為附加補償的變化而產生波動,具有良好的穩定性,并聯電流器系統也具有更高的可靠性,降低了崩潰的概率。

3 基于下垂特性的地鐵雙向變電站多重化控制室內試驗分析

為進一步驗證基于下垂特性的并聯電流器系統對電流的均衡補償性,在室內建立了2 個50kWa 的并行電流器平臺,總負載為56kWa,搭建的試驗平臺裝置如圖2所示。試驗時,2 臺變流器交流側的并聯方式的實現主要是通過隔離變壓器進行并聯,而交流器的并聯方式的實現可以直接進行并聯。

圖2 并聯電流器系統的室內試驗測試平臺

4 地鐵多變電站直流電壓的調整策略

以常州地鐵1 號線工程為研究對象分析地鐵雙向變電站直流電壓的控制策略。常州地鐵1 號線起于南夏墅站,止于森林公園站,線路全長33837m,設置地下車站27 座,高架車站2 座,牽引供電采用直流電壓1500V 接觸軌下部受流方式,列車型號為B 型車,按4 動2 拖的編組方式組成列車,車速平均為80km/h,建立了基于模糊算法的并聯電流器直流電壓控制模型。

5 結論

圖3 室內并聯電流器的并聯補償對比試驗與載波移相試驗結果

表1 基于模糊算法的并聯電流器直流電壓控制計算結果

以常州地鐵1 號線工程為研究對象,采用仿真分析與室內試驗相結合的手段研究地鐵雙向變電站直流電壓的控制,得到以下幾個結論：

5.1 流器之間電流信號的傳播并不會因為附加補償的變化而產生波動,具有良好的穩定性,并聯電流器系統也具有更高的可靠性,降低了崩潰的概率。

5.2 加附加補償后,可以有效補償直流側電壓,以實現直流電壓的平穩,同時能夠在較大的下垂斜率條件下達到均衡電流的效果。

5.3 基于下垂特性的地鐵雙向變電站多重化控制仿真分析結果與室內試驗結果一致；結合實際工程表明,下垂斜率0.001 的整流電功與逆變電功均大于下垂斜率0.2 的整流電功與逆變電功,采用模擬控制策略可以有效改善整流電功與逆變電功。