雙向變流裝置在城市軌道交通的應用探討

深圳市市政設計研究院有限公司 朱 玲

地鐵和傳統鐵路系統主要不同點為地鐵站間距短、列車提速快、制動快、啟動制動切換頻繁。目前國內地鐵均采用的是接觸網（軌）直流供電，牽引系統為變壓變頻交流傳動系統。牽引時列車從接觸網（軌）吸收能量，制動時則首先啟動采用電制動系統，將制動能量反饋回接觸網。當網壓升高到一定值時，電阻制動系統和閘瓦制動系統啟動。目前常見的城市軌道交通牽引供電系統是通過城市主變電所引入高壓電源將其降壓至35kV交流電壓，通過整流變壓器、整流機組、直流開關柜，給接觸網（軌）提供直流電源。

傳統的軌交牽引供電系統未考慮列車制動能量的吸收與利用，通過電阻消耗這部分能量或者是采用閘瓦制動，采用這兩種方式均會產生大量的熱量，大量熱量排入隧道，導致隧道和車站內的溫度升高；同時，閘瓦制動還會產生大量的粉塵，增加了環控系統的負擔和運營成本，形成惡性循環，帶來新的能源浪費。

針對上述問題，全國地鐵已經開始廣泛采用不同類型的再生回饋吸收裝置回收這部分再生能量。但由于能饋裝置在地鐵工程中應用時間較短，地鐵公司未重視挖掘能饋裝置在無功補償及穩壓方面的應用，在系統設計中普遍缺乏能饋裝置與軌道交通供電系統的整體性和系統性的考量，導致該裝置在有效回收列車的制動能量的同時，卻仍存在以下問題：占用了較大的房間面積，對地鐵站有限的空間利用較不友好；未改善列車啟動時直流網壓下降、供電系統功率因數較低等問題。全功率雙向變流裝置可實現在滿足使用要求的前提下，減少占地空間、減少建設投資，更為經濟合理地實現再生制動能量的二次利用，并提高供電系統的電能質量[1]。

1 組合式雙向變流裝置應用研究

1.1 雙向變流裝置主要原理

全功率可控整流裝置采用PWM變流技術，變流裝置具有四象限運行特性，可實現能量雙向流動，即：在實現城市軌道交通列車牽引供電功能同時，可實現城市軌道交通列車制動能量吸收。由于變流裝置采用電網電壓定向矢量控制技術，可實現高功率因數運行，即：功率因數為1的運行方式。同理，由于變流裝置采用了矢量控制技術，實現了有功分量、無功分量獨立控制，因而可利用變流裝置進行無功功率調節，實現供電系統無功功率補償功能。雙向變流裝置由直流控制柜、變流柜1、2構成，整個裝置采用標準柜體結構，柜體內部件采用模塊化設計，柜體間連線及模塊間連線采用主電路與控制電路接線分離、交叉原則，重要控制電纜（如PWM信號線）采用光纖，使裝置具有極強的抗干擾能力。

雙向變流裝置可在取代整流機組，實現整流功能的同時兼顧實現逆變回饋、無功補償等功能，實現直流牽引供電系統柔性牽引供電，同時減少變電所的設備數量和占地面積[2]。

1.2 雙向變流裝置主要功能

回饋電能。當列車制動時產生的能量回饋到直流牽引網上，由鄰車吸收，無法吸收的電能通過回饋裝置返回到中壓交流電網，供車站其他負荷使用；穩定牽引網壓。在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流中壓電網，在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量。根據已進行局部試用的國內某地鐵項目試驗結果，雙向變流器不工作情況下，列車加速時和列車制動時直流電壓至少有200V的波動范圍。雙向變流器工作于穩壓模式時列車加速和制動的直流電壓波動僅為15V左右；無功補償功能。城軌供電系統線路負荷率低時，如夜間收車后，中壓環網電纜容性無功造成系統功率因數非常低，本系統可作為無功發生器使用，提高系統功率因數，降低或取消110kV主變電所SVG無功補償裝置容量。

1.3 組合式雙向變流裝置應用研究

目前獨立整流和能饋回路是市場上的主流方案，其中整流系統由整流變廠家集成整流器供地鐵客戶，能饋系統由能饋廠家集成能饋供地鐵客戶。整個系統被劃分為整流和能饋兩個子系統，存在如下短板：系統集成度不高，設備占地面積大、設備投資高，需要兩臺變壓器及前后級開關；兩個不同的系統，整流器和能饋變流器配合不穩定，如DC短路電流分配、存在環流等問題；客戶系統運維、故障定位等涉及眾多廠家。針對傳統的軌交牽引供電系統存在的問題，組合式雙向變流裝置僅使用1套組合變壓器即實現制動能量逆變回饋、牽引整流和35kV系統無功補償等功能，與目前地鐵常規的整流變+整流器、能饋變+能饋變流器的方案相比，本方案節省了1臺變壓器、1臺35kV開關柜，具有一定的經濟效益和占用空間優勢（圖1）。

圖1 新型組合變壓器型式接線圖

能饋裝置新型組合變壓器形式需進行大容量整流/能饋四繞組牽引供電變壓器研制，重新設計現有的三繞組Dy11d0y11型變壓器，加入第四個繞組-能饋繞組，總體方案是布置35kV(HV)/1.18kV(MV)/1.18kV(TV)/1kV(LV)四個繞組，其中HV為原邊一次側繞組、MV為1.18kV（星接）整流供電繞組、LV為能饋裝置1kV饋能繞組、TV為1.18kV（角接）整流供電平衡繞組。四繞組按照LV、MV、HV、TV幅向布置，同時中、低壓側三繞組軸向分裂，同時準確計算各繞組間阻抗，確保各繞組非設計情況下的耦合影響。該方案可實現能饋繞組與整流繞組的低耦合，盡可能地降低整體損耗，同時實現整流/能饋變壓器的一體化設計，有效降低了損耗和占地面積[3]。華南某地鐵在正線上試掛一套組合式雙向變流裝置。由新型組合變壓器形雙向變流裝置掛網運行5天內直流電壓波動情況可看出，直流網壓基本控制在1740V以下，與裝置設置的門檻電壓相符，平均電壓在1600V左右，穩壓效果良好。

2 全功率雙向變流裝置應用研究

2.1 雙向變流裝置實際應用

雙向變流裝置的實際應用效果，結合長沙地鐵的雙向變流裝置運行數據進行了調研分析。

節能效果分析：長沙地鐵一期工程共設置9套雙向變流型再生電能吸收利用裝置，表1記錄了全線日總回饋數據統計情況，根據表1統計的數據，可得出全線27天的日平均回饋電能為8536度。

表1 全線日總回饋數據統計(單位：kWh)

穩壓效果分析：選取11.2～11.24日中23天的數據進行統計，得到當日牽引網電壓的最高值和電壓最低值。由圖2和圖3可知，裝置投入逆變后牽引網電壓的最高值為1760～1800V，始終不超過1800V。由此可見，在列車制動電網電壓抬升時，裝置可起到較好的抑制作用，從而避免電網電壓抬升的過高；裝置投入整流后電網電壓的最低值為1520～1530V，始終不低于1520V。由此可見，在列車牽引電網電壓跌落時，裝置可起到較好的補充能量的作用，從而避免電網電壓跌落得過低。

圖2 最高電壓曲線圖

圖3 最低電壓曲線圖

2.2 全功率雙向變流裝置容量選型探討

以某華南大型城市擬建地鐵工程為例，該線路總長38.29km，設計時速為100km/小時，采用A型車8輛編組，共設車站23站，供電系統采用110/35kV兩級電壓供電方式，牽引和動力照明共用35kV供電網絡，牽引供電系統采用DC1500V架空接觸網供電、走形軌回流方式。對采用2套雙向變流器代替傳統的整流器+逆變器方案的可行性進行分析研究，根據牽引供電計算，正線共設置16座牽引降壓變電所。該工程的牽引所布點方案如表2所示。

表2 牽引變電所間距

根據《地鐵設計規范》中對整流器的Ⅵ級負載特性要求，整流裝置應滿足能額定負載長時間運行，1.5倍額定負載運行2小時，3倍額定負載運營1分鐘。由于IGBT沒有長時間過負載能力，如果將其作為牽引整流設備，需容量需滿足地鐵高峰小時的牽引負荷的需求。按照全線每座牽引變電所按照兩套雙向變流裝置進行供電仿真計算，全線N-1故障情況下遠期高峰小時（24對/小時）牽引負荷，計算結果如表3所示。

表3 各站牽引負荷統計表（單位：kW）

根據供電計算，各牽引所遠期高峰小時的牽引功率約為6～7kW，當某牽引所退出運行時，最大牽引負荷可達到約12MW。因此，采用整流機組容量為2×3300kW，利用150%過載運行2小時，300%過載運行1分鐘的過載能力可滿足容量需求。目前，市場上的能饋裝置一般峰值容量為額定容量的兩倍，且為30s/120s的運行方式。即，采用1套額定功率1MW的能饋裝置，其最大輸出功率為2MW，持續工作時間為30s、間歇120s。因此，如果雙向變流裝置想達到與整流機組同等容量，則雙向變流裝置需選取2×6MW的容量。但目前國內主流廠家普遍認為6MW的雙向變流裝置理論技術是可行，但無實際生產、供貨業績，也缺乏相應的產品技術規范和型式試驗報告，對后續的雙向變流裝置的應用會造成一定的影響。

綜上，全功率雙向變流裝置可集成整流、逆變以及無功補償功能，具有使系統結構簡單，減少設備接口等優點。但由于大功率的雙向變流裝置采購成本高，總體投資成本更大，國內地鐵工程尚無大規模采用全功率雙向變流裝置取代整流機組的應用案例，無法判斷設備大規模投入運行后，其系統兼容性及運行可靠性。建議選取一個試驗站，在不取消整流機組的前提下，增設兩套6M的雙向變流裝置，用于試驗全功率雙向變流裝置的運行效果，為后續雙向變流在地鐵中的應用提供參考依據。