雙向變流器在城市軌道交通供電系統中的應用

王 毛 鄭月賓 宋 雷 楊雅銀 辛紅東 何俊文 梅桂芳

(1.徐州地鐵集團有限公司,221116,徐州; 2.西安許繼電力電子技術有限公司,710075,西安;3.中鐵十二局集團電氣化工程有限公司,030024,天津; 4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢)

城市軌道交通線路普遍采用直流牽引供電方式,由二極管整流機組為列車提供供電電源。整流機組在可靠性、價格等方面優勢明顯,但也存在無法吸收利用列車再生反饋能量、輸出直流電壓不可控等缺點[1]。雙向變流器采用全控型IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)器件和PWM(脈沖寬度調制)控制技術,具備逆變和整流雙向能量變換的能力,既可在逆變模式下吸收利用列車的再生反饋能量,也可在整流模式下為列車提供牽引能量。此外,雙向變流器還具備靈活的直流電壓調整性能。

針對二極管整流技術存在的無法吸收利用列車的再生反饋能量、輸出電壓不可控等技術問題,本文基于雙向變流器的牽引供電技術,分析了雙向變流器的運行邏輯和控制特性,并在徐州地鐵2號線車輛段和正線分別開展了單列車運行試驗和全線多列車運行試驗,測試了雙向變流器獨立供電、雙向變流器與二極管整流機組混合供電工況下的列車運行性能指標和雙向變流器性能指標。本文研究驗證了將雙向變流供電技術應用于城市軌道交通牽引供電系統的可行性,可為城市軌道交通牽引供電技術的發展提供新的技術指導和解決思路。

1 雙向變流器工作原理

1.1 主電路拓撲

雙向變流器主要由直流母線電容、逆變橋、濾波器組成。直流母線電容用于維持直流側電壓的穩定,6個IGBT組成三相逆變橋,通過不同的導通時序和脈沖寬度控制輸出功率的流向和大小。LCL型濾波器用于濾除輸出電流的諧波。

1.2 運行邏輯

雙向變流器通過檢測和判斷直流電壓來決定運行模式:當直流電壓低于牽引啟動電壓時,雙向變流器進入整流運行模式;當直流電壓高于回饋啟動電壓時,雙向變流器進入逆變運行模式[2]。

通過控制逆變橋口的電壓矢量實現整流模式和逆變模式的切換,同時逆變橋口的電壓矢量還可間接控制交流側電流的幅值和相位。當雙向變流器整流運行時,交流電流與電網電壓同相位;當雙向變流器逆變運行時,交流電流與網壓反相位;當雙向變流器補充無功功率時,交流電流滯后(感性)或超前(容性)電網電壓90°。

2 雙向變流器控制特性

2.1 變電所主接線

徐州地鐵2號線全長24.15 km,全線共設車站20座,其中牽混所10座。每個牽混所設置2套整流機組和1套雙向變流裝置。雙向變流裝置的交流側通過35 kV中壓開關柜連接到整流機組同段35 kV 母線,直流側通過1 500 V開關柜連接到1 500 V母線[3]。

整流機組的額定容量為2×2 200 kW,具備150%過載運行2 h,300%過載運行1 min的能力;雙向變流裝置的額定容量為2 000 kW,具備150%過載運行2 h,250%過載運行1 min的能力。雙向變流裝置既可以僅作為逆變器運行在回饋模式,也可以作為雙向變流器運行在牽引回饋雙向模式。根據整流機組的投入和退出情況,雙向變流裝置可分為獨立供電和混合供電兩種控制特性。

2.2 獨立供電模式下的外特性

當所有牽混所的整流機組退出,雙向變流裝置獨立供電時,雙向變流器的外特性曲線如圖1所示。整流段采用下垂控制,以實現相鄰牽混所之間功率的均衡分配;逆變段采用恒壓控制,以實現網壓的穩定控制[4]。外特性曲線ABC段:當列車惰行時,雙向變流器處于空載狀態,其直流電壓為Udo(對應圖1曲線上的C點);當列車制動時,雙向變流器的直流電壓有所升高,再生反饋能量優先被鄰近的列車吸收利用(對應圖1曲線上的C→B段);多余的再生能量使雙向變流器的直流電壓繼續升高,當達到逆變啟動電壓Uinv時,雙向變流器進入逆變模式,在容量范圍內保持直流電壓恒定(對應圖1曲線上的B→A段)。特性曲線CD段:當列車牽引運行時,雙向變流器進入整流模式,整流輸出功率越大,直流電壓越低(對應圖1曲線上的C→D段)。

注:Udc為雙向變流器直流電壓;Uinv為逆變啟動電壓;Udo為雙向變流器空載電壓;I為變流器輸出的直流電流;A、B、C、D為雙向變流器最大逆變電流點、空載至逆變狀態切換點、空載至整流狀態切換點、最大整流電流點。

2.3 混合供電模式下的外特性

當部分牽混所的整流機組退出,雙向變流裝置與未退出的整流機組構成混合供電時,雙向變流器的外特性曲線如圖2所示。整流段采用分段下垂控制,其下垂斜率與整流機組相同,以使雙向變流器承擔與原整流機組相同的牽引功率。逆變段采用恒壓控制,以實現網壓的穩定控制。外特性曲線ABC段:ABC段特性與獨立供電模式下的外特性完全相同。外特性曲線CED段:CED段特性的下垂斜率與整流機組相同,CE段下垂斜率為15%,ED段下垂斜率為3%[5]。

注:E為整流斜率切換點。

在獨立供電和混合供電兩種模式下,雙向變流器Udo的整定范圍為1 500～1 650 V,逆變啟動電壓Uinv的整定范圍為1 650～1 800 V,逆變電壓啟動值的整定需要結合列車再生能量被相鄰車的吸收比例、列車閘瓦制動情況來綜合考慮。當雙向變流器獨立供電運行時,其下垂斜率整定范圍為0～3%,可根據運行需要進行調整。

3 單列車試驗

在徐州地鐵2號線車輛段試車線進行單列車試驗。在AW0(空載)條件下,分別測試了雙向變流器在獨立供電、混合供電兩種模式下的電氣性能。

3.1 列車參數

徐州地鐵2號線列車采用6節編組(4動2拖,B2型車),列車最高運行速度為80 km/h,空車質量為206 t。列車采用輕量化設計,取消了全部車載電阻配置,依靠地面雙向變流裝置吸收多余制動功率。當列車直流電壓高于1 880 V時,空氣制動系統啟動投入。

列車的牽引特性:當列車運行速度為0～57 km/h時,列車采用恒轉矩控制,牽引力恒定為244 kN;當列車運行速度為57～80 km/h時,列車采用自然特性控制。列車的制動特性:當列車運行速度為80～5 km/h時,列車采用恒轉矩控制,制動力恒定為232 kN;當列車運行速度小于5 km/h時,列車采用空氣制動。

根據牽引特性計算的列車最大牽引功率為4 293 kW;根據制動特性計算的列車最大制動功率為4 640 kW。牽引傳動系統效率取為0.9。雙向變流器的峰值功率為5 000 kW,能夠滿足AW0條件下,單列車運行速度為80 km/h、100%牽引及制動工況的試驗配合要求。

3.2 獨立供電模式

車輛段的2套整流機組退出運行,雙向變流裝置運行在牽引回饋雙向模式,試車線上僅保留1列試驗列車。雙向變流器的空載電壓設為1 650 V,下垂斜率設為0,逆變啟動電壓設為1 720 V,對運行速度為80 km/h的單列車進行100%牽引及制動工況試驗。

獨立供電模式下的列車牽引及制動測試參數如表1所示。雙向變流器的容量能夠滿足列車的最大牽引、制動功率要求,列車最低網壓為1 581 V,最高網壓為1 771 V。在牽引及制動工況下,雙向變流器的電流諧波分別為2.2%、1.7%,功率因數均為0.99。在試驗過程中,雙向變流器的整流/逆變模式能夠與列車的牽引/制動工況自動適應,模式切換平滑穩定,列車運行平穩。

表1 獨立供電模式下列車牽引及制動測試參數

3.3 混合供電模式

車輛段的2套整流機組投入運行,雙向變流器運行在牽引回饋雙向模式,空載電壓設為1 650 V,逆變啟動電壓設為1 720 V,對運行速度為80 km/h的單列車進行100%牽引及制動工況試驗。

混合供電模式下的列車牽引及制動測試參數如表2所示。列車最低網壓為1 505 V,最高網壓為1 767 V,雙向變流器的最大整流功率為2 400 kW,整流機組的最大整流功率為2 050 kW。在試驗過程中,雙向變流器的整流/逆變模式能夠與列車的牽引/制動工況自動適應,模式切換平滑穩定,列車運行平穩。當列車處于牽引模式時,雙向變流器與整流機組共同向列車供電;當列車處于制動模式時,雙向變流器自動切換到逆變模式,切換過程平滑。

表2 混合供電模式下列車牽引及制動測試參數

3.4 對比分析

分別對比了雙向變流裝置獨立供電、雙向變流裝置與整流機組混合供電、整流機組供電3種模式下的列車網壓情況,如圖3所示。當整流機組供電時,列車最低網壓為1 460 V;當雙向變流裝置與整流機組混合供電時,列車最低網壓為1 505 V;當雙向變流裝置獨立供電時,列車最低網壓為1 581 V。由此可知,采用雙向變流器能夠有效提高牽引網的最低電壓。

圖3 3種供電模式下的列車網壓對比

4 全線試驗

在徐州地鐵2號線正線上進行全線試驗,上線列車數量為12列,行車間隔為8 min 45 s,在列車正常運行情況下,開展雙向變流器獨立供電和混合供電兩種模式下的試驗。

4.1 獨立供電模式

全線各牽混所的整流機組退出運行,雙向變流器運行在牽引回饋雙向模式,空載電壓設為1 650 V。為了提高相鄰牽混所之間牽引功率的均衡度,將雙向變流器的下垂斜率設為3%。為了提高再生能量被相鄰列車吸收的比例,將逆變啟動電壓設為1 750 V。

獨立供電模式下徐州地鐵2號線各牽混所最大牽引功率及最低直流電壓如表3所示。徐州地鐵2號線全線各牽混所的牽引功率分布較為均衡,線路北段(客運北站站—科技城站)的最大平均牽引功率為1 387 kW,線路南段(大龍湖站—新城區東站)的最大平均牽引功率為3 355 kW。各牽混所的電壓控制效果較好,全線牽混所的最低直流電壓為1 572 V。獨立供電模式下的列車網壓及運行速度曲線如圖4所示。列車的網壓波動較小,最低網壓為1 557 V,最高網壓為1 750 V。

表3 獨立供電模式下徐州地鐵2號線各牽混所最大牽引功率及最低直流電壓

圖4 獨立供電模式下的列車網壓及運行速度曲線

4.2 混合供電模式

客運北站站、九龍湖站、中心醫院站、百果園站、漢源大道站1#及2#整流機組退出運行,其余5個站1#及2#整流機組投入運行。全線雙向變流裝置運行在牽引回饋雙向模式,空載電壓設為1 650 V。為了提高再生能量被相鄰列車吸收的比例,逆變啟動電壓設為1 750 V。

混合供電模式下徐州地鐵2號線各牽混所最大牽引功率及最低直流電壓如表4所示。徐州地鐵2號線各牽混所的電壓控制效果較好,全線牽混所的最低網壓為1 586 V?；旌瞎╇娔Ｊ较碌牧熊嚲W壓及運行速度曲線如圖5所示。列車的網壓波動較小,最低網壓為1 562 V,最高網壓為1 759 V。

圖5 混合供電模式下的列車網壓及運行速度曲線

4.3 對比分析

為了驗證雙向變流器穩定網壓效果,測試了雙向變流器僅逆變運行,整流機組供電時的列車網壓,將其結果作為試驗對照組。整流機組供電下的列車網壓及運行速度曲線如圖6所示。該模式下,列車的網壓波動較大,最低網壓為1 487 V,最高網壓為1 769 V。

圖6 整流機組供電下的列車網壓及運行速度曲線

綜上所述,本文通過正線全線試驗,驗證了雙向變流器在穩定列車網壓方面的效果。雙向變流器可將列車網壓提高至1 500 V以上,能夠顯著改善列車的牽引性能。

5 結語

本文基于雙向變流器在城市軌道交通供電系統中的應用,介紹了雙向變流器的主電路拓撲,分析了其運行邏輯和控制特性,提出了雙向變流器獨立供電和混合供電兩種模式下的控制特性,并通過單列車試驗、正線全線試驗,驗證了雙向變流器用于城市軌道交通列車牽引供電和再生電能吸收利用的可行性。

試驗結果表明:① 雙向變流器可根據線路上的列車運行情況,自動、平滑地切換整流、逆變運行模式,與列車的牽引/制動工況自動適應,列車運行平穩;② 采用雙向變流供電顯著改善了列車網壓的波動,避免了列車網壓低于1 500 V的情況,能夠顯著改善列車的牽引特性。