雙向變流器在城市軌道交通中的應用淺析

余 龍，張 鋼

0 引言

目前，城市軌道交通牽引供電系統一般采用二極管整流模式。二極管整流器技術簡單可靠、設備皮實耐用、功率大、價格相對低廉，所以二極管整流器在城市軌道交通工程中得到了廣泛應用。

但是該模式存在諸如本體電壓降隨負荷增大而增大、無法處理回饋的制動能量等問題。為此增加的配套設施，不僅加大了工程投資，還帶來了相應的設備維護問題。

長期以來，國內外城軌業界都在不斷致力于開發更加可靠、簡單、節能和節省投資的牽引供電設備及應用模式。目前，由國內單位自主研制的適用于城軌交通牽引供電系統的大功率雙向變流器已通過了實際工況的考驗，使城軌牽引供電設備模式和節能技術的變革出現了曙光。

1 雙向變流器原理

雙向變流器是以全控型電力電子器件組成并采用PWM控制方式的電力電子變換器。其交流側通過變壓器連接中壓交流電網（35，10 kV），直流側連接牽引網直流母線（750，1 500 V）。投入運行后，控制系統根據系統中電壓、電流參數判斷直流側電網上的列車運行狀態。當判斷線路上的列車處于牽引工況時，控制指令使雙向變流器以整流模式運行，從交流側吸收電能，經整流后輸出直流電能供列車使用；當判斷列車處于制動工況時，雙向變流器則以逆變模式運行，將直流母線上的電能逆變為交流電注入交流電網中。

雙向變流器的電路原理如圖1所示。

圖1 雙向變流器原理圖

雙向變流器既能夠為列車提供驅動電能，又能夠吸收列車的再生制動電能，直接快捷地實現電能的雙向變換。

由于采用了PWM控制方式，雙向變流器的電能變換過程輸出諧波少（電流畸變率<3%）、效率高（98%）、輸出平穩、系統電能質量高[1]。

當發揮牽引供電功能時，既保證了直流電網電壓的穩定，也最大程度地回收了列車再生制動能量，節省了大量牽引電能。

另外，雙向變流器可實現四象限運行，交流側功率因數可控（控制范圍從-1到+1），且雙向變流器機組直接與地鐵中壓供電網絡相連，所以不需要系統電路上的調整，僅通過一定的控制程序，即可向中壓供電網絡中注入連續可調的無功功率，實現中壓靜止無功發生器（SVG）的功能。

目前樣機容量為2 MW，短時功率2.5 MW，采用單柜體結構，空氣絕緣，強迫通風冷卻方式，結構緊湊，適用于城市軌道交通工程環境。

樣機按照鐵道設備標準通過了型式試驗，在一運營地鐵中進行了掛網試驗，通過了實際工況下的考驗，設備各項功能正常發揮，技術參數達到設計指標。

2 應用方案研究

對于雙向變流器，研究人員從技術和經濟等多方面考慮，提出了多種工程應用方案。限于篇幅，本文僅介紹其中最具代表性意義的方案。

2.1 完全采用雙向變流器的方案

該方案完全采用雙向變流器替代二極管整流器，徹底改變了目前的牽引供電設備模式。系統一次接線如圖2所示。

圖2 完全采用能饋式牽引供電機組的方案示意圖

該方案由于全部電路均為PWM整流電路，具備以下明顯的優點（與二極管整流模式對比）：

（1）輸出直流電壓紋波系數更小，電流諧波含量更低（<3%）。

（2）直流電壓特性更“硬”，而且可控。

（3）將制動能量回饋吸收，轉換效率高（>96%），節能效果明顯。

（4）交流側功率因數高（0.99）且可控。

但是，該方案也有如下的主要局限：

目前，雙向變流器的核心設備采用了全控型電力電子器件。該類產品目前的容量還遠小于二極管，故雙向變流器單臺最大功率遠低于二極管整流器。要達到同等供電能力，需要的雙向變流器數量多、占地面積大，設備投資也相當大。所以目前該方案在實際工程中應用不太可行[1]。

2.2 混合方案

經過分析論證并通過試驗證明，二極管整流機組與雙向變流器混合使用的方案是可行的，且諧波等各項技術指標符合要求。

保留二極管整流機組可發揮其容量大、價格低的優點。雙向變流器機組也可負擔一定的整流負荷，從而降低二極管整流機組一定的設計容量。兩者結合，既保證了供電能力，又實現了能量回饋，且整體投資比完全采用雙向變流器的方案大幅降低?；旌戏桨敢灿卸喾N，下面分析幾種典型的情況。

（1）混合方案一。該方案由2套容量較小的二極管整流機組加1套雙向變流器機組組成，如圖3所示。

圖3 混合方案一主接線圖

2套二極管整流器組合（等效24脈波）為供電功率和質量提供了基本保障。雙向變流器則解決了制動能量吸收的問題，同時補充了供電功率。在該模式下，系統的各項電能質量指標不低于二極管整流模式，且具備制動能量吸收功能。但是設備（變壓器、中壓交流開關、直流開關等）數量較多，系統接線較復雜，設備投資、房建投資也有所增加。

（2）混合方案二。該方案由1套大容量二極管整流機組加1套雙向變流器機組組成（圖4）。

目前，單臺大容量（可高達5 MW）的12脈波二極管整流機組已經成熟應用，而單臺大容量24脈波二極管整流器機組也正在推廣中。以技術發展趨勢看，目前常用的2臺組合等效24脈波二極管整流機組模式終將被大容量單臺機組替代。所以，混合方案一可以優化為混合方案二。

圖4 混合方案二主接線圖

2套設備容量互補、功能匹配，系統電路更加簡單，設備數量和占地面積更少，工程投資更少，真正實現了技術與效益的更好結合。

2.3 無功補償方案

由于雙向變流器電路結構與SVG基本一致，而且交流側（通過變壓器）直接接入中壓系統，所以不需調整電路硬件和復雜的倒閘作業，而僅在控制程序中改變測量參數和算法，即可轉變為等同于SVG功能的裝置。分布在全線各牽引所中的雙向變流器，形成類似于就地補償裝置的模式，減少了主變電所集中補償的壓力。夜間線路停運時段正好也是地鐵供電系統最需要無功補償的時段，雙向變流器可以無功補償模式運行，補償地鐵供電系統中的無功。轉換過程方便快捷，質量高，做到了一物多用，提升了設備的價值。

3 試驗和試運行情況

3.1 牽引供電試驗情況

一系列試驗驗證了設備在實際工況下穩定運行，各項技術指標均達到設計要求[2]。

以下摘選試驗中的典型情況以及數據圖片。

圖5中，上方波形是雙向變流器機組交流側的電流波形，下方波形是二極管整流機組交流側的電流波形。可以很明顯地看到：雙向變流器機組牽引電流、反饋電流表現明顯，而二極管整流機組只在牽引過程有明顯的電流，而到了列車制動時，沒有任何電流流過。

圖5 牽引-制動全過程中裝置交流側的電流波形圖

圖6中，波形從上至下分別為1 500 V直流母線電壓、直流饋線（接觸網）電流、1號和2號二極管整流機組直流側電流、雙向變流器直流側電流。

圖6 牽引-制動全過程中裝置直流側的電流電壓波形圖

從圖 6中可以看到：在牽引-制動過程中，二極管整流機組的電流變化幅值為單向，而雙向變流器和直流饋線電流波形走向一致，電流變化幅值是正負雙向的。很明顯地反映了二極管整流器單向供電，反向截止，雙向變流器電流雙向流動的特點。

在該試驗中，雙向變流器最大整流輸出功率達到1 010 kW，最大逆變輸出功率達到934 kW。

3.2 無功發生試驗

無功發生試驗，驗證了雙向變流器產生連續可調的感性、容性無功功率的能力。該裝置樣機理論上可產生2 Mvar感性無功功率和1 Mvar容性無功功率。在試驗中，由于環境所限，未全功率輸出，裝置發出了最大感性無功功率1 098 kvar，最大容性無功功率743 kvar。圖7是裝置產生的無功電流，可見電流平順，波形標準。

圖7 無功發生試驗時交流側的電流波形圖

4 技術特點及應用前景分析

與逆變吸收、電阻消耗等制動能量吸收方式相比，雙向變流器以同一電路實現了整流與逆變的功能，不用單獨設置制動能量吸收電路，減少了設備數量和設備安裝空間，從而在設備和建筑兩方面節省了工程投資。同時，雙向變流器的應用可在城軌工程的多方面產生連帶影響，帶來經濟效益不可低估[1]。

目前影響雙向變流器推廣的因素主要是技術可靠性的長期驗證和設備造價問題。但是隨著大量后續工作的進行以及電力電子器件制造技術的不斷進步，這些問題的解決是可以有樂觀預期的，隨之帶來的是雙向變流器的廣闊應用前景。

5 結論

大功率雙向變流器的研制成功，對國內城市軌道交通工程的影響是巨大的。隨著該技術的逐漸成熟和設備價格的降低，雙向變流器的技術效應和經濟效益會日益體現。含有雙向變流技術的牽引供電模式，極有可能成為未來城軌牽引供電系統的重要技術，甚至帶來城軌牽引供電技術的一場變革。

[1]北京交通大學，廣州地鐵總公司，中鐵電氣化勘測設計研究院.能饋式牽引供電裝置掛網試驗報告、研究報告[R].2010，4.

[2]北京交通大學.能饋式牽引供電裝置型式試驗報告[R].2010，2.