城市軌道交通牽引變電所主結線方案研究*

李鯤鵬史海歐劉 煒李群湛

（1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州；2.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通牽引變電所主結線方案研究*

李鯤鵬1，2史海歐1劉 煒2李群湛2

（1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州；2.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通直流牽引供電系統中用電和發電同時存在，其負荷屬于典型的脈沖大功率負荷，其牽引變電所應至少具有整流、功率平衡和牽引網電壓控制3種基本功能。依據功能需求決定主結線方案的基本原則。綜合技術經濟因素分析比較了幾種典型主結線方案，給出了2種性能優良和經濟適用的牽引變電所主結線方案。鑒于目前大功率功率控制器件和儲能介質的發展水平，綜合技術經濟因素，牽引變電所宜采用多重化二極管整流與逆變回饋或者儲能裝置組合的主結線方案。

城市軌道交通；牽引變電所；主結線方案；再生制動；逆變回饋

First-author's address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou，China

目前，城市軌道交通牽引供電系統普遍采用的DC 1 500 V供電制式，根據牽引負荷要求需在線路沿線設置牽引變電所。牽引變電所將工頻三相AC 10 k V或者35 k V（33 k V）整流為標稱電壓DC 1 500 V，向在線運行列車提供持續穩定的直流電。由于交流傳動系統的廣泛采用，列車負荷具有電動機和發電機的雙重性，使得直流牽引供電系統有別于傳統的配電網絡，存在電能的雙向流動，因此需要同時控制功率平衡和牽引網電壓。

傳統的牽引變電所一般僅扮演電能提供者的角色，即將交流電整流為直流電并提供給牽引網，其牽引網電壓控制功能由車載制動電阻負責。隨著變流和儲能技術的發展，以及列車牽引節能的迫切需要，取消車載制動電阻以減輕車輛質量、從系統運行角度實現列車再生制動電能的綜合利用，是直流牽引供電系統研究和工程實踐的重要方向之一。因此，牽引變電所的功能應由單一的整流功能逐步向功率平衡和牽引網電壓控制功能擴充，其主結線方案也應做相應重構。

1　牽引變電所基本功能

在城市軌道交通直流牽引供電系統中，用電與發電同時存在，且存在不確定性，其日負荷特征屬于典型脈沖大功率負荷［1］。牽引變電所除了具有能夠將三相交流電整流為直流電，為列車牽引運行提供穩定電能的基本功能之外，還應具有吸收直流牽引網中的富余電能以及控制直流牽引網電壓滿足列車再生電制動需要的功能。

1.1功率平衡控制

為保障牽引電網的運行安全，需要確保電功率的實時平衡。由于列車運行的不確定性和隨機性，同時考慮到列車再生制動電功率大于其牽引所需的電功率，因此，直流牽引供電系統電功率客觀上存在不能實時平衡的情況，并將直接導致牽引網電壓升高，列車電制動失效。地鐵車輛一般均配置了車載制動電阻，承擔牽引供電系統功率平衡和電壓控制功能；當因列車制動而使牽引網電壓升高到1 800 V及以上時，將投入車載制動電阻進行功率平衡和電壓控制。在探索列車牽引供電系統節能的工程實踐中，部分城市出于減輕車輛質量或者受車輛結構的限制等因素的影響，開始采用取消車載制動電阻以實現節能的方案，將功率平衡功能移交給了牽引變電所。當相鄰列車具有吸收條件時，制動列車產生的再生能量通過直流牽引網被相鄰的處于牽引模式下的其他列車所吸收；當再生電能不能完全被其他列車所吸收時，由牽引變電所吸收牽引網中的富余電能。

1.2牽引網電壓水平控制

控制牽引網電壓的目的，是為了充分保障列車牽引與電制動功能的發揮，保障牽引供電設備的運行安全。根據相關設計規范［2-4，5］，直流牽引供電系統的電壓水平應滿足：“系統的標稱電壓為1 500 V，在任何運行方式下（含當1個牽引變電所在遠期高峰小時故障時，其相鄰牽引變電所采用越區供電方式），接觸網最低持續電壓不得低于1 000 V，最高持續電壓不得高于1 800 V，最長持續時間5 min的最高非持續電壓為1 950 V。”牽引網電壓水平控制包括防止電壓過低和抑制電壓過高2個方面。

2　牽引變電所主結線方案

牽引變電所應具有整流、功率平衡控制和牽引網電壓控制3種基本功能。直流牽引網的功率平衡控制和電壓控制功能是相互關聯融為一體的，它通過及時吸收牽引網中富余電能抑制牽引網電壓過高，也可以作為整流功能的補充及時向牽引網提供電能，以防止牽引網電壓過低。

2.1整流功能主結線方案分析

根據目前電力電子技術及其裝備的發展水平，適用于城市軌道交通的變流裝置主要有二極管整流裝置、晶閘管變流裝置和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）變流裝置。三者的適用性分析詳見表1。多重化二極管整流裝置和IGBT變流裝置的電能質量均符合系統運行要求，但二極管整流裝置過載能力強，性價比高，適合脈沖大功率負荷特征；IGBT變流裝置性能優良，基本不具備過載能力，性價比較差。綜合技術經濟比較，以整流功能為主的變流裝置宜選用多重化二極管整流裝置。

表1　典型變流裝置在城市軌道交通供電系統中應用的適用性對比分析

2.2功率平衡和電壓控制功能主結線方案分析

常規牽引變電所主結線方案如圖1所示。其中，壓側采用單母線結線，電壓等級為AC 35 k V（33 k V）或者AC 10 k V；直流側為DC 1 500 V。牽引變電所除了AC 35 k V和DC 1 500 V母線之外，還有車站輔助用電系統的AC 0.4 k V母線。解決牽引網中富余電能的吸收問題的方法主要分為2類：通過存貯或者消耗等方式將牽引網富余電能控制在直流牽引供電系統中；通過逆變回饋方式將牽引網富余電能回饋至相鄰交流電網。

電阻消耗型和儲能型的吸收方式，是將再生電能集中在直流牽引網側進行處理，穩定牽引網電壓，不與交流電網發生電能交換。電阻消耗型和儲能型兩種吸收方式的DC 1 500V側主接線方式基本一致，其主結線方案如圖2所示。電阻消耗型通過將富余電能轉換為熱能的方式控制牽引網電壓。此方案雖然能滿足牽引供電系統運行要求，但是與節能環保政策相違背，一般不推薦采用。對于儲能型吸收裝置，當牽引網電壓過高時，它從牽引網吸收電能進行存儲；當牽引網電壓低于標稱電壓或者其他整定值時，它向牽引網釋放電能。儲能型吸收裝置不僅能夠有效控制直流牽引網電壓，而且還能通過對直流牽引功率平衡的控制，降低對整個城市軌道交通供電系統需用功率的要求，改善城市軌道交通用電負荷脈動性。

圖1　常規牽引變電所主結線方案

圖2　配置制動電阻裝置的牽引變電所主結線方案

逆變回饋方式是通過變流裝置將再生電能變換為交流電回饋至變電所的交流側，供城市軌道交通供電網絡中的其他負荷使用。依據逆變回饋目的地和回饋路徑的不同，逆變回饋型變電所的主結線方式主要分為如表2所示的3種方案，即：逆變回饋至AC 0.4 k V側，AC 1.18 k V側，AC 35 k V（33 k V）側。其主結線方案如圖3～圖5所示。

表2　牽引變電所主要逆變回饋方式對比分析表

牽引變電所的逆變回饋方式采用方案1時，通過理論分析和工程試驗可知，由于逆變回饋瞬時功率一般大于車站輔助系統需用功率，因此必有一部分電能通過動力變壓器回饋至 AC 35 k V中壓側［3］；采用方案2時，充分利用整流變壓器在列車再生制動時的空閑時間實現電能的反向流動，充分利用整流變壓器將電能回饋至AC 35 k V母線側，在中壓網絡實現電能的二次利用；采用方案3時，不與既有整流裝置直接發生關系，將再生電能回饋至變電所AC 35 k V中壓母線。方案1和方案3對既有二極管整流裝置系統的影響最小；方案2充分利用既有的變流設施，實現電能的反向流動，工程投資小，但對既有整流機組的運行有一定的影響。在目前逆變回饋技術和裝置尚不十分成熟的背景下，本著安全可靠的原則，工程實踐中一般會推薦采用方案3。但是方案1和方案3均沒有充分利用整流變壓器的空閑狀態，反而增加了隔離升壓變壓器，增加了系統運行空載損耗，使得方案系統性和整體性不強。

圖3　逆變回饋至AC 0.4 k V側主結線示意圖

圖4　逆變回饋至AC 1.18 k V側主結線示意圖

圖5　逆變回饋至AC 35 k V側主結線示意圖

方案2充分利用多重化二極管整流裝置的整流功能，將不可控整流和可控變流裝置并聯運行，充分利用了二極管整流裝置和IGBT變流裝置的優點。不可控整流和可控變流裝置并聯運行的關鍵在于環流控制，是一個技術難點。其連接方案主要分為兩類：一類是以ABB公司、日本明電舍公司以及國內的許繼公司的方案為代表，通過變壓器（雙繞組變壓器或者自耦變壓器）電磁隔離抑制環流，但是連接裝置的整體性不強；另一類是以東芝公司的方案為代表，二極管整流裝置與IGBT變流裝置僅通過電抗和電阻連接，通過裝置之間參數匹配和控制策略抑制環流，實現了二極管整流裝置和IGBT變流裝置完全并聯運行。后者的系統性和耦合性較好，但是系統設計和控制技術相對復雜。

3　牽引變電所理想主結線方案

理想的牽引變電所變流裝置應具有較高的變換效率，交直流側的電能質量應符合現行標準，具有功率平衡和電壓控制能力，適應脈沖式大功率負荷特征，具有較低的投資和維修成本，宜具有較硬的輸出電壓-電流特性。

多重化24脈波二極管整流機組的特性較軟，且空載電壓高出標稱電壓100多V，不利于在線列車之間相互吸收電能。而IGBT整流機組在額定容量運行范圍內具有水平的輸出特性、整流和逆變雙向變流功能。

基于目前電力電子裝置裝備水平，若牽引變電所完全采用IGBT變流裝置，由于受其過載能力限制，需要配置較大額定容量，工程投資太高，不具備工程應用價值。牽引負荷屬于典型的脈沖式大功率負荷特征，峰值功率是其平均功率的2～3倍。若考慮采用直流牽引網側設置儲能裝置，特別是超級電容儲能裝置具有非常好的快速充放電能力，為牽引網提供或者消納峰值電功率，則IGBT變流裝置的額定容量可以按照其平均整流功率配置，即牽引變電所采用IGBT變流裝置與儲能裝置的主結線方案。此方案不僅降低了牽引變電所IGBT變流裝置的額定安裝容量，而且利用儲能裝置對牽引網負荷“削峰填谷”，對改善整個牽引供電系統功能配置具有重要意義，屬于比較理想的牽引變電所主結線方案。

相對多重化大功率二極管整流裝置而言，大功率IGBT變流裝置的成本還是相對較高，不具備成本優勢，鑒于此，可以考慮采用二極管整流裝置與儲能裝置或者逆變裝置的組合方案。此方案與IGBT變流裝置方案相比，在于整流輸出外特性較“軟”，相同容量需求條件下，牽引變電所設置數量相對較多，在線運行列車相互吸收功率的電壓空間相對較窄。

4　結語

隨著列車再生電制動設備的普遍采用，傳統的城市軌道交通牽引變電所功能已由單純的整流功能擴展為同時具有整流、功率平衡和牽引網電壓控制3種基本功能，其主結線方案也應做相應重構。

在線大功率快速充放電儲能裝置的采用，使屬于典型脈沖大功率負荷的牽引變電所不僅能夠平衡直流牽引供電系統電功率，同時能夠控制牽引網電壓，使得列車牽引和再生電制動功能得以充分發揮；而且通過改變牽引網功率需求時間分布，能夠實現“削峰填谷”，降低整個牽引供電系統的需要功率峰值，減少其對外部電網的功率需求和負荷沖擊影響。

理想的牽引變電所輸出電壓電流外特性應具有平直的電壓特性和電能的在線快速存貯、釋放功能，因此宜采用基于IGBT的PWM變流裝置和儲能裝置組合的主結線方案。鑒于目前大功率功率控制器件和儲能介質的發展水平，綜合技術經濟因素，牽引變電所宜采用多重化二極管整流與逆變回饋或者儲能裝置組合的主結線方案。

［1］ 李鯤鵬.城市軌道交通列車再生制動能量逆變回饋系統研究報告［R］.廣州：廣州地鐵設計研究院有限公司，2011.

［2］ GB/T 10411—2005建設部標準定額研究所城市軌道交通直流牽引供電系統［S］.

［3］ GB 50157—2013地鐵設計規范［S］.

［4］ 陳德勝，劉志剛，張剛.能饋式牽引供電裝置在軌道交通領域的應用［J］.都市快軌交通，2014（1）：111.

［5］ Kiessling，Puschmann，Schmieder，et al.電氣化鐵道接觸網［M］.中鐵電氣化局集團有限公司，譯.北京：中國電力出版社，2004.

On the Main One-line Scheme for Urban Rail Transit Traction Substation

Li Kunpeng，Shi Haiou，Liu Wei，Li Qunzhan

In urban rail DC traction power supply system，the electric power generation and power utilization are coexisting，thesystem load is a typical pulse high power load.The traction substation requires at least 3 basic functions：rectification，power balance and voltage control of traction line.According to the basic principle that the function demands will determine the main one-line scheme of the traction substation，and based on the comprehensive technical and economic factors，several typical schemes of traction substation are compared and analyzed，among them two schemes of the traction substation with ideal output performance and economic applicability are presented.According to the development level of the large power controller and energy storage medium，and combined with technical and economic factors，the scheme of multiple diode rectifier+feedback inverter or energy storage devices is recommended.

urban rail transit；traction substation；main one-line scheme；regenerative brake；feedback inverter

U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2015.07.011

2014-04-15）

*廣州市科技計劃項目（2013J4500068）