新一代智慧型牽引供電系統關鍵技術與應用示范

張 鋼，劉志剛，魏 路，牟富強

1 技術現狀

隨著經濟社會發展，我國大中城市交通擁堵和環境污染日趨嚴重，對城市居民的生活質量造成了巨大影響，發展地鐵、輕軌等城市軌道交通已經成為緩解該問題的有效措施。城市軌道交通具有節能、占用空間小、運量大、全天候、無污染（或少污染）、安全等級高等特點，屬綠色環保交通體系，符合可持續發展的原則。但是伴隨著城市軌道交通線網規模的擴大和客運量的劇增，其能源消耗總量也在大幅增長[1]。 如何建設更加節能的城市軌道交通系統逐漸成為行業發展方向[2-6]。

城市軌道交通普遍采用二極管整流機組供電，該整流方式存在直流電壓不可控、電壓波動范圍大、能量只能單向流動等缺點。地鐵車輛再生制動時產生的多余能量（附近車輛不能吸收的部分），若不進行有效處理，會使得牽引網電壓升高，導致列車再生制動能力降低甚至消失。傳統的處理方法是將這部分能量用電阻能耗裝置消耗掉。由于地鐵列車運行具有站間距短、運行速度較高、起動及制動頻繁等特點，電阻能耗裝置會浪費大量的再生制動能量，同時電阻能耗裝置使得隧道溫度升高，加重了環控通風系統負擔，引起電能的二次消耗。

“十一五”期間，在國家科技部資助下，北京交通大學和北京千駟馭電氣有限公司成功研發了我國首套中壓型再生制動能量回饋裝置（簡稱中壓能饋裝置）[7-9]。2013年，通過北京市經信委組織的新產品鑒定，一致認為：該產品技術先進、設計合理、運行穩定、節能效果顯著，具有廣闊的市場應用前景。目前，該裝置已經在國內10多條線路推廣應用。

然而，隨著研究和應用的深入，課題組發現既有牽引供電系統還有許多值得進一步創新的地方，主要體現在以下幾個方面：

1）系統中多種設備的功能有待進一步整合，功能設備種類較多，供電系統結構復雜，管理維護難度增大。

2）設備性能有待提高，尤其是變流設備的過載能力以及功率密度。

3）數據融合能力有待增強，缺乏大數據采集、傳輸、處理能力。

4）智能化水平需要進一步提高，缺乏智能故障診斷、壽命預測等先進技術，無法更好地為設備維護維修服務。

為此，本文提出了新一代智慧型牽引供電系統的概念，并著重對其中的一些關鍵技術進行闡述，為進一步推廣應用服務。

2 新一代智慧型牽引供電系統

傳統牽引供電系統主要采用二極管整流這種單向不可控變流方式，即便是引入了中壓能饋裝置，解決了列車的再生制動能量回饋問題，中壓能饋裝置也僅僅工作在單一的逆變狀態[8-9]。

新一代牽引供電系統的概念源于對變流方式的重大改變，四象限變流技術的采用是其最顯著的特征。借助四象限變流能力，實現了回饋節能、牽引供電、無功補償、智能融冰等多功能的完美整合。

以四象限變流技術為基礎，通過功能特性的優化控制和系統應用的擴展，最終全方位地滿足用戶需求，如圖1所示。

圖1 不同層次的系統功能Fig. 1 Different levels of system functions

智慧型的概念源于對設備向智能化方向發展的一個階段性劃分。當前普遍應用的設備只能稱為功能設備，即能夠滿足某些特殊功能要求的設備；具有一定的感知和適應能力的設備則稱為智能設備；具有一定自學習和思維能力的設備，則稱為智慧設備，如圖 2所示。可見，智慧是智能的更高發展階段。

圖2 設備智能化程度劃分Fig. 2 Intelligent degree of power supply equipment

智慧型牽引供電系統應該具備全面感知、高度互聯、數據共享、有機融合等方面的能力。隨著技術的發展，未來將在每一臺四象限變流設備中植入人工智能程序，使之能夠通過對海量運營數據進行分析，不斷學習進化，自動優化運行參數，規劃最優能量流通路徑，并做到故障智能診斷及壽命預測。

3 關鍵技術研究

新一代智慧型牽引供電系統的實現是一個綜合的系統工程，涉及的關鍵核心技術有以下6個方面。

3.1 大功率四象限變流技術

大功率四象限變流技術用于實現功率變換，是新一代智慧型牽引供電系統的技術基礎。

隨著功率半導體技術的發展，IGBT（insulated gate bipolar transistor，絕緣柵雙極型晶體管）功率模塊因其容量大、功率密度高、可靠性高等優點逐漸在風力發電、船舶推進等要求高可靠性的領域得到廣泛應用。智能功率模塊在城市軌道交通牽引供電領域應用潛力巨大，并且采用智能功率模塊并聯技術（見圖3），可以將單變流器容量提升到4～6 MW等級，期間需要重點解決模塊均流、散熱、電磁兼容等問題。

圖3 兩個智能功率模塊并聯示意Fig. 3 Two intelligent power module are in parallel

3.2 高品質混合式牽引供電技術

高品質混合式牽引供電技術主要解決混合式牽引供電系統中二極管整流機組與四象限變流器的并聯運行和外特性配合問題。

圖4所示為不同設備的外特性配合控制示意圖，其中①為四象限變流器直流輸出特性曲線，②為12脈波二極管整流機組直流輸出特性曲線。通過控制使得四象限變流器輸出特性曲線與二極管整流機組輸出特性曲線相似，從而實現負載均分。

圖4 不同設備的外特性匹配示意Fig. 4 The output characteristics matching for different equipment

3.3 分散式無功補償技術

城軌牽引供電系統中壓環網存在大量分布電容，導致夜間和低負荷時段系統功率因數偏低，因而不得不在主變電所額外配置專用無功補償裝置[10-12]。 新一代智慧型牽引供電系統可以利用四象限變流器發出一定大小的無功功率，實現對中壓環網的分散式無功補償，功能上取代傳統主變電所的專用無功補償裝置，提高系統功率因數，使得牽引供電系統的功能完善、設備簡化、建設成本降低，補償方案如圖5所示。

圖5 分散式無功補償Fig. 5 The scheme of distributed reactive power compensation

3.4 分布式協同吸收技術

采用基于虛擬內阻的分布式協同吸收技術，實現對列車再生制動能量的分布式吸收，使得列車制動能量能在地鐵系統內部更好地被利用，降低反送上一級電網的概率。圖6所示為基于虛擬內阻的分布式系統吸收技術原理圖，其中U1k、U2k、U3k分別為各四象限變流器直流電壓，r為虛擬內阻，I1、I2、I3為流入各變電所四象限變流器直流側的電流，Itrain為列車制動電流。

圖6 基于虛擬內阻的分布式協同吸收技術原理Fig. 6 The distributed collaborative absorption scheme based on virtual internal resistance

3.5 直流接觸網智能融冰技術

利用四象限變流器的可控性，不需要投入額外硬件，只需在系統控制軟件中植入相應功能，使得有一個持續的電流（1 000～2 000 A）在兩個變電所之間的接觸網流動，如圖7所示，借助熱力融冰原理就可以實現在惡劣氣象條件下對接觸網的在線智能融冰。

圖7 接觸網在線融冰示意圖Fig. 7 The online ice-melting technology of overhead catenary

3.6 信息智能化技術

信息智能化是未來發展方向，相關核心技術包括海量數據采集、網絡信息綜合、故障智能診斷、壽命預測技術等。相關技術的實現必須以底層硬件為支撐，圖 8所示為系統設備網絡構架示意圖。通過高速以太網將關鍵設備運行數據傳輸到智慧終端，然后開展數據分析和數據處理工作，實現設備的故障智能診斷和壽命預測。

圖8 底層設備網絡構架示意圖Fig. 8 The network architecture of the system equipment

4 主電路應用方案

下面給出四象限變流器在新一代智慧型牽引供電系統中幾種典型的應用方案。

4.1 應用方案1

在不改變既有牽引供電機組的情況下，獨立增加一套四象限變流器，如圖9所示。該方案對原有供電系統改動最小，可靠性最高，并且可以擴大變電所容量，但是需要額外增加設備安裝空間。

圖9 獨立新增應用方案Fig. 9 Application scheme with a new four-quadrant converter system added

4.2 應用方案2

由一套四象限變流器和一套 12脈波整流機組共同構成，如圖10所示。該方案可以充分發揮二者的優點，系統占用空間小，造價適中，但是對四象限變流器性能和可靠性要求較高。

4.3 應用方案3

采用兩套四象限變流器并聯運行，完全取代傳統的兩套12脈波整流機組，如圖11所示。該方案采用完全四象限變流，輸出電壓穩定，節能效果最好，代表未來發展方向，但是造價較高。

基于四象限變流技術的新一代智慧型牽引供電系統，通過檢測系統運行數據和外部條件，自動控制四象限變流器工作于牽引供電、能量回饋、無功補償、接觸網融冰等多種工況，整個牽引供電系統簡潔、高效，而且智慧。

5 工程應用情況

項目組借助北京市軌道交通電氣工程技術研究中心和北京市軌道交通節能中心等省部級創新平臺，開展新技術的研究和推廣應用工作。目前，新一代智慧型牽引供電系統的部分創新技術已經在國內部分線路上開展了正式應用，現簡要介紹如下。

圖10 部分取代方案Fig. 10 Application scheme that one 12-pulse diode rectifier is replaced by a new four-quadrant converter system

圖11 完全替代方案Fig. 11 Application scheme that two 12-pulse diode rectifier are both replaced by four-quadrant converter system

5.1 北京地鐵10號線雙向變流技術應用驗證

2013年，兩套四象限變流器在北京地鐵10號線正式投入運營。運營初期，僅工作在逆變狀態，用作再生制動能量回饋。2016年，該四象限變流器正式開通整流功能，成為我國首套正線運營的具備“牽引供電+能量回饋”功能的雙向變流機組。該變電所也成為混合式牽引變電所，主接線圖如圖12所示。

圖12 混合式牽引變電所主接線圖Fig. 12 The main topology of hybrid traction substation

既有二極管整流機組與四象限變流器采用圖6所示的外特性配合控制技術，實現二者的功率分配。圖13和圖14所示分別為列車牽引和制動工況時的變電所各機組交流側電壓電流波形。

從圖13和圖14可以看出，列車牽引時，四象限變流器和二極管整流機組同時工作，為列車提供牽引能量；列車制動時，二極管整流機組反向截止，四象限變流器逆變運行，將列車再生制動能量反饋回交流電網。

圖13 列車牽引時變電所各機組交流側波形Fig. 13 AC side waveforms of the substation converters when train is in traction state

圖14 列車制動時變電所各機組交流側波形Fig. 14 AC side waveforms of the substation converters when train is in braking state

圖15 和圖16所示分別為二極管整流機組和四象限變流器直流側電流波形（采樣率1 S/s）。

圖15 二極管整流機組直流側電流波形Fig. 15 DC side current waveforms of the 12-pulse rectifier

圖16 四象限變流器直流側電流波形Fig. 16 DC side current waveforms of the four-quadrant converter

一年多的運行試驗表明，四象限變流器能夠在整流和逆變之間平滑切換，設備運行穩定，且在一定程度上改善了直流供電品質。

5.2 鄭州城郊線分散式無功補償技術驗證

鄭州地鐵城郊線于2017年1月正式開通運營，采用1 500 V供電制式，共12個牽引混合變電所，每個變電所安裝一套四象限變流器，每臺裝備容量1.6 MW，如圖17所示為站點設置情況，圖18所示為設備現場運行圖。

圖17 鄭州城郊線的站點設置情況Fig. 17 The station layout of Zhengzhou suburb line

圖18 設備現場運行Fig. 18 Field equipment in operation

5.2.1 校驗及保護試驗

線路調試階段，用四象限變流器發出無功電流，可完成對線路上電流互感器及檢測設備的真實校驗（不同于傳統在互感器二次側加量的模擬校驗），并完成主變電所的差動保護等相關試驗。

5.2.2 分散式無功補償試驗

線路運營初期，發車密度非常低，線路的容性無功大大超過有功功率，導致功率因數很低。

目前，開通分散式無功補償功能，每臺能饋裝置發出200～500 kVA的感性無功，圖19所示為設備無功補償狀態下35 kV側電壓電流波形，其中，Ua為35 kV電網側電壓，Ia為設備發出的無功補償電流波形。

從圖19可以看出，設備無功補償運行時所發出的電流Ia滯后35 kV網壓Ua相位角90°，電流波形質量良好。此外，無功補償功能自投入以來，設備運行穩定，筆者將進一步根據35 kV中壓環網的需要改變補償容量。

圖19 35 kV側電壓電流波形Fig. 19 Voltage and current waveform of 35kV side

6 結語

新一代智慧型牽引供電系統具有節能效果突出、功率因數高、供電品質好、系統簡化、智能化水平高、建設及運維成本低等顯著特征。

新一代智慧型牽引供電系統的研究和應用，密切結合國家軌道交通發展的重大需求，圍繞國家重點發展高技術領域，具有完全自主知識產權。通過對既有牽引供電系統的升級換代，達到世界先進水平，為軌道交通走出去發展戰略提供技術支撐。

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