城市軌道交通雙向變流器牽引供電技術的應用

成吉安

(寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，315111，寧波//高級工程師)

城市軌道交通列車制動過程中產生的再生制動能量有效回收利用技術，已成為目前重要的研究課題。

目前，城市軌道交通行業(yè)普遍使用三相交流異步電機驅動系統，其牽引系統的設備構成如圖1所示。圖1中，列車牽引系統包括主隔離開關、高速斷路器、VVVF(變壓-變頻)逆變器、濾波電抗器、制動電阻器及牽引電機等。

圖1 城市軌道交通列車牽引系統構成圖

列車通過車頂受電弓向接觸網取流，當列車處于牽引工況時，車載VVVF逆變器將取自接觸網的直流電轉換成頻率和電壓連續(xù)可調的三相交流電，供牽引電機使用；當列車處于制動工況時，要求充分發(fā)揮電制動功能，優(yōu)先進行再生制動，最大限度地將能量返回電網。列車在制動工況下，牽引電機變成異步發(fā)電機，利用列車制動過程的慣性運動發(fā)電，產生的交流電通過VVVF逆變器整流成直流電回饋給接觸網或車載制動電阻。列車再生制動過程中產生的能量回饋通常會引起牽引網電壓升高，部分再生能量可以被線路上相鄰列車或本車其他車載用電設備吸收，不能被吸收的部分則只能轉換為車載制動電阻而被消耗浪費掉。

1 逆變回饋型能饋裝置的應用

在牽引變電所設置再生能量吸收裝置,能夠使列車最大限度使用再生能量，減少環(huán)境污染，降低隧道溫度，以達到節(jié)能的目的。牽引變電所設置再生能量吸收利用的常用能饋裝置有4類，分別為電阻消耗型、飛輪儲能型、電容儲能型、逆變回饋型。其主要工作原理為：當處于再生制動工況的列車產生的再生能量不能完全被其它車輛和本車的用電設備吸收時，牽引網電壓將很快上升，上升到一定程度后，牽引變電所中設置的再生能量吸收裝置投入工作，吸收掉多余的再生電流，使列車再生電流持續(xù)穩(wěn)定，以最大限度地發(fā)揮再生制動性能。

目前，我國解決再生能量吸收利用問題的主流方案是在牽引變電所原有兩臺牽引整流機組的基礎上，設置1套中壓逆變回饋型能饋裝置，其工作原理如圖2所示。

圖2 “牽引整流機組+中壓逆變回饋型能饋裝置”工作原理圖

該類型能饋裝置主要采用電力電子器件構成大功率逆變器，其直流側與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流進線連接到35 kV交流母線上。當再生制動使接觸網電壓升高并超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將牽引供電系統中再生直流電逆變成工頻交流電回饋至中壓供電網絡，保障列車電制動功能的發(fā)揮，同時起到降低并穩(wěn)定直流牽引網電壓的作用。當列車再生制動功率大于能饋裝置逆變功率峰值時，裝置能夠保持額定功率恒功率逆變運行。

該裝置充分利用了列車再生制動能量，提高了再生能量的利用率，節(jié)能效果較好，并可直接取消列車車載制動電阻的配置；其再生能量直接回饋到中壓供電網絡，不需要配置額外的儲能設備。

2 中壓逆變回饋型能饋裝置的缺點

寧波軌道交通集團有限公司一直不斷致力于開發(fā)更加簡單可靠、節(jié)能及節(jié)省投資的牽引供電設備和應用模式。目前，已經運營的軌道交通1號線、2號線采用車載制動電阻方案。在建軌道交通3號線列車全部取消了車載制動電阻，除車輛段牽引變電所采用電阻消耗型能饋裝置外，正線牽引變電所全部采用中壓逆變回饋型能饋裝置。該方案的缺點如下：

1)需要在牽引變電所原有牽引整流機組設備配置的基礎上，單獨增加直流開關柜、回饋變壓器、高壓開關柜及能饋控制柜等設備，增加了再生能饋裝置設備房間的建筑面積，同時也增加了牽引變電所的土建和設備投資。

2)能饋裝置只有在牽引網電壓升高并超過某個規(guī)定值時，才啟動能饋裝置的再生能量吸收利用功能，雖然在一定程度上抑制了過高的牽引網電壓，但終究不具備能饋裝置的自然逆變和持續(xù)穩(wěn)定直流網壓的功能。

3 雙向變流器方案的提出及論證

牽引供電系統是保障列車正常運行的重要組成部分，對其功能進行整合、優(yōu)化和提升，不僅符合系統運行要求，也與我國倡導的節(jié)能環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略決策一致。隨著電力電子器件的發(fā)展及大容量變流設備控制和生產工藝水平的提高，大功率雙向變流器已具備實施條件。因此，雙向變流器是牽引供電系統牽引技術發(fā)展的一個新方向。

針對再生制動能饋裝置存在的諸多缺點，2016年5月，寧波市軌道交通集團有限公司牽頭，聯合中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司、徐州和緯信電科技有限公司、海南金盤電氣有限公司等單位提出了雙向變流器研究及應用課題，致力于研制出可以完全替代二極管整流機組+再生制動能饋裝置的牽引供電雙向變流設備。2016年11月，陸續(xù)完成了雙向變流器可行性分析、產品設計、樣機生產及工廠測試。截止2017年6月，在中國中車寧波車輛基地試車線進行了近半年的雙向變流器掛網試運行試驗，測試并記錄了多項車輛及雙向變流器運行技術參數，并順利通過專家評審。2018年3月，經過反復論證及現場勘踏，選擇在寧波軌道交通2號線一期寧波大學站，啟動牽引變電所改造工程及雙向變流器掛網試運行研究項目，并陸續(xù)完成雙向變流器的安裝、調試及運行試驗數據的測試、分析、專家評審等工作任務。

4 雙向變流器方案的工作原理及運行方式

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有驅動功率小、飽和壓降低的優(yōu)點，非常適合應用于直流電壓為600 V及以上的變流系統。雙向變流器裝置就是由IGBT構成的大功率牽引供電設備，該設備替代傳統整流器機組和再生能饋裝置，實現了整流回路和逆變回路的一體化設計，且便于運營管理和維護。雙向變流器牽引供電工作原理如圖3所示。

圖3 雙向變流器牽引供電系統工作原理圖

采用雙向變流器替代整流機組后，在整流狀態(tài)下工作時，雙向變流器可為列車提供牽引功率，從而在一定程度上維持網壓的穩(wěn)定；在逆變狀態(tài)下工作時，雙向變流器能夠將列車再生制動能量回饋到交流電網，供其他負載使用，避免消耗電阻，以達到節(jié)約能源的目的。此外，還可以在無功補償狀態(tài)下實現對交流中壓電網的無功補償，以提高交流系統功率因數。

采用雙向變流器替代整流機組后，在正常運行方式下，全線雙向變流器向牽引網供電；當一座牽引變電所發(fā)生故障時，由相鄰牽引變電所越區(qū)形成大雙邊供電；當一套機組發(fā)生故障時，由另一套機組在其容量允許的范圍內繼續(xù)運行。寧波軌道交通在建4號線工程，對原有牽引供電系統初步設計方案進行了大量的創(chuàng)新修改，將自主研發(fā)的專用回流軌技術、雙向變流器技術兩項科研成果轉化到實際應用中，成為全國第一條采用雙向變流器牽引供電技術方案的城市軌道交通線路。

5 雙向變流器方案的繼電保護配置

5.1 雙向變流器方案35 kV保護配置

采用雙向變流器方案后，牽引回饋變壓器的短路阻抗電壓較傳統牽引變壓器增大，由此引起變壓器低壓側的短路電流減小。以2 200 kVA、2 750 kVA和3 300 kVA 3種容量的變壓器為例，通過計算得出變壓器閥側(0.9 kV側)發(fā)生半短路和全短路時的短路過流保護靈敏系數如表1所示。

表1 變壓器閥側短路過流保護靈敏系數

由表1可知，采用雙向變流器后，只有2 000 kW的雙向變流器變壓器閥側發(fā)生半短路時35 kV過流保護能夠滿足靈敏系數1.5的要求，2 500 kW及3 000 kW的雙向變流器變壓器閥側發(fā)生半短路和全短路時35kV過流保護均不能滿足靈敏系數1.5的要求。因此,常規(guī)的過流保護配置方案對于雙向變流器不適用，需重新進行考慮。

采用復合電壓(即負序過電壓+低電壓)閉鎖過流保護是提高過流保護靈敏度的有效且常用的方法。列車在正常運行狀態(tài)下，由于三相對稱，負序和零序分量的數值均為零，保護不啟動；當變壓器高、低壓任一側發(fā)生相間不對稱短路故障時，35 kV系統都會產生負序分量，高壓側發(fā)生接地短路時還會存在零序分量，因此，盡管短路電流不大，但通過檢測負序電壓可判斷系統是否出現相間不對稱短路；當變壓器閥側發(fā)生三相對稱短路時，由于變壓器阻抗電壓較大，因此短路電流不大，35 kV側的電壓下降也不明顯，但變壓器閥側電壓下降明顯，因此可將閥側電壓的降低作為啟動過電流保護的條件。

因此，采用雙向變流器方案后的牽引回饋變壓器35 kV保護配置包括電流速斷保護、復合電壓閉鎖過流保護、零序電流保護、過負荷保護、變壓器內部繞組溫度保護及鐵芯溫度保護。

5.2 雙向變流器方案直流系統保護配置

采用雙向變流器方案后，牽引回饋變壓器的短路阻抗電壓較傳統牽引變壓器增大，直流牽引供電系統的近、中、遠端短路電流及短路電流變化率均比整流方式時要小。采用雙向變流器方案后，傳統直流饋線的大電流脫扣保護、電流增量保護的保護范圍比整流方式時有所減小，在近、中端短路的保護動作時間及全分斷時間亦比整流方式時要長。正常運行方式下牽引網發(fā)生短路時各種保護相互配合，基本能保證牽引網近、中、遠端短路的全范圍保護；一座牽引所在解列、越區(qū)供電方式下，當遠端發(fā)生短路時，部分間距大的牽引所區(qū)間需要依靠雙邊聯跳保護實現全范圍保護。因此，直流系統保護配置方案維持與整流方式保護配置方案相同。

6 雙向變流器方案的技術優(yōu)勢

雙向變流器采用了IGBT模塊和PWM(脈寬調制)技術，通過PWM控制傳輸能量的大小和方向，既能實現整流又能完成逆變。該方案兼具牽引整流機組與中壓能饋逆變功能，此外還具備穩(wěn)定電壓、提升供電質量及控制功率因數等多項優(yōu)勢，是城市軌道交通牽引供電技術的發(fā)展趨勢和方向。該方案的優(yōu)點在于：

1)牽引回饋變壓器采用高壓無移相繞組，使得線圈結構更簡單。線圈作為變壓器的核心部件，結構越簡單，相應的可靠性也會越高。借鑒牽引整流變壓器的制造經驗，完全可以保證牽引回饋變壓器在生產制造中的品質。

2)雙向變流器具有牽引供電及再生能量回饋的能力，同時亦具備承受直流系統短路電流的能力，能夠完全取代傳統牽引整流機組+能量回饋裝置。

3)對于新建線路，與傳統牽引整流機組+能量回饋裝置比較，該方案能夠有效減少設備房使用面積；對于未設置能量回饋設備用房又需增加能量回饋功能的既有線路，便于進行改造工作。

4)該方案具有持續(xù)穩(wěn)定直流牽引網網壓作用，能夠有效降低網損，改善列車運行環(huán)境；同時完全取消了車載制動電阻的設置，減輕了車輛重量，一定程度上有利于列車節(jié)能。

7 結語

目前，我國各城市均在大力發(fā)展城市軌道交通建設，雙向變流器牽引供電技術的研究與應用，從本質上可以改變原有牽引供電方式。因此,研發(fā)出具有完全自主知識產權的新一代牽引供電設備，實現全功率的列車牽引和制動能量自然雙向變流，可以顯著提升列車直流供電質量，并達到節(jié)能目的。雙向變流器牽引供電技術在寧波軌道交通線路的科學研究、創(chuàng)新示范應用以及相關技術標準的不斷完善，將為我國城市軌道交通新型牽引供電系統的應用和推廣提供可靠的技術儲備和保障。