雙向變流器裝置在城市軌道交通中的應用

吳凡，劉傳鐸

（1.廈門軌道交通集團有限公司；2.新風光電子科技股份有限公司）

1 引言

近幾年，我國城市軌道交通快速發展，由于城市交通站間距離較短，其運行的特殊性在于列車啟動、制動頻繁，且制動時會產生大量能量，國內地鐵牽引供電系統一般采用電阻消耗方式消耗此能量或加入再生制動能量回饋裝置回饋能量。

地鐵牽引網制動能量不能被重復利用的根本原因在于現有的直流牽引供電系統采用不控整流機組供電，只能實現能量的單向流動，不能將列車的制動能量反饋到交流電網中[1-3]。

為了實現地鐵牽引網能量的雙向流動，本文提出了一種應用于城市軌道交通的雙向變流器裝置。分析了雙向變流器裝置工作原理，并基于牽引網直流電壓等級嚴格控制雙向變流器的工作模式，進而實現雙向變流功能，抑制裝置間環流。搭建了雙向變流器裝置仿真模型，對所提出的雙向變流器控制策略進行了仿真驗證。仿真結果表明，本文所研究的雙向變流器裝置既能夠為地鐵牽引網提供電能，也能將列車再生制動產生的電能回饋到電網中，實現了電能在交流電網和牽引網之間的雙向傳遞，并通過現場運行實例驗證了雙向變流器功能的正確性和有效性。

2 雙向變流器工作原理

雙向變流器原理框圖如圖1所示。

圖1 雙向變流器原理框圖

雙向變流器是以全控型電力電子器件組成的電力電子變換器。其交流側通過變壓器連接中壓交流電網，直流側連接牽引網直流母線。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，直接快捷實現電能的雙向變換。

3 雙向變流器仿真研究

使用Matlab軟件搭建雙向變流器仿真模型，具體仿真參數如表1所示，裝置仿真模型如圖2所示，其雙向變流控制策略如圖3所示。

圖2 雙向變流器仿真模型

圖3 雙向變流控制策略

表1 仿真參數

圖4分別為直流側電壓、三相交流電流、電壓電流相位仿真波形圖。從仿真結果可以看出，雙向變流器裝置可以嚴格依據直流側電壓變化進行整流、逆變工作模式的切換，驗證了雙向變流器功能的正確性和有效性。

圖4 直流側電壓、三相交流電流、電壓電流相位仿真波形圖

4 應用案例

2017年4月，雙向變流型再生能量回饋裝置已在某地鐵線路成功掛網運行，裝置現場運行圖片如圖5所示。

圖5 現場運行雙向變流器裝置

圖6為雙向變流裝置直流側電壓、交流電流實驗波形圖，從實驗波形圖中可以看出，雙向變流裝置可以嚴格依據直流側電壓變化情況進行整流、逆變工作模式的切換，驗證了雙向變流器功能的正確性和有效性。

圖6 直流側電壓、交流電流實驗波形圖

5 結語

為了實現地鐵牽引網能量的雙向流動，文章分析了雙向變流器裝置的工作原理，基于牽引網直流電壓等級嚴格控制雙向變流器的工作模式，進而實現雙向變流功能。搭建了雙向變流器裝置仿真模型，對所提出的雙向變流器控制策略進行了仿真驗證。仿真結果表明，所研究的雙向變流器裝置既能為地鐵牽引網提供電能，也能將列車再生制動產生的電能回饋到電網中，實現了電能在交流電網和牽引網之間的雙向傳遞，并通過現場運行實例驗證了雙向變流器功能的正確性和有效性。