城市轨道交通供电系统双向变流方案的研究

城市轨道交通供电系统双向变流方案的研究

何俊文刘琛

（中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063）

摘要：将双向变流器应用到城轨牵引供电系统中，可实现列车再生制动能量回馈、牵引供电、稳定直流网压以及对交流系统的无功补偿，是再生能量吸收装置的发展方向。本文以某城市地铁2号线为例，通过构建双向变流装置的供电系统仿真计算模型，得到了不同双向变流方案下的供电系统参数，为今后的设计提供参考。

关键词：双向变流；轨道交通；供电计算；

0引言

城市轨道交通一般采用多脉波不可控整流器，实现将35kV侧交流电转换至1180V侧直流电。由于其能量只能单向传输，输出特性不可控，导致列车制动产生的多余再生制动能量不得不用电阻消耗掉，不仅造成能量的巨大浪费，同时还会带来隧道温度升高、环控系统负担加重及相应的能源消耗等问题。如何将列车再生制动能量进行有效利用，一直是业界长期关注的问题。

目前常规的再生能馈技术方案是不控整流加中压逆变装置，当列车制动能量促使直流牵引电网的电压抬高并超过设定值时，再生制动能量回馈装置启动并从牵引电网中吸收电能反馈到交流电网中，供其它负载使用，如图1所示。目前该方案研发、生产制造技术成熟，产品可靠。

图1常规中压逆变方案

但在该方案下，直流网压容易波动，供电兼容性欠缺，存在功率越区损耗现象，且需要单独设立再生能馈装置，需要配置逆变回馈变压器、逆变装置以及交直流开关，会增加占地面积。

1双向变流技术方案特点

双向变流技术方案如图2所示，是以全控型电力电子器件组成，并采用PWM控制方式的电力电子变换器，其交流侧通过变压器连接中压交流电网，直流侧连接牵引网直流母线，既能够吸收列车的再生制动电能，又能够为列车提供驱动电能，直接快捷地实现电能的双向变换，是一种尚未大规模采用的新型牵引供电装置。

图2双向变流技术方案

双向变流技术方案对比常规中压逆变技术方案有以下6个优点：

1、直流网压平稳

双向变流装置无论在整流和逆变工作状态，直流网压均可稳定在设定电压，牵引站正负偏差不超过50V，为列车牵引系统、辅助供电系统提供了良好的供电支撑，降低安全隐患。结合潮流优化治理，可显著降低杂散电流、轨电位等问题的影响。

2、优化线路损耗

由于直流网压可控，牵引和回馈电能必然由近端牵引站输出和回馈，避免越区传输；同时可合理的设定运行电压，减小线路损耗。

3、供电兼容改善

对于无功功率，双向变流装置装置可随时进行分布式补偿，取消主所集中补偿装置，对网侧电压波动具有宽范围适应区间，在正负15%的波动区间内可保持直流网压稳定不受影响。

4.极限安全提高

当出现2个或更多个牵引站退出时，双向变流装置可主动提升网压，超越大双边运行模式，仍可保证系统正常运行。

5.核心设备可控

采用双向变流装置装置做为核心供电设备，其功率大小和流向均可控，可显著提高系统的信息化和智能化程度，为提高供电系统的安全和效率提供了有力的保证。

6.占地面积减小

双向变流装置装置占地面积及体积和原二极管整流装置基本相当，无需增加土建成本。对于未预留能馈位置的早期运行线路来说，是唯一可行的改造方案。

2两种双向变流技术方案应用的仿真计算

双向变流作为列车再生能量利用的革命性解决方案，目前有两种应用方案：整流机组+双向变流器的混合方案和完全采用双向变流器的方案。本文分别对两种方案进行了供电仿真计算，得到了各个牵引所和牵引区间的牵引反馈功率、牵引电流、反馈电流、牵引网电压、钢轨电位。

以某城市2号线为实例，以近期高峰小时14对加7对列车数据进行计算，设置两组仿真条件：

（1）完全双向变流模式：直流母线电压稳定在1720V，低于此电压设备进行整流，高于此电压设备进行逆变。

（2）整流+逆变模式：直流母线电压高于1720V进行逆变，低于1650V进行整流。

仿真结果如表1所示，可以看出在完全双向变流情况下，牵引功率反馈能耗、牵引网压、钢轨电位等各项数据均优于整流加逆变模式，验证了双向变流装置的技术优势。

3总结

双向变流装置不仅可实现列车再生制动能量回馈，还可以提高供电品质，进行无功补偿，综合节能效果更优。随着IGBT器件成本的不断降低，双向逆变装置未来有望取代整流机组，带来城轨牵引供电一场技术变革。

参考文献：

［1］张钢，刘志刚，牟富强.双向变流器在城轨牵引供电系统中的应用[J].都市快轨交通，2014，27（04）：109-112.

［2］余龙，张钢.双向变流器在城市轨道交通中的应用浅析[J].电气化铁道，2012，23（06）：42-44.

［3］城市轨道双向变流牵引供电系统算法及设计研究报告[R]，武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司2018.

作者简介：

何俊文，男，高级工程师，从事城市轨道交通供电系统设计。