成吉安

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，315111，寧波//高級(jí)工程師)

城市軌道交通列車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量有效回收利用技術(shù)，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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其牽引系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。圖1中，列車牽引系統(tǒng)包括主隔離開(kāi)關(guān)、高速斷路器、VVVF(變壓-變頻)逆變器、濾波電抗器、制動(dòng)電阻器及牽引電機(jī)等。

圖1 城市軌道交通列車牽引系統(tǒng)構(gòu)成圖

列車通過(guò)車頂受電弓向接觸網(wǎng)取流，當(dāng)列車處于牽引工況時(shí)，車載VVVF逆變器將取自接觸網(wǎng)的直流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的三相交流電，供牽引電機(jī)使用；當(dāng)列車處于制動(dòng)工況時(shí)，要求充分發(fā)揮電制動(dòng)功能，優(yōu)先進(jìn)行再生制動(dòng)，最大限度地將能量返回電網(wǎng)。列車在制動(dòng)工況下，牽引電機(jī)變成異步發(fā)電機(jī)，利用列車制動(dòng)過(guò)程的慣性運(yùn)動(dòng)發(fā)電，產(chǎn)生的交流電通過(guò)VVVF逆變器整流成直流電回饋給接觸網(wǎng)或車載制動(dòng)電阻。列車再生制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量回饋通常會(huì)引起牽引網(wǎng)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(shè)備吸收，不能被吸收的部分則只能轉(zhuǎn)換為車載制動(dòng)電阻而被消耗浪費(fèi)掉。

1 逆變回饋型能饋裝置的應(yīng)用

在牽引變電所設(shè)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(dá)到節(jié)能的目的。牽引變電所設(shè)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(chǔ)能型、電容儲(chǔ)能型、逆變回饋型。其主要工作原理為：當(dāng)處于再生制動(dòng)工況的列車產(chǎn)生的再生能量不能完全被其它車輛和本車的用電設(shè)備吸收時(shí)，牽引網(wǎng)電壓將很快上升，上升到一定程度后，牽引變電所中設(shè)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(dòng)性能。

目前，我國(guó)解決再生能量吸收利用問(wèn)題的主流方案是在牽引變電所原有兩臺(tái)牽引整流機(jī)組的基礎(chǔ)上，設(shè)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(jī)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(gòu)成大功率逆變器，其直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流進(jìn)線連接到35 kV交流母線上。當(dāng)再生制動(dòng)使接觸網(wǎng)電壓升高并超過(guò)規(guī)定值時(shí)，逆變器啟動(dòng)并從直流母線吸收電流，將牽引供電系統(tǒng)中再生直流電逆變成工頻交流電回饋至中壓供電網(wǎng)絡(luò)，保障列車電制動(dòng)功能的發(fā)揮，同時(shí)起到降低并穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓的作用。當(dāng)列車再生制動(dòng)功率大于能饋裝置逆變功率峰值時(shí)，裝置能夠保持額定功率恒功率逆變運(yùn)行。

該裝置充分利用了列車再生制動(dòng)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(dòng)電阻的配置；其再生能量直接回饋到中壓供電網(wǎng)絡(luò)，不需要配置額外的儲(chǔ)能設(shè)備。

2 中壓逆變回饋型能饋裝置的缺點(diǎn)

寧波軌道交通集團(tuán)有限公司一直不斷致力于開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單可靠、節(jié)能及節(jié)省投資的牽引供電設(shè)備和應(yīng)用模式。目前，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線采用車載制動(dòng)電阻方案。在建軌道交通3號(hào)線列車全部取消了車載制動(dòng)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(diǎn)如下：

1)需要在牽引變電所原有牽引整流機(jī)組設(shè)備配置的基礎(chǔ)上，單獨(dú)增加直流開(kāi)關(guān)柜、回饋?zhàn)儔浩?、高壓開(kāi)關(guān)柜及能饋控制柜等設(shè)備，增加了再生能饋裝置設(shè)備房間的建筑面積，同時(shí)也增加了牽引變電所的土建和設(shè)備投資。

2)能饋裝置只有在牽引網(wǎng)電壓升高并超過(guò)某個(gè)規(guī)定值時(shí)，才啟動(dòng)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(guò)高的牽引網(wǎng)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(wǎng)壓的功能。

3 雙向變流器方案的提出及論證

牽引供電系統(tǒng)是保障列車正常運(yùn)行的重要組成部分，對(duì)其功能進(jìn)行整合、優(yōu)化和提升，不僅符合系統(tǒng)運(yùn)行要求，也與我國(guó)倡導(dǎo)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(shè)備控制和生產(chǎn)工藝水平的提高，大功率雙向變流器已具備實(shí)施條件。因此，雙向變流器是牽引供電系統(tǒng)牽引技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。

針對(duì)再生制動(dòng)能饋裝置存在的諸多缺點(diǎn)，2016年5月，寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司牽頭，聯(lián)合中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)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(yīng)用課題，致力于研制出可以完全替代二極管整流機(jī)組+再生制動(dòng)能饋裝置的牽引供電雙向變流設(shè)備。2016年11月，陸續(xù)完成了雙向變流器可行性分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣機(jī)生產(chǎn)及工廠測(cè)試。截止2017年6月，在中國(guó)中車寧波車輛基地試車線進(jìn)行了近半年的雙向變流器掛網(wǎng)試運(yùn)行試驗(yàn)，測(cè)試并記錄了多項(xiàng)車輛及雙向變流器運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，并順利通過(guò)專家評(píng)審。2018年3月，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證及現(xiàn)場(chǎng)勘踏，選擇在寧波軌道交通2號(hào)線一期寧波大學(xué)站，啟動(dòng)牽引變電所改造工程及雙向變流器掛網(wǎng)試運(yùn)行研究項(xiàng)目，并陸續(xù)完成雙向變流器的安裝、調(diào)試及運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試、分析、專家評(píng)審等工作任務(wù)。

4 雙向變流器方案的工作原理及運(yùn)行方式

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V及以上的變流系統(tǒng)。雙向變流器裝置就是由IGBT構(gòu)成的大功率牽引供電設(shè)備，該設(shè)備替代傳統(tǒng)整流器機(jī)組和再生能饋裝置，實(shí)現(xiàn)了整流回路和逆變回路的一體化設(shè)計(jì)，且便于運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)。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(tǒng)工作原理圖

采用雙向變流器替代整流機(jī)組后，在整流狀態(tài)下工作時(shí)，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(wǎng)壓的穩(wěn)定；在逆變狀態(tài)下工作時(shí)，雙向變流器能夠?qū)⒘熊囋偕苿?dòng)能量回饋到交流電網(wǎng)，供其他負(fù)載使用，避免消耗電阻，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。此外，還可以在無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)交流中壓電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，以提高交流系統(tǒng)功率因數(shù)。

采用雙向變流器替代整流機(jī)組后，在正常運(yùn)行方式下，全線雙向變流器向牽引網(wǎng)供電；當(dāng)一座牽引變電所發(fā)生故障時(shí)，由相鄰牽引變電所越區(qū)形成大雙邊供電；當(dāng)一套機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，由另一套機(jī)組在其容量允許的范圍內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行。寧波軌道交通在建4號(hào)線工程，對(duì)原有牽引供電系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了大量的創(chuàng)新修改，將自主研發(fā)的專用回流軌技術(shù)、雙向變流器技術(shù)兩項(xiàng)科研成果轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中，成為全國(guó)第一條采用雙向變流器牽引供電技術(shù)方案的城市軌道交通線路。

5 雙向變流器方案的繼電保護(hù)配置

5.1 雙向變流器方案35 kV保護(hù)配置

采用雙向變流器方案后，牽引回饋?zhàn)儔浩鞯亩搪纷杩闺妷狠^傳統(tǒng)牽引變壓器增大，由此引起變壓器低壓側(cè)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(guò)計(jì)算得出變壓器閥側(cè)(0.9 kV側(cè))發(fā)生半短路和全短路時(shí)的短路過(guò)流保護(hù)靈敏系數(shù)如表1所示。

表1 變壓器閥側(cè)短路過(guò)流保護(hù)靈敏系數(shù)

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(cè)發(fā)生半短路時(shí)35 kV過(guò)流保護(hù)能夠滿足靈敏系數(shù)1.5的要求，2 500 kW及3 000 kW的雙向變流器變壓器閥側(cè)發(fā)生半短路和全短路時(shí)35kV過(guò)流保護(hù)均不能滿足靈敏系數(shù)1.5的要求。因此,常規(guī)的過(guò)流保護(hù)配置方案對(duì)于雙向變流器不適用，需重新進(jìn)行考慮。

采用復(fù)合電壓(即負(fù)序過(guò)電壓+低電壓)閉鎖過(guò)流保護(hù)是提高過(guò)流保護(hù)靈敏度的有效且常用的方法。列車在正常運(yùn)行狀態(tài)下，由于三相對(duì)稱，負(fù)序和零序分量的數(shù)值均為零，保護(hù)不啟動(dòng)；當(dāng)變壓器高、低壓任一側(cè)發(fā)生相間不對(duì)稱短路故障時(shí)，35 kV系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量，高壓側(cè)發(fā)生接地短路時(shí)還會(huì)存在零序分量，因此，盡管短路電流不大，但通過(guò)檢測(cè)負(fù)序電壓可判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)相間不對(duì)稱短路；當(dāng)變壓器閥側(cè)發(fā)生三相對(duì)稱短路時(shí)，由于變壓器阻抗電壓較大，因此短路電流不大，35 kV側(cè)的電壓下降也不明顯，但變壓器閥側(cè)電壓下降明顯，因此可將閥側(cè)電壓的降低作為啟動(dòng)過(guò)電流保護(hù)的條件。

因此，采用雙向變流器方案后的牽引回饋?zhàn)儔浩?5 kV保護(hù)配置包括電流速斷保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)、零序電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、變壓器內(nèi)部繞組溫度保護(hù)及鐵芯溫度保護(hù)。

5.2 雙向變流器方案直流系統(tǒng)保護(hù)配置

采用雙向變流器方案后，牽引回饋?zhàn)儔浩鞯亩搪纷杩闺妷狠^傳統(tǒng)牽引變壓器增大，直流牽引供電系統(tǒng)的近、中、遠(yuǎn)端短路電流及短路電流變化率均比整流方式時(shí)要小。采用雙向變流器方案后，傳統(tǒng)直流饋線的大電流脫扣保護(hù)、電流增量保護(hù)的保護(hù)范圍比整流方式時(shí)有所減小，在近、中端短路的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間及全分?jǐn)鄷r(shí)間亦比整流方式時(shí)要長(zhǎng)。正常運(yùn)行方式下?tīng)恳W(wǎng)發(fā)生短路時(shí)各種保護(hù)相互配合，基本能保證牽引網(wǎng)近、中、遠(yuǎn)端短路的全范圍保護(hù)；一座牽引所在解列、越區(qū)供電方式下，當(dāng)遠(yuǎn)端發(fā)生短路時(shí)，部分間距大的牽引所區(qū)間需要依靠雙邊聯(lián)跳保護(hù)實(shí)現(xiàn)全范圍保護(hù)。因此，直流系統(tǒng)保護(hù)配置方案維持與整流方式保護(hù)配置方案相同。

6 雙向變流器方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

雙向變流器采用了IGBT模塊和PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)，通過(guò)PWM控制傳輸能量的大小和方向，既能實(shí)現(xiàn)整流又能完成逆變。該方案兼具牽引整流機(jī)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(zhì)量及控制功率因數(shù)等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，是城市軌道交通牽引供電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)牽引回饋?zhàn)儔浩鞑捎酶邏簾o(wú)移相繞組，使得線圈結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。線圈作為變壓器的核心部件，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，相應(yīng)的可靠性也會(huì)越高。借鑒牽引整流變壓器的制造經(jīng)驗(yàn)，完全可以保證牽引回饋?zhàn)儔浩髟谏a(chǎn)制造中的品質(zhì)。

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

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

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

7 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)各城市均在大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，雙向變流器牽引供電技術(shù)的研究與應(yīng)用，從本質(zhì)上可以改變?cè)袪恳╇姺绞?。因?研發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代牽引供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全功率的列車牽引和制動(dòng)能量自然雙向變流，可以顯著提升列車直流供電質(zhì)量，并達(dá)到節(jié)能目的。雙向變流器牽引供電技術(shù)在寧波軌道交通線路的科學(xué)研究、創(chuàng)新示范應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，將為我國(guó)城市軌道交通新型牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣提供可靠的技術(shù)儲(chǔ)備和保障。