中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化院 左 超

引言

近年來，隨著我國城市軌道交通運(yùn)營里程的逐年增加，城市軌道交通總電能耗逐年攀升。其中，2020年城軌交通牽引能耗84億千瓦時(shí)，平均車公里牽引能耗1.9千瓦時(shí)。通過采取措施降低車公里牽引能耗，對于降低運(yùn)營成本、響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)具有重大意義[1]。

城市軌道交通多采用直流供電制式，其核心特征是采用24脈波整流機(jī)組進(jìn)行供電，具有可靠性較高且成本較低的優(yōu)勢，但是存在再生制動能量無法吸收、功率因數(shù)低、接觸網(wǎng)直流電壓波動大等諸多問題。為更加充分吸收或利用列車再生制動能量，我國許多城市軌道交通采用了不同形式的能饋裝置，主要包括電阻耗能型、儲能型、逆變回饋型[2]。其中，中壓逆變回饋型能饋裝置在行業(yè)內(nèi)已廣泛應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)上，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步研發(fā)出雙向變流裝置，讓設(shè)備可以分別工作在整流和逆變兩種狀態(tài)下。雙向變流裝置集合了傳統(tǒng)的牽引整流機(jī)組、逆變回饋裝置和無功補(bǔ)償裝置功能，這有助于提高牽引供電系統(tǒng)的能量利用效率、功率因數(shù)，降低接觸網(wǎng)電壓波動，代表了未來城市軌道交通牽引供電技術(shù)的發(fā)展方向[3]。目前國內(nèi)部分城市軌道交通實(shí)現(xiàn)了將雙向變流裝置作為輔助裝置與整流機(jī)組實(shí)現(xiàn)并聯(lián)牽引，尚無全線完全由雙向變流裝置獨(dú)立牽引的應(yīng)用實(shí)例，因此有必要在未開通線路上進(jìn)行試驗(yàn)，開展雙向變流裝置全線多場景應(yīng)用研究[4-5]。

目前能饋裝置廣泛應(yīng)用于國內(nèi)城市軌道交通中，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙向變流裝置在工程中的應(yīng)用愈加成熟。本文結(jié)合雙向變流裝置的原理及優(yōu)點(diǎn)，在某條城市軌道交通線路中分別進(jìn)行了雙向變流裝置獨(dú)立牽引、雙向變流裝置與整流機(jī)組并聯(lián)牽引等試驗(yàn)，研究了不同場景下雙向變流裝置在城市軌道交通線路中全線應(yīng)用的可行性，為雙向變流裝置在國內(nèi)推廣使用提供參考。

1 雙向變流裝置原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 雙向變流裝置原理

雙向變流裝置是將目前的整流機(jī)組+逆變裝置進(jìn)行整合，基于PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，同時(shí)開啟IGBT 的整流和逆變功能，讓設(shè)備可以分別工作在整流和逆變兩種狀態(tài)下，從而實(shí)現(xiàn)與列車牽引、制動特性的優(yōu)秀匹配。

圖1 整流機(jī)組+中壓逆變型再生能饋裝置原理圖

1.2 雙向變流裝置優(yōu)點(diǎn)

能量雙向流動。列車牽引取流時(shí)，能量通過雙向變流裝置由交流側(cè)傳遞至直流側(cè)向列車供電；列車制動時(shí)，除被其它列車吸收外，多余的制動能量通過雙向變流裝置直接反饋回交流側(cè)中壓環(huán)網(wǎng)，供其他負(fù)載使用。

圖2 雙向變流型再生能饋裝置原理圖

穩(wěn)定直流網(wǎng)壓。通過檢測直流電壓與設(shè)定值之間的大小關(guān)系，控制雙向變流裝置傳輸能量的方向及大小，從而實(shí)現(xiàn)對直流電壓的調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓的效果。

提高系統(tǒng)功率因數(shù)。雙向變流裝置具備功率因數(shù)任意可調(diào)的特點(diǎn)，可取代專用的無功補(bǔ)償裝置SVG，并且有效解決中壓網(wǎng)絡(luò)非高峰時(shí)段功率因數(shù)偏低的問題。

2 雙向變流試驗(yàn)

北方某城市地鐵2號線列車采用4動2拖的B2型車，開通前空載運(yùn)行，最高運(yùn)行速度為80km/h。上線列車數(shù)量為12列，行車間隔為8分45秒。全線共設(shè)車站20座，其中牽混所10座，每個(gè)牽混所配置2套整流機(jī)組和1套雙向變流裝置，其中整流機(jī)組的額定容量為2×2200kW，雙向變流裝置的額定容量為2000kW，峰值容量為5000kW。

在全線列車按圖運(yùn)行的情況下，分別進(jìn)行了以下三種工況條件下的試驗(yàn)：工況1。雙向變流裝置獨(dú)立牽引試驗(yàn)（全線整流機(jī)組退出）；工況2。雙向變流裝置獨(dú)立牽引+與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)（整流機(jī)組僅隔站投入）；工況3。雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)（全線整流機(jī)組均投入）。其中工況1雙向變流裝置獨(dú)立牽引試驗(yàn)，屬于國內(nèi)首次在城市軌道交通正線實(shí)現(xiàn)全線無整流機(jī)組的牽引運(yùn)行。

2.1 雙向變流裝置獨(dú)立牽引試驗(yàn)

圖3 工況1列車直流電壓變化圖

全線雙向變流裝置的整流電壓均設(shè)為1650～1550V（下垂控制），逆變電壓均設(shè)為1750V（恒壓控制），全線整流機(jī)組退出運(yùn)行，完全由雙向變流裝置獨(dú)立牽引。各牽混所的最大牽引功率、最低直流電壓、列車直流電壓如下：

從表1中可知，全線各牽混所雙向變流裝置的最大牽引功率為3772kW，均低于設(shè)備峰值功率（5000kW）。在全線整流機(jī)組均退出的情況下，依靠10套5MW 雙向變流裝置可以滿足12列B 型車空載運(yùn)行需求，各牽混所牽引功率分布較為均衡。

表1 工況1各牽混所的最大牽引功率和最低直流電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

全線各牽混所的最低網(wǎng)壓為1572V，全線列車直流網(wǎng)壓最低為1557V、最高為1750V。采用雙向變流裝置，可以將列車網(wǎng)壓的波動控制在較小的范圍內(nèi)。

2.2 雙向變流裝置獨(dú)立牽引+與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)

全線雙向變流裝置的整流電壓均設(shè)為1650～1550V（下垂控制），逆變電壓均設(shè)為1750V（恒壓控制），選取其中的牽混所1、牽混所3、牽混所5、牽混所7、牽混所9的整流機(jī)組退出運(yùn)行，以上牽混所完全由雙向變流裝置獨(dú)立牽引，其余牽混所則由雙向變流裝置和整流機(jī)組并聯(lián)完成牽引。各牽混所的最大牽引功率、最低直流電壓、列車直流電壓如下：

從表2中可知，全線各牽混所雙向變流裝置的最大牽引功率為3256kW，均低于設(shè)備峰值功率（5000kW）。和工況1相比，5個(gè)車站的整流機(jī)組重新投入了應(yīng)用，分擔(dān)了雙向變流裝置一定功率，工況2條件下的雙向變流裝置最大牽引功率低于工況1。

表2 工況2各牽混所的最大牽引功率和最低直流電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 工況2列車直流電壓變化圖

當(dāng)全線分別處于雙向變流裝置獨(dú)立牽引和雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引兩種狀態(tài)時(shí)，各牽混所牽引功率分布較為均衡，雙向變流裝置與整流機(jī)組間相互配合良好。

全線各牽混所的最低網(wǎng)壓為1586V，全線列車直流網(wǎng)壓最低為1562V，最高為1759V，列車網(wǎng)壓波動較小。

2.3 雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引試驗(yàn)

全線雙向變流裝置的整流電壓均設(shè)為1650～1550V（下垂控制），逆變電壓均設(shè)為1750V（恒壓控制），全線整流機(jī)組均投入，所有牽混所均由雙向變流裝置和整流機(jī)組并聯(lián)完成牽引。各牽混所的最大牽引功率、最低直流電壓，列車直流電壓如下：

圖5 工況3列車直流電壓變化圖

從表3中可知，全線各牽混所雙向變流裝置的最大牽引功率為2900kW，均低于設(shè)備峰值功率（5000kW）。和工況1、2相比，所有車站的整流機(jī)組全部投入了應(yīng)用，雙向變流裝置承擔(dān)的牽引功率進(jìn)一步降低。

表3 工況3各牽混所的最大牽引功率和最低直流電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)全線均處于雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)牽引狀態(tài)時(shí)，各牽混所牽引功率分布較為均衡，雙向變流裝置與整流機(jī)組間相互配合良好。

全線各牽混所的最低網(wǎng)壓為1592V，全線列車直流網(wǎng)壓最低為1555V、最高為1752V，列車網(wǎng)壓波動較小。

2.4 試驗(yàn)總結(jié)與展望

對于一條20km 左右長度的城市軌道交通線路，在全線整流機(jī)組完全退出的條件下，依靠10套5MW雙向變流裝置可以滿足12列B 型車空載運(yùn)行的需求。

無論是雙向變流裝置隔站獨(dú)立牽引，還是全線雙向變流裝置與整流機(jī)組并聯(lián)牽引，雙向變流裝置與整流機(jī)組間相互配合較好，各牽混所牽引功率分布較為均衡。

當(dāng)雙向變流裝置分別處于單獨(dú)工作、隔站單獨(dú)工作、與24脈波整流機(jī)組配合工作等狀態(tài)時(shí)，其最大牽引功率呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。

采用雙向變流裝置，可以有效控制列車網(wǎng)壓波動在較小的范圍內(nèi)，起到了改善網(wǎng)壓的效果。

雙向變流裝置對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)具有顯著改善作用，且各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，具備在正線全線推廣應(yīng)用的條件。各城市軌道交通項(xiàng)目可根據(jù)各自發(fā)展現(xiàn)狀、實(shí)際需求、資金投入等條件決定全線雙向變流裝置投入數(shù)量和具體使用方式。

綜上，隨著城市軌道交通牽引能耗的逐年攀升，再生能饋裝置將得到更加普遍的應(yīng)用。其中，雙向變流裝置將整流機(jī)組、逆變裝置、無功補(bǔ)償裝置功能集于一身，節(jié)省了設(shè)備投資和土建面積，進(jìn)一步改善了供電系統(tǒng)性能，代表了城市軌道交通能饋裝置未來的發(fā)展方向。本文通過研究分析不同場景下雙向變流裝置在城市軌道交通線路中全線應(yīng)用的可行性，對于將來雙向變流裝置在各城市推廣應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。