曹翔宇 姚春玉

摘 要： 隨著社會(huì)的進(jìn)步和城市化建設(shè)的加快，城市軌道交通混合供電系統(tǒng)為雙向變流器機(jī)組和二極管整流機(jī)組并聯(lián)工作的供電系統(tǒng)。二極管整流機(jī)組輸出電壓不可控，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況變化進(jìn)行調(diào)整;雙向變流器采用全控型器件，可通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)多種輸出特性。在混合供電系統(tǒng)中，雙向變流器需根據(jù)不同的控制目標(biāo)及二極管整流機(jī)組輸出特性等因素對(duì)自身輸出特性進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)混合供電系統(tǒng)中雙向變流器輸出特性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明，混合供電系統(tǒng)能滿足各種供電模式的實(shí)際應(yīng)用需求，也能實(shí)現(xiàn)雙向變流器與整流機(jī)組之間的協(xié)同工作。

關(guān)鍵詞： 城市軌道;交通混合;供電系統(tǒng)工作

【中圖分類號(hào)】U121 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）11-0183-01

引言：城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)承載電能變換、輸送、回饋、故障保護(hù)和隔離等多種功能，是城市軌道交通的核心系統(tǒng)。早期的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)主要采用二極管整流機(jī)組，在列車起動(dòng)和加速時(shí)提供牽引電能;但列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)能量只能通過(guò)車載或地面制動(dòng)電阻進(jìn)行消耗，能源浪費(fèi)較大。近期新建的城市軌道交通線路開(kāi)始采用增加列車制動(dòng)能量吸收裝置的方案，通過(guò)由全控電力電子器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成的全控整流裝置，將大部分列車制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)，節(jié)能效果明顯。

1 混合供電系統(tǒng)的供電特性

①NOP段特性。在電流I2—I1的范圍內(nèi)，設(shè)定雙向變流器以較小的功率輸出，保持雙向變流器輸出電壓跟隨接觸網(wǎng)電壓，這種情況下，當(dāng)有突變負(fù)載需大功率輸出時(shí)可避免接觸網(wǎng)的電壓突變;另外，在該區(qū)間內(nèi)以小功率寬電壓跟隨直流網(wǎng)壓不僅可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量鄰車優(yōu)先吸收，還可以避免雙向變流器與整流機(jī)組或其他雙向變流器之間出現(xiàn)功率環(huán)流。②MN段特性。當(dāng)回饋電流大于I2時(shí)，雙向變流器進(jìn)入大功率回饋穩(wěn)壓特性運(yùn)行，在雙向變流器的容量范圍之內(nèi)，能最大程度地將制動(dòng)能量回饋至交流電網(wǎng)，將直流網(wǎng)壓維持在目標(biāo)設(shè)定值Ufbk范圍內(nèi)，以抑制接觸網(wǎng)壓上升。

2 城市軌道交通混合供電系統(tǒng)工作模式研究

2.1 混合儲(chǔ)能裝置建模

由于雙向DC/DC具有穩(wěn)定電壓等級(jí)以及控制能量流向的作用，采用效率模型進(jìn)行混合儲(chǔ)能裝置的建模。采用效率模型建立能量管理系統(tǒng)，效率模型中包含超級(jí)電容充放電效率、蓄電池充放電效率、DC/DC變換器效率、逆變器的效率、齒輪比效率及電機(jī)效率。由于總效率為各效率之積，為了簡(jiǎn)化模型，建立儲(chǔ)能裝置與供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的能量關(guān)系。

2.2 整流機(jī)組優(yōu)先供電模式

在該模式下，制動(dòng)能量由雙向變流器逆變回饋至交流電網(wǎng)，列車牽引時(shí)由二極管整流機(jī)組優(yōu)先供電;隨著牽引功率的增加，直流電壓下降至雙向變流器穩(wěn)壓?jiǎn)?dòng)閾值時(shí)雙向變流器輸出大功率牽引電能，維持網(wǎng)壓不再繼續(xù)下降。

2.3 雙向變流器掛網(wǎng)實(shí)施

雙向變流器在正線掛網(wǎng)，對(duì)施工和試驗(yàn)都提出了較高要求，重點(diǎn)需要解決以下3個(gè)問(wèn)題：設(shè)備安裝不影響牽引變電所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行;解決雙向變流器正線操作邏輯及保護(hù)問(wèn)題;采用適當(dāng)?shù)目刂颇Ｊ绞闺p向變流器與現(xiàn)有整流機(jī)組能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行。①操作保護(hù)邏輯操作顯示單元主要由柜門(mén)操作按鈕、指示燈、儀表及觸摸屏組成，實(shí)現(xiàn)啟停、運(yùn)行/檢修、近控/遠(yuǎn)控等操作，觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、故障記錄及錄波等功能。②混合供電控制模式。雙向變流器作為PWM整流器，其本質(zhì)上是一個(gè)電壓源，要想與整流機(jī)組協(xié)調(diào)供電，一方面需要杜絕各整流電源之間產(chǎn)生能量環(huán)流，另一方面需要順應(yīng)整流機(jī)組自然下垂特性的負(fù)載曲線，因此采用多段下垂控制模式。

2.4 內(nèi)部條件

由于超級(jí)電容和蓄電池的互補(bǔ)特性，在能量管理上，超級(jí)電容響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高于蓄電池。在容量設(shè)置上，考慮經(jīng)濟(jì)性和蓄電池能量密度高的特點(diǎn)，蓄電池的容量大于超級(jí)電容容量。為了裝置安全性，引入峰值功率Ppeak，任意時(shí)刻混合儲(chǔ)能裝置的響應(yīng)應(yīng)該小于峰值功率。為了延長(zhǎng)二者壽命，滿足淺充淺放的原則，應(yīng)該滿足SOC限制條件。

2.5 混合供電模式分析

雙向變流器與整流機(jī)組協(xié)同供電，二者不同優(yōu)先供電模式對(duì)對(duì)直流網(wǎng)壓波動(dòng)的影響。通過(guò)修改系統(tǒng)參數(shù)，雙向變流器可工作于整流機(jī)組優(yōu)先模式和雙向變流器優(yōu)先模式，二者最大的不同在于雙向變流器的牽引閾值不同。雙向變流器牽引閾值較低，列車加速時(shí)整流機(jī)組先供電;隨著電壓下降到牽引閾值時(shí)雙向變流器開(kāi)始提供牽引支撐，網(wǎng)壓變得較為穩(wěn)定。向變流器優(yōu)先提供牽引支撐，網(wǎng)壓較為穩(wěn)定;隨著牽引功率的增加雙向變流器進(jìn)入下垂控制，直流網(wǎng)壓下降，整流機(jī)組開(kāi)始提供牽引能量。

2.6 下垂控制運(yùn)行效果

實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行中，雙向變流器采用下垂控制策略與整流器協(xié)同運(yùn)行，試驗(yàn)中記錄了單次列車從加速到停車的數(shù)據(jù)，生成曲線圖。在列車加速過(guò)程中，雙向變流器輸出直流電壓初始下降較快，中間經(jīng)歷了一段穩(wěn)壓輸出區(qū)間;隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，直流電壓再次開(kāi)始下垂，此時(shí)由整流機(jī)組繼續(xù)補(bǔ)充牽引能量;在列車制動(dòng)時(shí)，雙向變流器通過(guò)穩(wěn)壓回饋把制動(dòng)能量回饋至35kV電網(wǎng)。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，直流輸出電壓根據(jù)負(fù)載變化不斷進(jìn)行調(diào)整，滿足預(yù)定控制目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：在雙向變流器加整流機(jī)組的混合供電系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)整雙向變流器的特性參數(shù)并經(jīng)過(guò)實(shí)車測(cè)試表明，混合供電系統(tǒng)特性可滿足雙向變流器穩(wěn)壓模式、整流機(jī)組優(yōu)先供電模式、雙向變流器優(yōu)先供電模式的實(shí)際應(yīng)用需求，且雙向變流器與整流機(jī)組之間的協(xié)同工作也均實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。雙向變流器穩(wěn)壓模式可完全實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)的穩(wěn)壓功能。接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定可以實(shí)現(xiàn)列車就近取流、減少線路損耗、優(yōu)化回流路徑。但雙向變流器穩(wěn)壓模式的實(shí)現(xiàn)需建立在全線設(shè)置雙向變流器的基礎(chǔ)上，目前雙向變流器的全線應(yīng)用的項(xiàng)目已在安裝實(shí)施階段，但尚未有全線運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。整流機(jī)組優(yōu)先供電模式除完成制動(dòng)能量回饋，還可在雙向變流器功率范圍內(nèi)有效維持直流網(wǎng)壓下降，減小接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)了整流機(jī)組及雙向變流器之間的協(xié)同工作，增加了線網(wǎng)的供電容量。雙向變流器優(yōu)先供電模式同樣具備整流機(jī)組優(yōu)先供電的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)進(jìn)行單站掛網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，由于單站的雙向變流器將接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定在一個(gè)較高的電壓值，因此將會(huì)產(chǎn)生大功率長(zhǎng)距離傳輸，會(huì)造成不必要的線路損耗。

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