何俊文 王開康 何 斌 劉 煒 張 戩 曾佳欣

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 430063, 武漢; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 610031, 成都∥第一作者, 高級工程師)

當(dāng)前,在我國建設(shè)節(jié)約型城市軌道交通的背景下,城市軌道交通供電系統(tǒng)中車輛再生制動產(chǎn)生的電能利用問題已引起了專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前,我國地鐵牽引降壓混合變電所(以下簡稱“牽混所”)采用24脈波整流機(jī)組及再生制動能量裝置,對列車制動產(chǎn)生的能量進(jìn)行有效利用。雙向變流裝置從原理上能替代能量單向傳遞的二極管整流機(jī)組,其是基于PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變雙向變流功能,具有能量雙向流動、直流特性可控、功率因數(shù)可調(diào)、諧波含量小等優(yōu)良特性。

文獻(xiàn)[1]通過地鐵雙向變流裝置的實(shí)測數(shù)據(jù),驗(yàn)證了該裝置的穩(wěn)定性、良好的整流效果及節(jié)能的有效性。文獻(xiàn)[2]研究了整流機(jī)組與雙向變流裝置混合供電的控制策略,并對某地鐵工程雙向變流裝置掛網(wǎng)測試,分析了雙向變流裝置具備替代二極管整流機(jī)組+能饋裝置的能力,驗(yàn)證了其具有穩(wěn)定直流網(wǎng)壓、提高供電質(zhì)量及降低越區(qū)供電等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]建立了考慮下垂輸出外特性的雙向變流裝置計(jì)算模型,并以某地鐵工程為例,研究雙向變流裝置下垂率和空載電壓對峰值功率、牽引網(wǎng)網(wǎng)壓和鋼軌電位的影響。以上文獻(xiàn)對地鐵雙向變流裝置的功能性驗(yàn)證較多,而針對不同條件下雙向變流裝置和整流機(jī)組配合的負(fù)載功率分配規(guī)律實(shí)測研究及全線雙向變流裝置的試驗(yàn)驗(yàn)證研究較少。

雙向變流在城市軌道交通中的應(yīng)用一般有兩種方案,即整流機(jī)組與雙向變流裝置協(xié)同工作的方案(以下簡稱“整流+雙向變流方案”)和完全采用雙向變流裝置的方案(以下簡稱“全雙向變流方案”)。本文以徐州地鐵某含雙向變流裝置的實(shí)際線路為例,研究該線路中某牽混所的雙向變流裝置與整流機(jī)組協(xié)同工作時(shí)的系統(tǒng)綜合輸出外特性,分析雙向變流裝置啟動電壓及整流機(jī)組工況對負(fù)載功率分配的影響。通過現(xiàn)場實(shí)測對比整流+雙向變流方案與全雙向變流方案的負(fù)載情況,分析含雙向變流裝置車輛段的無功補(bǔ)償效果。本文研究可為地鐵雙向變流裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 案例車站工程概況

測試線路長度為24.2 km,供電系統(tǒng)設(shè)置主變電所2座,牽混所11座,降壓所10座,跟隨所3座,車站20座。采用直流1 500 V架空接觸網(wǎng)授流,鋼軌回流。列車類型為6B(6節(jié)編組B型車,4動2拖)。

該線路牽混所及車輛段均安裝雙向變流裝置,其簡化的供電系統(tǒng)示意圖如圖1所示。牽混所中整流機(jī)組Tr1、Tr2和BCD(雙向變流裝置)均連接在I段母線上。雙向變流裝置啟動電壓范圍設(shè)置為1 550～1 650 V,安裝容量為2 MW。對牽混所和車輛段的負(fù)荷過程進(jìn)行測試,包括雙向變流裝置交流側(cè)進(jìn)線電流、I段35 kV母線電壓,以及直流側(cè)接觸網(wǎng)電壓、直流側(cè)整流機(jī)組及雙向變流裝置電流。牽混所及車輛段電量參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖如圖2所示。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

a) 牽混所5監(jiān)測點(diǎn)位置

本次測試共包含4種工作模式:①整流機(jī)組與雙向變流裝置(恒壓外特性)協(xié)同工作;②整流機(jī)組與雙向變流裝置(下垂外特性)協(xié)同工作;③整流機(jī)組獨(dú)立工作,雙向變流裝置僅參與逆變;④雙向變流裝置(下垂外特性)獨(dú)立工作。

2 整流+雙向變流方案外特性分析與實(shí)測

2.1 外特性分析

雙向變流裝置與整流機(jī)組配合運(yùn)行時(shí),一方面需要與整流機(jī)組配合提供牽引能量,另一方面需要回饋列車制動能量,其負(fù)載功率分配情況受到啟動電壓和整流機(jī)組工況的影響[4]。整流機(jī)組具有自然下垂特性。雙向變流裝置相當(dāng)于一個可控電壓源,其恒壓特性及下垂特性如圖3所示。

a) 恒壓特性

對于恒壓特性而言,當(dāng)電流在Idmin—Idmax范圍內(nèi)時(shí),雙向變流裝置保持牽引恒壓特性運(yùn)行,在其容量范圍之內(nèi)將直流牽引網(wǎng)壓穩(wěn)定在設(shè)定目標(biāo)值Ud0范圍內(nèi),以抑制接觸網(wǎng)壓下降;隨著牽引功率的增加,當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值Idmax并繼續(xù)增大時(shí),雙向變流器保持最大恒定功率進(jìn)行工作。

對于下垂特性而言,當(dāng)電流在Idmin—Idmax范圍內(nèi)時(shí),隨著裝置輸出電流的增加,直流網(wǎng)壓以下垂率k逐漸減小, 由于牽引功率的增加,當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值Idmax并繼續(xù)增大時(shí),雙向變流器以最大恒定功率進(jìn)行工作。

以恒壓特性作為雙向變流裝置外特性,整流機(jī)組與雙向變流裝置協(xié)同配合時(shí),其混合供電系統(tǒng)有3種工作模式,分別為:Udr>Ud0(Udr為整流機(jī)組空載電壓;Ud0為雙向變流裝置空載電壓);Udr=Ud0;Udr

a) Udr>Ud0

a) Udr>Ud0(恒壓特性)

對于Udr>Ud0模式:當(dāng)電流小于I1時(shí),直流網(wǎng)壓高于Ud0,此時(shí)整流機(jī)組單獨(dú)工作,為列車提供牽引功率;當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值I1并繼續(xù)增大時(shí),雙向變流裝置投入工作,保持牽引恒壓特性運(yùn)行,補(bǔ)充列車所需牽引電能,有效實(shí)現(xiàn)雙向變流器+整流機(jī)組協(xié)同工作的目的,并將直流網(wǎng)壓維持在Ud0范圍內(nèi)[5];當(dāng)電流增大至I1+Idmax并繼續(xù)增大時(shí),雙向變流裝置進(jìn)入最大恒定功率運(yùn)行區(qū)間,直流網(wǎng)壓逐漸下降。

對于Udr=Ud0模式:由于雙向變流裝置的穩(wěn)壓功能,當(dāng)電流小于Idmax時(shí),直流網(wǎng)壓一直維持在Ud0范圍內(nèi),此時(shí)雙向變流裝置單獨(dú)工作;當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值Idmax并繼續(xù)增大時(shí),雙向變流裝置進(jìn)入最大恒定功率運(yùn)行區(qū)間,直流網(wǎng)壓逐漸下降,整流機(jī)組投入工作,補(bǔ)充列車所需牽引電能。

對于Udr

2.2 恒壓外特性下負(fù)載功率分配情況實(shí)測分析

2.2.1 啟動電壓影響

以2020年11月10日徐州某地鐵工程牽混所5為例,分析該所雙向變流裝置啟動電壓對輸出情況的影響,其直流側(cè)輸出電流曲線如圖6所示。其中:工況1—工況3分別表示牽混所5中24脈波整流機(jī)組與恒壓1 550 V、1 600 V、1 650 V雙向變流裝置協(xié)同工作的情況;整流工況下,輸出電流為正。牽混所5直流負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)如表1所示。其中:PRAVG為整流機(jī)組有功功率的平均值;PBAVG為雙向變流裝置整流工況有功功率的平均值。

表1 工況1—工況3的牽混所5直流負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)

a) 工況1

由表1可知,當(dāng)牽混所5中的雙向變流裝置保持牽引恒壓特性運(yùn)行時(shí),隨著啟動電壓從1 550 V提高至1 650 V,總體上整流機(jī)組輸出功率的平均值逐漸減小,而雙向變流裝置整流輸出功率的平均值逐漸增大,且其工作時(shí)間逐漸增加。這說明雙向變流裝置啟動電壓越高,負(fù)載功率分配越多。根據(jù)前文提到的供電系統(tǒng)的工作模式(見圖4 a)),當(dāng)Ud0增加時(shí),設(shè)定值I1相應(yīng)減小,隨著牽引負(fù)荷電流增大,雙向變流裝置提早投入工作,其輸出功率相較于原來有所增加。

2.2.2 整流機(jī)組工況影響

雙向變流裝置分別與12脈波整流機(jī)組、24脈波整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí),由于12脈波整流機(jī)組的等效阻抗大于24脈波整流機(jī)組,在相同負(fù)載情況下,第1種工作模式(雙向變流裝置與12脈波整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行)的整流機(jī)組輸出功率小于第2種工作模式(雙向變流裝置與24脈波整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行),則第1種工作模式下的雙向變流裝置整流輸出功率大于第2種工作模式。

以2020年11月10日牽混所5及牽混所6的雙向變流裝置與整流機(jī)組配合運(yùn)行為例,分析牽混所6整流機(jī)組工況影響,其直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)柱狀圖如圖7所示。其中:工況4表示整流機(jī)組與雙向變流裝置(恒壓1 550 V)協(xié)同工作情況;工況5表示整流機(jī)組與雙向變流裝置(恒壓1 600 V)協(xié)同工作情況。

圖7 工況4—工況5的牽混所6直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

由圖7可知,12脈波整流機(jī)組、24脈波整流機(jī)組分別與雙向變流裝置并聯(lián)運(yùn)行時(shí),在相同負(fù)載情況下,第1種工作模式牽混所6中的雙向變流裝置的整流輸出功率峰值大于與第2種工作模式。測試結(jié)果表明,12脈波整流機(jī)組的等效阻抗大于24脈波整流機(jī)組的等效阻抗。

2.3 下垂外特性下輸出功率情況實(shí)測分析

以2020年11月10日徐州某地鐵工程牽混所5為例,分析該所雙向變流裝置(下垂外特性)與不同工況整流機(jī)組協(xié)同工作時(shí)的負(fù)載功率分配規(guī)律,其直流側(cè)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。其中:工況6表示24脈波整流機(jī)組與雙向變流裝置(下垂1 650～1 550 V)協(xié)同工作情況;工況7表示12脈波整流機(jī)組與雙向變流裝置(下垂1 650～1 550 V)協(xié)同工作情況;PRMAX為整流機(jī)組有功功率最大值;PBMAX為雙向變流裝置整流工況有功功率最大值。

表2 工況6—工況7的牽混所5直流側(cè)負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)

由表2可知,牽混所5的雙向變流裝置以牽引下垂特性(1 650～1 550 V)運(yùn)行時(shí),工況6的雙向變流裝置整流輸出功率峰值小于工況7,這同樣也表明12脈波整流機(jī)組的等效阻抗大于24脈波整流機(jī)組的等效阻抗。

以工況6為例,當(dāng)雙向變流裝置(下垂外特性)與24脈波整流機(jī)組協(xié)同工作并處于整流工況時(shí),隨著直流網(wǎng)壓從1 650 V逐漸下降至1 550 V,整流機(jī)組及雙向變流裝置的輸出電流逐漸增加,取該時(shí)段部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得曲線如圖8所示。由圖8可知:實(shí)際情況下的整流機(jī)組下垂外特性并非線性,其自然下垂率隨電流的變化而發(fā)生變化;由于裝置控制策略原因,本次試驗(yàn)的雙向變流裝置并沒有工作在恒功率區(qū),其輸出電流隨著網(wǎng)壓的降低而逐漸增加。

圖8 整流機(jī)組自然下垂外特性擬合曲線

3 全雙向變流方案運(yùn)行性能實(shí)測分析

以2020年11月11日徐州某地鐵工程為例,牽混所5及牽混所6的直流側(cè)輸出電流曲線如圖9所示。其中:工況8表示整流+雙向變流方案方案,即24脈波整流機(jī)組獨(dú)立工作的情況(此時(shí)雙向變流裝置僅參與逆變);工況9表示全雙向變流方案,即全線各牽混所整流機(jī)組退出后,雙向變流裝置以下垂外特性(1 650～1 550 V)獨(dú)立運(yùn)行的情況;整流工況下,輸出直流為正。工況8及工況9的牽混所5及牽混所6直流負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)如表3所示。其中:IRAVG5、IRAVG6分別表示牽混所5及牽混所6的整流機(jī)組整流的輸出電流平均值;IBAVG5、IBAVG6分別表示牽混所5及牽混所6的雙向變流裝置整流的輸出電流平均值。

表3 工況8及工況9的牽混所5及牽混所6直流負(fù)荷過程統(tǒng)計(jì)

a) 工況8

由表3可知:當(dāng)整流機(jī)組獨(dú)立工作時(shí),牽混所5及牽混所6的整流機(jī)組的輸出電流平均值相近,為列車牽引提供所需電流;當(dāng)全線雙向變流裝置獨(dú)立運(yùn)行時(shí),牽混所5的雙向變流裝置整流輸出功率平均值有所增加,牽混所6的雙向變流裝置整流輸出功率平均值有所減少。這說明在本次試驗(yàn)中,雙向變流裝置可以替代整流機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行,在列車牽引及制動時(shí)實(shí)現(xiàn)整流、逆變的功能,且系統(tǒng)牽引功率分布有所改變。

4 含雙向變流裝置的車輛段無功補(bǔ)償分析

功率因數(shù)問題一直是困擾軌道交通供電系統(tǒng)的重要問題, 功率因數(shù)較低會導(dǎo)致電力部門的高額罰款。為了提高功率因數(shù), 需對無功補(bǔ)償效果進(jìn)行分析。本節(jié)主要分析雙向變流裝置工作時(shí)的無功補(bǔ)償效果。以含雙向變流裝置的車輛段為例,對其進(jìn)行無功補(bǔ)償分析。用雙向變流裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償,切除SVG(靜止無功發(fā)生器)后,不同無功補(bǔ)償控制操作下,主所110 kV側(cè)的無功功率均值(補(bǔ)償前,主所容性無功功率均值為-3.87 Mvar)如表4所示。

表4 不同無功補(bǔ)償控制操作下的主所無功功率均值

當(dāng)雙向變流裝置無功功率補(bǔ)償值依次增大為0.50 Mvar、1.00 Mvar時(shí),主所110 kV側(cè)的容性無功功率依次減少了0.49 Mvar、1.00 Mvar(與主所連接的其他牽混所負(fù)荷波動有關(guān)),理論計(jì)算的線路無功損耗依次為16.216 kvar、16.337 kvar,可忽略不計(jì)。因此,雙向變流裝置能有效對地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

5 結(jié)論

1) 通過對徐州某地鐵工程含雙向變流裝置的牽混所5及牽混所6進(jìn)行測試分析可知,雙向變流裝置的負(fù)載功率分配受到其啟動電壓及整流機(jī)組工況的影響。在恒壓外特性下,當(dāng)啟動電壓升高時(shí),相同條件下雙向變流裝置的整流輸出功率有所增加,此結(jié)果與混合系統(tǒng)綜合輸出外特性分析結(jié)果一致;雙向變流裝置分別與12脈波及24脈波整流機(jī)組協(xié)同運(yùn)行時(shí),其在第1種工作模式下的整流輸出功率峰值大于第2種工作模式。

2) 對比整流+雙向變流方案與全雙向變流方

案發(fā)現(xiàn),當(dāng)整流機(jī)組與雙向變流裝置(僅逆變)協(xié)同工作時(shí),牽混所5及牽混所6中整流機(jī)組的輸出電流平均值均為194 A;當(dāng)整流機(jī)組退出后,牽混所5及牽混所6的雙向變流裝置整流機(jī)組的輸出電流平均值分別為331 A、29 A。結(jié)果表明,雙向變流裝置能完全代替整流機(jī)組獨(dú)立運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)整流和逆變的功能。

3) 對含雙向變流裝置的車輛段進(jìn)行無功補(bǔ)償分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)雙向變流裝置補(bǔ)償?shù)臒o功功率依次增大為0.50 Mvar、1.00 Mvar時(shí),監(jiān)測主所110 kV側(cè)的容性無功功率均值依次減少了0.49 Mvar、1.00 Mvar,驗(yàn)證了雙向變流裝置無功補(bǔ)償功能的有效性。