城市轨道交通混合供电系统工作模式研究

城市轨道交通混合供电系统工作模式研究

周明敏

重庆市轨道交通（集团）有限公司 重庆市 401120

摘要：城市轨道交通混合供电系统属于由二极管整流机组和双向变流器机组二者并联而成的供电系统。此外，由二极管整流机组输出的电压都是无法控制的，不能结合现场实际状况做出调整；然而，双向变流器应用的是全控型器件，能够通过对参数做出调整达到多种输出的目的。针对混合供电系统，双向变流器必须结合具体的控制目标还有二极管整流机组所呈现出的输出特性等各项因素对其输出特性做出调整。文章将对混合供电系统当中涉及的双向变流器输出特性设计方案展开分析，根据具体测试结果可以看出，通过应用混合供电系统可以满足不同供电模式的具体需求，同时还可以保证双向变流器以及整流机组实现协同作用。

关键词：混合供电；城市轨道；供电系统

引言

目前国内城市轨道交通供电系统所应用的主流供电设备大部分都是以二极管整流机组为主的，这种设备最大的优点在于结构十分简单，而且整体运行十分可靠。但其最大的缺点在于直流网压波动非常大，而且可能面临制动能量不能够回馈的问题。因此，为了有效解决以上问题，我国上海地区城市轨道交通研制单位联合同济设计院及设备生产厂家共同开展了关于如何将双向变流器应用到城市轨道交流供电系统的研究。由于双向变流器属于一种完全由全控型器件共同组成的一类大功率变流设备，此种设备有着十分突出的能量回馈功能，同时也具备较强的牵引供电功能的作用。也就是说，当列车处于制动状态下时，可以把直流电能逆变成交流电能，从而将其回馈到交流电网上。但是，当处于牵引供电状态下时，双向变流器同样可以把交流电能逆变成为直流电能，从而为列车牵引提供能量。在降低网损以及稳定直流网压两个方面，双向变流器都应当具备与二极管整流器一样的过载能力以及容量大小。

1混合供电系统的应用

如今，双向变流器已经被广泛应用到了城市轨道牵引供电系统当中，能够实现列车再生制动能量回馈，从而实现稳定直流电压以及无功补偿等多种功能。此外，当双向变流器处于逆变器状态下的时候，则能够将列车制动能量全部反馈到交流电网当中，从而实现节约能源的目的。当处于整流状态的情况下，经过整流之后，能够极大限度地为列车提供必要的牵引动力，而且还可以保证直流电压始终处于稳定状态。不仅如此，还能够应用到无功补偿中，可以为交流电网提供必要的无功补偿，能够最大限度地提升整个电网的功率因素。所以，从这也可以看出，双向变换器最大的优点就是表现出无功功率可控以及输出谐波含量小，还有能量双向流动以及交流侧功率因数可调等等，甚至还表现出极大的直流电压可控这一突出优势。基于这些优点，双向变流器被广泛应用到了非常多的领域当中。针对双向变流器，其工作性能不单单建立在控制器所拥有的良好性能基础之上，更建立在主电路配置以及参数基础之上。所以，对双向变换器的实际控制以及运行性能的研究对现实工作中的具体应用都有着十分重要的意义。

如今，城市轨道供电系统存在的三大不足在于：第一，能量浪费十分严重；第二，直流侧存在输出电压极其不稳定的状态，而且波动范围非常大，无法一直稳定在某个能够接受的范围值；第三，夜间或是处于非工作高峰期状态下，牵引负荷通常较小，而且电缆中包含的等效电容同样会产生巨大的无功功率，将会导致系统的功率因数大大降低。而通过应用双向变流器，其突出优势将得到很好的发挥：第一，能量能够完美地实现双向流动。比如，当处于整流模式状态下时，可以把电网当中的能量全部输出到列车电机组当中，当处在工作逆变模式状态下，能够将列车制动获得的能量全部回馈到电网当中。第二，直流侧电压能够稳定在既定范围值。第三，双向变流器能够实现补偿无功的作用，而且功率因数都是能够调节的，有效弥补了需要在夜间或是非工作高峰期交流系统功率因数偏低方面的问题。从这也能看出，双向变流器极大的弥补了传统城市轨道供电系统存在的三大不足，因此双向变流器也被更加广泛地应用到了城市轨道交通系统当中。

2混合供电系统的供电特性

针对混合供电系统的具体供电特性，我们结合下图1所示展开分析：

图1混合供电系统双向变流器特性图

2.1MN段特性

如果回馈电流高出I2的情况下，双向变流器呈现出大功率回归稳压特性运行模式，并且在双向变流器的容量范围之内可以极大限度地把所有的制动能量都反馈到交流电网，同时还可以把直流网压持续维持在既定范围，也就是Ufbk范围，从而有效控制接触网压不会继续上升。

2.2NOP段特性

如果回馈电流处在I2-I1范围的情况下，需要对双向变流器进行设定，保证其以更小的功率进行输出，有效稳定双向变流器能够输出更加稳定的电压。针对此种情况，如果突变负载面临要大功率输出的情况下则能够很好地避免出现接触网发生电压突变的情况。不仅如此，在这一区间内通过小功率宽电压的方式跟随直流网压不单单能够保证制动能量邻车可以优先系统，同时也能够有效避免整流机组以及双向变流器或者是其他不同类型的双向变流器之间发生功率环流的现象。

2.3PQ段特性

如果电流处于I1-I3范围下，此时的双向变流器将直接进入到牵引稳压特性运行，而且能够在双向变流器适度容量范围内把直流牵引网压控制在稳定状态，也就是能够控制在前期设定的Uele范围里，从而能对接触网压进行抑制，抑制其不下降。

2.4QR段特性

如今，伴随双向变流器牵引功率的持续增强，如果电流高于I3设定值的情况下，双向变流器将会进入到目标电压下垂特性区间内，在稳定双向变流器输出限幅功率的情况下，能够实现由整流机组持续补充所需的牵引电能，从而保障整流机组能够和双向变流器二者协同工作。

3混合供电系统的工作模式

针对混合供电系统，通过对双向变流器具体的特性参数进行调整之后能够实现如下不同的工作模式：

第一，双向变流器稳压模式。针对此种模式，主要是由双向变流器对外输出列车牵引以及回馈电能的，而对于整流机组，则一直处在热备用状态中，并没有直接提供电能，没有发挥出其电能作用。

第二，整流机组优先供电模式。对于此种模式，所产生的制动能量其实是从双向变流器发生逆变之后回馈到了交流电网，而且对于列车牵引工作状态下也是由二极管整流机组做出优先供电的。此外，随着牵引功率的持续上升，直流电压将持续下降，一直下降到双向变流器稳压启动阈值的时候，此时的双向变流器所能输出的牵引电能是拥有最大功率的，从而有效维持网压不会持续下降。

第三，双向变流器优先供电模式。对于此种模式，制动能量主要是由双向变流器发生逆变后回馈到了交流电网，当列车处于牵引状态下的时候，双向变流器将会优先实现稳压供电；此外，当牵引功率持续增加到了限幅功率的状态下，双向变流器能够在保证限幅功率输出状态下进入到电压下垂模式，而当面临能量不足的情况下，则由整流机组进行供电。

4总结

针对双向变流器加整流机组的混合供电系统，通过对双向变流器的特性参数进行调整及实车测试之后可以看出，混合供电系统特性能够有效满足双向变流器稳压模式以及整流机组优先供电模式，还有双向变流器优先供电模式等的具体应用需求，同时也能够保证双向变流器和整流机组之间能够实现更好的协同工作，而且之间能够做到无缝对接。充分应用双向变流器的优势特征，持续提升城市轨道交通混合供电系统工作效能也是未来的发展趋势。

参考文献

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