基于双向变流装置的城市轨道牵引供电系统潮流计算研究

基于双向变流装置的城市轨道牵引供电系统潮流计算研究

郑德君

深圳地铁运营集团有限公司 518040

摘要：在我国早期城市轨道交通中应用的牵引供电系统主要是利用二极管对整个机组进行供电，轨道列车制动过程中产生的能量基本上都会被轨道中的制动电阻所消耗，这会造成一定浪费。通过在牵引供电系统中应用双向变流装置可以解决上述问题，该装置可以把轨道列车在制动过程中产生的能量回馈至电网中，还能对电网中的直流电压起到稳定作用，这样便优化了城市轨道列车的行驶环境。本文从该装置的潮流计算模型入手，对该装置在牵引供电系统中的潮流计算方式进行简要分析。

关键词：双向变流装置；城市轨道交通；牵引供电系统；潮流计算

前言：在新建城市轨道交通的牵引供电系统中，大都使用的是24脉波的整流机组和双向变流装置相互并联的结构，以此来实现对轨道列车在制动过程中产生能量的利用。双向变流装置可以在某种程度上替代整流机组和逆变回馈装置，该装置具备着整流机组和逆变回馈装置的整流功能和对电网的补偿功能，这在一定程度上减少了牵引系统中供电设备的数量，节省占地面积。

1.双向变流装置的基本工作原理

从工作原理的本质上来看，该装置是具有脉冲宽度调节功能的四象限整流器，可以利用电压闭环对其中蕴含能量的流动方向进行控制，使其中的能量拥有双向流动的能力。再运用相应的坐标把矢量进行旋转变换，从而达到有功电流和无功电流解耦的目的。利用无功电流来控制该装置中的无功分量，以此来实现逆变回馈装置的补偿功能和对无功功率的控制。再通过控制有功电流来调整该装置中的电压，以此来实现逆变回馈装置的能量反馈功能。所以，从这个角度来看，该装置的动态特征较强，可以直接实现牵引供电系统中的解耦控制。

2.基于双向变流装置的潮流计算模型

为方便计算，把该装置交流侧的电压设置为Ua和Ub，有功功率和无功功率设置为Pa和Pb，电阻设置为Ra，电抗设置为Xa，把换流器阀侧电压设置为Uc，牵引供电网络中的总阻抗设置为Za。Μ为直流电压自身的利用率，调制度设置为M可推导潮流计算模型公式为：

（1）

根据上述公式，在调制方式为确定条件时，其中的位置变量为L，θ_uauab和M。所以，这就需要加入约束方程来对牵引系统中的潮流进行计算。当该装置实现无功补偿的过程时，可以使用定Q和定θ来控制，再把无功功率的补偿量设置为Qc。

3.双向变流装置在牵引供电系统中的潮流计算分析

以某城市中的轨道交通为例，该轨道交通中的牵引供电系统的接触网电阻为1.63Ω/km，其中轨道电阻为2Ω/km。把该系统中负载率设置为0.3。该列车车型为B型，拖编组为2，最高时速为70km/h。

该装置在整流过程中表现出的峰值功率受到逆变工况自身的峰值功率、钢轨电位和牵引网中的电压影响。根据上述的计算模型可以得知，该装置的下垂率直接受到Q和L的影响。

3.1容量设计

3.1.1峰值功率

把该城市中轨道交通的最大峰值功率设置为Px。此时该装置的过载能力较弱，所以整流机组的峰值功率和逆变回馈装置的峰值功率会直接影响到该装置的容量选择。在对该轨道交通线路中发车的数量进行统计后可以明显发现，其中该装置的在整流过程中的峰值功率是远大于在逆变过程中的峰值功率。形成该种现象的原因是该轨道交通列车组在发生制动的过程中，利用的是临站牵引供电系统，所以在制动过程剩余功率才会通过该装置进行逆变反馈。根据上述，该装置在整流过程中的峰值功率会对容量设计工作产生较大的影响。当该装置的下垂率发生变化时，以不同周期内的发车数量作为对比标准，可以发现，在列车空载时不会给该装置整流过程中的峰值功率带来影响。

3.1.2钢轨电位

钢轨电位是牵引供电系统中最为关键的一部分，是最为重要的参数之一。把该轨道交通中的全线钢轨电位设置成Us，并且对下垂率以及电压选取率的限制条件设置为全线列车的钢轨电位绝对值不得大于120V。再使得该轨道交通在一定周期内使用不同的发车间隔进行发车，最后通过对钢轨电位参数的统计得出，随着发车间隔的减少，钢轨电位的绝对值呈现着上升的趋势，这是因为列车功率跨区之间的传输行为增多，电流增大，致使钢轨电位随着Us上升。在牵引供电系统中网压升高的情况下会导致列车机组负荷的电流减小，所以回流电流也会随之变小，最终导致钢轨电位降低。

3.1.3牵引供电系统网压

在整个轨道交通系统中，牵引供电系统的网压是影响该装置容量设计的关键。根据轨道交通相关设计规范，其中对牵引供电系统的网压分为两个直流等级，1500V和750V。其中1500V是当前经常使用的制式。在使用该制式的系统中，网压的波动应当在1800V-1300V之间。把其中网压的最大值设置为Uv，最小值设置为Uz。在实验的过程中，还是使得该轨道交通依照不同的发车间隔进行发车。经过每次发车对网压变化的统计可以得知，随着下垂率的增长，牵引供电系统中的网压最大值呈现上升趋势，而网压的最小值呈现下降趋势，这就意味着该供电系统中的网压波动处于增大的趋势

^[1]。

3.1.4下垂率以及电压调整率的选取

首先，双向变流装置的下垂率指的是该装置在额定转速下受到的负载影响较小，而在运转速度达到额定转速以上的时候转速很容易会随着负载转矩的下降而下降，这是机械特有的一种下垂趋势，也被叫做挖土机特性。电压调整率指的是在撤掉该装置的前端电压时，末端电压的升高值和满载时末端电压的比值。所以，如果在牵引供电系统中使用整流机组的过程中，由于其本身具备着下垂趋势，所以导致轨道交通中不同列车可以和距离较近的整流机组出现互相支援的情况，使得该装置的峰值功率被牵引供电系统中的各个变电所分摊，这就造成了列车跨区间电流的传输，在一定程度上影响了钢轨电位。所以，该装置在牵引供电系统中起到整流作用时应当对下垂率进行有效控制，允许列车之间适当进行跨区间功率传输，从而达到降低该装置安装容量的目的，并可以兼顾逆变反馈装置的功能。

在该轨道交通线路中，列车采用B型车，且拖编组为2，最高时速为70km/h，在高峰时间发车数量为双向28辆。在发车过程中，当该装置空载时，电压为1650V，且下垂率为0.06。此时的该装置的峰值功率则为7320千瓦，钢轨电位的绝对值为115V，牵引供电系统中的网压波动范围在1788-1345V之间。所以，在空载电压设置为1605V时，下垂率建议选取范围为0.06-0.05之间，电压调整率为0.178-0.156之间，此时该轨道中双向变流装置在整流过程中的峰值功率为7310-7145kw之间^[2]。

结论：综上所述，以某城市中的轨道交通为例，以计算双向变流装置在供电系统中的峰值功率为目的，上文中罗列了基于该装置的牵引供电系统潮流的计算模型，并且对如何计算容量设计标准进行了简要说明，同时对其中可能影响到该装置运行的因素做出深入分析，最终确定该装置在牵引供电系统中的最大供电能力和能量回馈能力为7145kw。

参考文献：

[1]许永坚.城市轨道交通交流牵引供电系统潮流分析与动态仿真研究[D].西南交通大学,2019.

[2]张戬,刘炜,周瑞兵.基于双向变流装置的城市轨道牵引供电系统潮流计算[J]. 中国铁道科学,2020,41(01):92-98.