新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范

張 鋼，劉志剛，魏 路，牟富強(qiáng)

1 技術(shù)現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國(guó)大中城市交通擁堵和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，對(duì)城市居民的生活質(zhì)量造成了巨大影響，發(fā)展地鐵、輕軌等城市軌道交通已經(jīng)成為緩解該問(wèn)題的有效措施。城市軌道交通具有節(jié)能、占用空間小、運(yùn)量大、全天候、無(wú)污染（或少污染）、安全等級(jí)高等特點(diǎn)，屬綠色環(huán)保交通體系，符合可持續(xù)發(fā)展的原則。但是伴隨著城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和客運(yùn)量的劇增，其能源消耗總量也在大幅增長(zhǎng)[1]。 如何建設(shè)更加節(jié)能的城市軌道交通系統(tǒng)逐漸成為行業(yè)發(fā)展方向[2-6]。

城市軌道交通普遍采用二極管整流機(jī)組供電，該整流方式存在直流電壓不可控、電壓波動(dòng)范圍大、能量只能單向流動(dòng)等缺點(diǎn)。地鐵車輛再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多余能量（附近車輛不能吸收的部分），若不進(jìn)行有效處理，會(huì)使得牽引網(wǎng)電壓升高，導(dǎo)致列車再生制動(dòng)能力降低甚至消失。傳統(tǒng)的處理方法是將這部分能量用電阻能耗裝置消耗掉。由于地鐵列車運(yùn)行具有站間距短、運(yùn)行速度較高、起動(dòng)及制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，電阻能耗裝置會(huì)浪費(fèi)大量的再生制動(dòng)能量，同時(shí)電阻能耗裝置使得隧道溫度升高，加重了環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，引起電能的二次消耗。

“十一五”期間，在國(guó)家科技部資助下，北京交通大學(xué)和北京千駟馭電氣有限公司成功研發(fā)了我國(guó)首套中壓型再生制動(dòng)能量回饋裝置（簡(jiǎn)稱中壓能饋裝置）[7-9]。2013年，通過(guò)北京市經(jīng)信委組織的新產(chǎn)品鑒定，一致認(rèn)為：該產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)、設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能效果顯著，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。目前，該裝置已經(jīng)在國(guó)內(nèi)10多條線路推廣應(yīng)用。

然而，隨著研究和應(yīng)用的深入，課題組發(fā)現(xiàn)既有牽引供電系統(tǒng)還有許多值得進(jìn)一步創(chuàng)新的地方，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）系統(tǒng)中多種設(shè)備的功能有待進(jìn)一步整合，功能設(shè)備種類較多，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管理維護(hù)難度增大。

2）設(shè)備性能有待提高，尤其是變流設(shè)備的過(guò)載能力以及功率密度。

3）數(shù)據(jù)融合能力有待增強(qiáng)，缺乏大數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理能力。

4）智能化水平需要進(jìn)一步提高，缺乏智能故障診斷、壽命預(yù)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，無(wú)法更好地為設(shè)備維護(hù)維修服務(wù)。

為此，本文提出了新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)的概念，并著重對(duì)其中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用服務(wù)。

2 新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)

傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)主要采用二極管整流這種單向不可控變流方式，即便是引入了中壓能饋裝置，解決了列車的再生制動(dòng)能量回饋問(wèn)題，中壓能饋裝置也僅僅工作在單一的逆變狀態(tài)[8-9]。

新一代牽引供電系統(tǒng)的概念源于對(duì)變流方式的重大改變，四象限變流技術(shù)的采用是其最顯著的特征。借助四象限變流能力，實(shí)現(xiàn)了回饋節(jié)能、牽引供電、無(wú)功補(bǔ)償、智能融冰等多功能的完美整合。

以四象限變流技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)功能特性的優(yōu)化控制和系統(tǒng)應(yīng)用的擴(kuò)展，最終全方位地滿足用戶需求，如圖1所示。

圖1 不同層次的系統(tǒng)功能Fig. 1 Different levels of system functions

智慧型的概念源于對(duì)設(shè)備向智能化方向發(fā)展的一個(gè)階段性劃分。當(dāng)前普遍應(yīng)用的設(shè)備只能稱為功能設(shè)備，即能夠滿足某些特殊功能要求的設(shè)備；具有一定的感知和適應(yīng)能力的設(shè)備則稱為智能設(shè)備；具有一定自學(xué)習(xí)和思維能力的設(shè)備，則稱為智慧設(shè)備，如圖 2所示?？梢?jiàn)，智慧是智能的更高發(fā)展階段。

圖2 設(shè)備智能化程度劃分Fig. 2 Intelligent degree of power supply equipment

智慧型牽引供電系統(tǒng)應(yīng)該具備全面感知、高度互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、有機(jī)融合等方面的能力。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將在每一臺(tái)四象限變流設(shè)備中植入人工智能程序，使之能夠通過(guò)對(duì)海量運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷學(xué)習(xí)進(jìn)化，自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，規(guī)劃最優(yōu)能量流通路徑，并做到故障智能診斷及壽命預(yù)測(cè)。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)有以下6個(gè)方面。

3.1 大功率四象限變流技術(shù)

大功率四象限變流技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)功率變換，是新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，IGBT（insulated gate bipolar transistor，絕緣柵雙極型晶體管）功率模塊因其容量大、功率密度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)逐漸在風(fēng)力發(fā)電、船舶推進(jìn)等要求高可靠性的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。智能功率模塊在城市軌道交通牽引供電領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，并且采用智能功率模塊并聯(lián)技術(shù)（見(jiàn)圖3），可以將單變流器容量提升到4～6 MW等級(jí)，期間需要重點(diǎn)解決模塊均流、散熱、電磁兼容等問(wèn)題。

圖3 兩個(gè)智能功率模塊并聯(lián)示意Fig. 3 Two intelligent power module are in parallel

3.2 高品質(zhì)混合式牽引供電技術(shù)

高品質(zhì)混合式牽引供電技術(shù)主要解決混合式牽引供電系統(tǒng)中二極管整流機(jī)組與四象限變流器的并聯(lián)運(yùn)行和外特性配合問(wèn)題。

圖4所示為不同設(shè)備的外特性配合控制示意圖，其中①為四象限變流器直流輸出特性曲線，②為12脈波二極管整流機(jī)組直流輸出特性曲線。通過(guò)控制使得四象限變流器輸出特性曲線與二極管整流機(jī)組輸出特性曲線相似，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分。

圖4 不同設(shè)備的外特性匹配示意Fig. 4 The output characteristics matching for different equipment

3.3 分散式無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

城軌牽引供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)存在大量分布電容，導(dǎo)致夜間和低負(fù)荷時(shí)段系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，因而不得不在主變電所額外配置專用無(wú)功補(bǔ)償裝置[10-12]。 新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)可以利用四象限變流器發(fā)出一定大小的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)的分散式無(wú)功補(bǔ)償，功能上取代傳統(tǒng)主變電所的專用無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，使得牽引供電系統(tǒng)的功能完善、設(shè)備簡(jiǎn)化、建設(shè)成本降低，補(bǔ)償方案如圖5所示。

圖5 分散式無(wú)功補(bǔ)償Fig. 5 The scheme of distributed reactive power compensation

3.4 分布式協(xié)同吸收技術(shù)

采用基于虛擬內(nèi)阻的分布式協(xié)同吸收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車再生制動(dòng)能量的分布式吸收，使得列車制動(dòng)能量能在地鐵系統(tǒng)內(nèi)部更好地被利用，降低反送上一級(jí)電網(wǎng)的概率。圖6所示為基于虛擬內(nèi)阻的分布式系統(tǒng)吸收技術(shù)原理圖，其中U1k、U2k、U3k分別為各四象限變流器直流電壓，r為虛擬內(nèi)阻，I1、I2、I3為流入各變電所四象限變流器直流側(cè)的電流，Itrain為列車制動(dòng)電流。

圖6 基于虛擬內(nèi)阻的分布式協(xié)同吸收技術(shù)原理Fig. 6 The distributed collaborative absorption scheme based on virtual internal resistance

3.5 直流接觸網(wǎng)智能融冰技術(shù)

利用四象限變流器的可控性，不需要投入額外硬件，只需在系統(tǒng)控制軟件中植入相應(yīng)功能，使得有一個(gè)持續(xù)的電流（1 000～2 000 A）在兩個(gè)變電所之間的接觸網(wǎng)流動(dòng)，如圖7所示，借助熱力融冰原理就可以實(shí)現(xiàn)在惡劣氣象條件下對(duì)接觸網(wǎng)的在線智能融冰。

圖7 接觸網(wǎng)在線融冰示意圖Fig. 7 The online ice-melting technology of overhead catenary

3.6 信息智能化技術(shù)

信息智能化是未來(lái)發(fā)展方向，相關(guān)核心技術(shù)包括海量數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)信息綜合、故障智能診斷、壽命預(yù)測(cè)技術(shù)等。相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須以底層硬件為支撐，圖 8所示為系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖。通過(guò)高速以太網(wǎng)將關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)街腔劢K端，然后開展數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障智能診斷和壽命預(yù)測(cè)。

圖8 底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖Fig. 8 The network architecture of the system equipment

4 主電路應(yīng)用方案

下面給出四象限變流器在新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)中幾種典型的應(yīng)用方案。

4.1 應(yīng)用方案1

在不改變既有牽引供電機(jī)組的情況下，獨(dú)立增加一套四象限變流器，如圖9所示。該方案對(duì)原有供電系統(tǒng)改動(dòng)最小，可靠性最高，并且可以擴(kuò)大變電所容量，但是需要額外增加設(shè)備安裝空間。

圖9 獨(dú)立新增應(yīng)用方案Fig. 9 Application scheme with a new four-quadrant converter system added

4.2 應(yīng)用方案2

由一套四象限變流器和一套 12脈波整流機(jī)組共同構(gòu)成，如圖10所示。該方案可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)占用空間小，造價(jià)適中，但是對(duì)四象限變流器性能和可靠性要求較高。

4.3 應(yīng)用方案3

采用兩套四象限變流器并聯(lián)運(yùn)行，完全取代傳統(tǒng)的兩套12脈波整流機(jī)組，如圖11所示。該方案采用完全四象限變流，輸出電壓穩(wěn)定，節(jié)能效果最好，代表未來(lái)發(fā)展方向，但是造價(jià)較高。

基于四象限變流技術(shù)的新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和外部條件，自動(dòng)控制四象限變流器工作于牽引供電、能量回饋、無(wú)功補(bǔ)償、接觸網(wǎng)融冰等多種工況，整個(gè)牽引供電系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、高效，而且智慧。

5 工程應(yīng)用情況

項(xiàng)目組借助北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心和北京市軌道交通節(jié)能中心等省部級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)，開展新技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用工作。目前，新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)的部分創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)部分線路上開展了正式應(yīng)用，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下。

圖10 部分取代方案Fig. 10 Application scheme that one 12-pulse diode rectifier is replaced by a new four-quadrant converter system

圖11 完全替代方案Fig. 11 Application scheme that two 12-pulse diode rectifier are both replaced by four-quadrant converter system

5.1 北京地鐵10號(hào)線雙向變流技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證

2013年，兩套四象限變流器在北京地鐵10號(hào)線正式投入運(yùn)營(yíng)。運(yùn)營(yíng)初期，僅工作在逆變狀態(tài)，用作再生制動(dòng)能量回饋。2016年，該四象限變流器正式開通整流功能，成為我國(guó)首套正線運(yùn)營(yíng)的具備“牽引供電+能量回饋”功能的雙向變流機(jī)組。該變電所也成為混合式牽引變電所，主接線圖如圖12所示。

圖12 混合式牽引變電所主接線圖Fig. 12 The main topology of hybrid traction substation

既有二極管整流機(jī)組與四象限變流器采用圖6所示的外特性配合控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二者的功率分配。圖13和圖14所示分別為列車牽引和制動(dòng)工況時(shí)的變電所各機(jī)組交流側(cè)電壓電流波形。

從圖13和圖14可以看出，列車牽引時(shí)，四象限變流器和二極管整流機(jī)組同時(shí)工作，為列車提供牽引能量；列車制動(dòng)時(shí)，二極管整流機(jī)組反向截止，四象限變流器逆變運(yùn)行，將列車再生制動(dòng)能量反饋回交流電網(wǎng)。

圖13 列車牽引時(shí)變電所各機(jī)組交流側(cè)波形Fig. 13 AC side waveforms of the substation converters when train is in traction state

圖14 列車制動(dòng)時(shí)變電所各機(jī)組交流側(cè)波形Fig. 14 AC side waveforms of the substation converters when train is in braking state

圖15 和圖16所示分別為二極管整流機(jī)組和四象限變流器直流側(cè)電流波形（采樣率1 S/s）。

圖15 二極管整流機(jī)組直流側(cè)電流波形Fig. 15 DC side current waveforms of the 12-pulse rectifier

圖16 四象限變流器直流側(cè)電流波形Fig. 16 DC side current waveforms of the four-quadrant converter

一年多的運(yùn)行試驗(yàn)表明，四象限變流器能夠在整流和逆變之間平滑切換，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，且在一定程度上改善了直流供電品質(zhì)。

5.2 鄭州城郊線分散式無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)驗(yàn)證

鄭州地鐵城郊線于2017年1月正式開通運(yùn)營(yíng)，采用1 500 V供電制式，共12個(gè)牽引混合變電所，每個(gè)變電所安裝一套四象限變流器，每臺(tái)裝備容量1.6 MW，如圖17所示為站點(diǎn)設(shè)置情況，圖18所示為設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖。

圖17 鄭州城郊線的站點(diǎn)設(shè)置情況Fig. 17 The station layout of Zhengzhou suburb line

圖18 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行Fig. 18 Field equipment in operation

5.2.1 校驗(yàn)及保護(hù)試驗(yàn)

線路調(diào)試階段，用四象限變流器發(fā)出無(wú)功電流，可完成對(duì)線路上電流互感器及檢測(cè)設(shè)備的真實(shí)校驗(yàn)（不同于傳統(tǒng)在互感器二次側(cè)加量的模擬校驗(yàn)），并完成主變電所的差動(dòng)保護(hù)等相關(guān)試驗(yàn)。

5.2.2 分散式無(wú)功補(bǔ)償試驗(yàn)

線路運(yùn)營(yíng)初期，發(fā)車密度非常低，線路的容性無(wú)功大大超過(guò)有功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)很低。

目前，開通分散式無(wú)功補(bǔ)償功能，每臺(tái)能饋裝置發(fā)出200～500 kVA的感性無(wú)功，圖19所示為設(shè)備無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)下35 kV側(cè)電壓電流波形，其中，Ua為35 kV電網(wǎng)側(cè)電壓，Ia為設(shè)備發(fā)出的無(wú)功補(bǔ)償電流波形。

從圖19可以看出，設(shè)備無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)所發(fā)出的電流Ia滯后35 kV網(wǎng)壓Ua相位角90°，電流波形質(zhì)量良好。此外，無(wú)功補(bǔ)償功能自投入以來(lái)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，筆者將進(jìn)一步根據(jù)35 kV中壓環(huán)網(wǎng)的需要改變補(bǔ)償容量。

圖19 35 kV側(cè)電壓電流波形Fig. 19 Voltage and current waveform of 35kV side

6 結(jié)語(yǔ)

新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)具有節(jié)能效果突出、功率因數(shù)高、供電品質(zhì)好、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、智能化水平高、建設(shè)及運(yùn)維成本低等顯著特征。

新一代智慧型牽引供電系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，密切結(jié)合國(guó)家軌道交通發(fā)展的重大需求，圍繞國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展高技術(shù)領(lǐng)域，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過(guò)對(duì)既有牽引供電系統(tǒng)的升級(jí)換代，達(dá)到世界先進(jìn)水平，為軌道交通走出去發(fā)展戰(zhàn)略提供技術(shù)支撐。

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