双向变流器在城市轨道交通中的应用浅析

余 龙，张 钢

0 引言

目前，城市轨道交通牵引供电系统一般采用二极管整流模式。二极管整流器技术简单可靠、设备皮实耐用、功率大、价格相对低廉，所以二极管整流器在城市轨道交通工程中得到了广泛应用。

但是该模式存在诸如本体电压降随负荷增大而增大、无法处理回馈的制动能量等问题。为此增加的配套设施，不仅加大了工程投资，还带来了相应的设备维护问题。

长期以来，国内外城轨业界都在不断致力于开发更加可靠、简单、节能和节省投资的牵引供电设备及应用模式。目前，由国内单位自主研制的适用于城轨交通牵引供电系统的大功率双向变流器已通过了实际工况的考验，使城轨牵引供电设备模式和节能技术的变革出现了曙光。

1 双向变流器原理

双向变流器是以全控型电力电子器件组成并采用PWM控制方式的电力电子变换器。其交流侧通过变压器连接中压交流电网（35，10 kV），直流侧连接牵引网直流母线（750，1 500 V）。投入运行后，控制系统根据系统中电压、电流参数判断直流侧电网上的列车运行状态。当判断线路上的列车处于牵引工况时，控制指令使双向变流器以整流模式运行，从交流侧吸收电能，经整流后输出直流电能供列车使用；当判断列车处于制动工况时，双向变流器则以逆变模式运行，将直流母线上的电能逆变为交流电注入交流电网中。

双向变流器的电路原理如图1所示。

图1 双向变流器原理图

双向变流器既能够为列车提供驱动电能，又能够吸收列车的再生制动电能，直接快捷地实现电能的双向变换。

由于采用了PWM控制方式，双向变流器的电能变换过程输出谐波少（电流畸变率<3%）、效率高（98%）、输出平稳、系统电能质量高[1]。

当发挥牵引供电功能时，既保证了直流电网电压的稳定，也最大程度地回收了列车再生制动能量，节省了大量牵引电能。

另外，双向变流器可实现四象限运行，交流侧功率因数可控（控制范围从-1到+1），且双向变流器机组直接与地铁中压供电网络相连，所以不需要系统电路上的调整，仅通过一定的控制程序，即可向中压供电网络中注入连续可调的无功功率，实现中压静止无功发生器（SVG）的功能。

目前样机容量为2 MW，短时功率2.5 MW，采用单柜体结构，空气绝缘，强迫通风冷却方式，结构紧凑，适用于城市轨道交通工程环境。

样机按照铁道设备标准通过了型式试验，在一运营地铁中进行了挂网试验，通过了实际工况下的考验，设备各项功能正常发挥，技术参数达到设计指标。

2 应用方案研究

对于双向变流器，研究人员从技术和经济等多方面考虑，提出了多种工程应用方案。限于篇幅，本文仅介绍其中最具代表性意义的方案。

2.1 完全采用双向变流器的方案

该方案完全采用双向变流器替代二极管整流器，彻底改变了目前的牵引供电设备模式。系统一次接线如图2所示。

图2 完全采用能馈式牵引供电机组的方案示意图

该方案由于全部电路均为PWM整流电路，具备以下明显的优点（与二极管整流模式对比）：

（1）输出直流电压纹波系数更小，电流谐波含量更低（<3%）。

（2）直流电压特性更“硬”，而且可控。

（3）将制动能量回馈吸收，转换效率高（>96%），节能效果明显。

（4）交流侧功率因数高（0.99）且可控。

但是，该方案也有如下的主要局限：

目前，双向变流器的核心设备采用了全控型电力电子器件。该类产品目前的容量还远小于二极管，故双向变流器单台最大功率远低于二极管整流器。要达到同等供电能力，需要的双向变流器数量多、占地面积大，设备投资也相当大。所以目前该方案在实际工程中应用不太可行[1]。

2.2 混合方案

经过分析论证并通过试验证明，二极管整流机组与双向变流器混合使用的方案是可行的，且谐波等各项技术指标符合要求。

保留二极管整流机组可发挥其容量大、价格低的优点。双向变流器机组也可负担一定的整流负荷，从而降低二极管整流机组一定的设计容量。两者结合，既保证了供电能力，又实现了能量回馈，且整体投资比完全采用双向变流器的方案大幅降低。混合方案也有多种，下面分析几种典型的情况。

（1）混合方案一。该方案由2套容量较小的二极管整流机组加1套双向变流器机组组成，如图3所示。

图3 混合方案一主接线图

2套二极管整流器组合（等效24脉波）为供电功率和质量提供了基本保障。双向变流器则解决了制动能量吸收的问题，同时补充了供电功率。在该模式下，系统的各项电能质量指标不低于二极管整流模式，且具备制动能量吸收功能。但是设备（变压器、中压交流开关、直流开关等）数量较多，系统接线较复杂，设备投资、房建投资也有所增加。

（2）混合方案二。该方案由1套大容量二极管整流机组加1套双向变流器机组组成（图4）。

目前，单台大容量（可高达5 MW）的12脉波二极管整流机组已经成熟应用，而单台大容量24脉波二极管整流器机组也正在推广中。以技术发展趋势看，目前常用的2台组合等效24脉波二极管整流机组模式终将被大容量单台机组替代。所以，混合方案一可以优化为混合方案二。

图4 混合方案二主接线图

2套设备容量互补、功能匹配，系统电路更加简单，设备数量和占地面积更少，工程投资更少，真正实现了技术与效益的更好结合。

2.3 无功补偿方案

由于双向变流器电路结构与SVG基本一致，而且交流侧（通过变压器）直接接入中压系统，所以不需调整电路硬件和复杂的倒闸作业，而仅在控制程序中改变测量参数和算法，即可转变为等同于SVG功能的装置。分布在全线各牵引所中的双向变流器，形成类似于就地补偿装置的模式，减少了主变电所集中补偿的压力。夜间线路停运时段正好也是地铁供电系统最需要无功补偿的时段，双向变流器可以无功补偿模式运行，补偿地铁供电系统中的无功。转换过程方便快捷，质量高，做到了一物多用，提升了设备的价值。

3 试验和试运行情况

3.1 牵引供电试验情况

一系列试验验证了设备在实际工况下稳定运行，各项技术指标均达到设计要求[2]。

以下摘选试验中的典型情况以及数据图片。

图5中，上方波形是双向变流器机组交流侧的电流波形，下方波形是二极管整流机组交流侧的电流波形。可以很明显地看到：双向变流器机组牵引电流、反馈电流表现明显，而二极管整流机组只在牵引过程有明显的电流，而到了列车制动时，没有任何电流流过。

图5 牵引-制动全过程中装置交流侧的电流波形图

图6中，波形从上至下分别为1 500 V直流母线电压、直流馈线（接触网）电流、1号和2号二极管整流机组直流侧电流、双向变流器直流侧电流。

图6 牵引-制动全过程中装置直流侧的电流电压波形图

从图 6中可以看到：在牵引-制动过程中，二极管整流机组的电流变化幅值为单向，而双向变流器和直流馈线电流波形走向一致，电流变化幅值是正负双向的。很明显地反映了二极管整流器单向供电，反向截止，双向变流器电流双向流动的特点。

在该试验中，双向变流器最大整流输出功率达到1 010 kW，最大逆变输出功率达到934 kW。

3.2 无功发生试验

无功发生试验，验证了双向变流器产生连续可调的感性、容性无功功率的能力。该装置样机理论上可产生2 Mvar感性无功功率和1 Mvar容性无功功率。在试验中，由于环境所限，未全功率输出，装置发出了最大感性无功功率1 098 kvar，最大容性无功功率743 kvar。图7是装置产生的无功电流，可见电流平顺，波形标准。

图7 无功发生试验时交流侧的电流波形图

4 技术特点及应用前景分析

与逆变吸收、电阻消耗等制动能量吸收方式相比，双向变流器以同一电路实现了整流与逆变的功能，不用单独设置制动能量吸收电路，减少了设备数量和设备安装空间，从而在设备和建筑两方面节省了工程投资。同时，双向变流器的应用可在城轨工程的多方面产生连带影响，带来经济效益不可低估[1]。

目前影响双向变流器推广的因素主要是技术可靠性的长期验证和设备造价问题。但是随着大量后续工作的进行以及电力电子器件制造技术的不断进步，这些问题的解决是可以有乐观预期的，随之带来的是双向变流器的广阔应用前景。

5 结论

大功率双向变流器的研制成功，对国内城市轨道交通工程的影响是巨大的。随着该技术的逐渐成熟和设备价格的降低，双向变流器的技术效应和经济效益会日益体现。含有双向变流技术的牵引供电模式，极有可能成为未来城轨牵引供电系统的重要技术，甚至带来城轨牵引供电技术的一场变革。

[1]北京交通大学，广州地铁总公司，中铁电气化勘测设计研究院.能馈式牵引供电装置挂网试验报告、研究报告[R].2010，4.

[2]北京交通大学.能馈式牵引供电装置型式试验报告[R].2010，2.