0引言

本文提出了一种以 IGBT为基础的 PWM （脉宽调制）变流器，该变流器具有与原二极管整流机组相同的容量（额定容量2 MW）、同等的过载能力（峰值6 MW/1 min）和同等的短路耐受能力，它被定义为城市轨道交通牵引供电系统双向变流器。

双向变流器既具有整流机组的牵引供电能力，又具有能馈装置的制动反馈能力，从而构成了新一代城市轨道交通牵引供电双向变流系统，能够大幅提高节能指标，并对供电环境进行优化，是城市轨道交通牵引供电系统发展的趋势。双向变流式牵引供电系统如图1所示。

图1双向变流式牵引供电系统示意图

1双向变流器工作原理

从本质上讲，双向变流器是一种四象限的 PWM整流器，它利用电压闭环控制，使其具有自然的双向能量流动，并利用坐标矢量的旋转变换，将无功电流 I_d和有功电流 I_q之间解耦；利用 I_d对双向变换器中的无功成分进行控制，完成无功控制及无功补偿的功能；利用 I_q对双向变换器的电压进行控制，起到了牵引和馈电的作用。利用这种方法，可以很好地对双向变流电力系统进行动态性能的解耦控制。双向变流式牵引供电系统控制图如图2所示。

注:SVPWM———空间矢量脉宽调制

图2双向变流式牵引供电系统控制图

2正线挂网方案

本文结合城市轨道交通二号线一期工程实例，对其进行了详细的分析。其中，地道22.23公里，高架线5.77公里，过渡段0.35公里，全线长28.35公里；其中，高架车站4个，地下车站18个，站距平均为1.331公里。地铁2号线双向变流式牵引供电系统一次接线方式如图3所示。

图3  地铁2号线双向变流式牵引供电系统一次接线方式

如图3所示，双向变流式牵引供电系统新增1个35kV开关柜、1台整流变压器、1个直流开关柜，与原有的2套整流机组共同组网运行。

3双向变流器挂网实施

3．1操作保护逻辑

操作显示单元主要由柜门操作按钮、指示灯、仪表及触摸屏构成，它实现了启停、运行/检修、近控/远控等操作，触摸屏能够实现系统运行状态监视、参数设定、故障记录及录波等功能。

3．2混合供电控制模式

对于 PWM整流器来说，双向变流器实质上是一种电压源，为了与整流单元协同供电，一方面要消除各个整流单元间的能量循环，另一方面又要符合整流单元的负荷曲线，所以，采取了如图4所示的多阶段下垂控制方式。

图4 双向变流器下垂控制模式

如图4所示：CD部分的双向变流器是在牵引整流的情况下工作的；AB部分在制动反馈下工作；交流段采用大坡度的过渡段，不仅可以防止电源间的能量回路，而且还可以为相邻列车提供更多的电压空间。

4运行数据分析

双向变流器能够在列车提速时与整流单元相匹配，为列车提供牵引电源，在列车制动时能够及时反馈制动能量。在实际工作中，对双向变流器的性能进行了调整，并对其进行了试验。

4．1双向变流器对直流网压的影响

采集列车起动时双向变流器工作和不工作情况下的数据，分析双向变流器对直流网压波动的影响，如图5所示(每秒钟采集5组数据)。

图5 双向变流器不同工作状态下直流网压波形曲线图

如图5 a）所示，在双向变流器不工作的情况下，列车加速时直流电压跌落至1580 V，列车制动时直流电压抬升至1780 V，电压存在200 V的波动范围。

如图5 b）中所示，在该双向变流器以稳压方式操作的情况下，在列车的加速与刹车过程中，直流电压的波动大约是15 V。

由此可以看出，双向变流器是一种很好的电压稳定装置。在此条件下，在采用“下垂”方式的同时，也能有效地降低直流电网电压的波动幅度。

4．2混合供电模式分析

双向变流器与整流机组协同供电，这两种不同的优先供电模式对直流网压波动的影响，如图6所示（每秒钟采集5组数据）。

图6混合供电模式时的直流网电压波形曲线图

从图6 中可以看出：双向换流器具有很高的牵引门限，在列车加速的时候，它会优先起到牵引支持的作用，电压比较稳定；当牵引功率增大时，双向变流器进入了下垂控制，直流电压降低，整流装置开始提供牵引能。

4．3对越区供电的影响

收集在列车启动时，双向变流器在工作和不工作状态下的数据，并对双向变流器对本站及邻站整流机组输出功率的影响进行分析，如图7所示（每秒钟采集5组数据）。

图7双向变流器不同工作状态对本站及邻站整流机组的影响

在列车启动和加速过程中，将首先由该站的整流器提供电力，而相邻站和远方站的整流器也将因其自然下垂而发生越区。

在双向变流器不工作时，可以看出，该站点的整流机组提供了最多的牵引能源，但从邻站跨越而来的电力也占了很大一部分。

在双向变流器运行的情况下，列车的牵引功率基本上都是由双向变流器提供的，而本站和相邻站点的整流器的输出功率所占的比例很小，这就使得越区供电的现象得到了很大的改善。若整条线路均采用双向换流器，则可使列车在线路上均能实现能源的就近转移，可彻底解决越区供电问题。

4．4无功补偿效果分析

在城市轨道交通的牵引电力系统中，主要采取了主变电所集中补偿的方式，并在其上安装了无功补偿装置。双向变流器是一种电压源式 PWM整流器，其自身具有一定的无功补偿作用。

当双向变流器没有执行无功补偿时，主变压器的无功负载是-1.29MW，而主变压器的无功负载是1.22MW。

当双向变换器逐渐增加无功补偿容量直至完全补偿时，主变电所无功负载几乎为0-0.03 MV，主变电所 SVG停止补偿，主变电所处功率因数为0.997。

由此可以看出，双向变流器具有很好的分布式无功补偿能力，能够取代主变电所 SVG的集中补偿，实现全线分布式无功补偿。

4．5挂网运行小结

轨道交通2号线一期工程自投入使用后，无一次由于设备故障造成停机事故，目前已投入使用。双向变流器平均牵引功率为11255度，平均回馈功率为1635度，回馈功率为14.69%。每个月30天，平均每个月的反馈电量为49050度。该装置在投入使用后，运行平稳，各项技术指标均达到了设计要求。该项目是我国首次实现6 MW峰值电压的全功率双向逆变电源接入，具有划时代的意义。

5结语

经过轨道交通二号线一期工程双向变流器挂网验证测试，结果表明，双向变流器拥有峰值6 MW的牵引供电能力和制动反馈能力，具备了替代“二极管整流机组+能馈装置”的能力。相对于传统直流变换器，双向变换器体积小，占地面积小，造价低廉，且具有稳定直流电网电压，提高供电质量，减少越区供电，降低线路损耗，降低轨道电势，具有十分广泛的应用前景。

参考文献

［1］张钢．城市轨道交通能馈式牵引供电变流系统关键技术研究［D］．北京:北京交通大学，2010．

［2］陆然．城市轨道交通变电站中的无功补偿分析［J］．天津电力技术，2011．

［3］许爱国．城市轨道交通再生制动能量利用技术研究［D］．南京:南京航空航天大学，2009．

［4］谢萌．大功率PWM整流器并联控制策略研究［D］．北京:北京交通大学，2008．