城市轨道交通混合式牵引供电装置的关键技术与性能优化研究

王全恒　刘昊诚　赵伟

摘 要：牵引供电装置在城市交通中扮演着重要的角色，尤其是对轨道交通的贡献。电车无法回馈再生制动能量和功率因数偏低是当前轨道交通中明显存在的两个问题。混合式牵引供电装置是解决这两个问题的最佳途径，该装置包括PWM整流器机组和24脉波整流器机组。本文以提高城市轨道供电系统的效益为切入点，全面论述了混合式牵引供电装置的技术要求，然后对交流侧谐波稳定性与电流限制、直流侧电压谐波抑制和低直流电压条件下装置容量如何扩大3个重点问题进行详细的分析和研究。

关键词：关键技术；混合式牵引供电装置；稳定性

社会在不断地发展，社会的发展必然需要并推动交通的发展，而轨道系统作为一种重要的环保节能的交通方式，必然受到政府的鼓励与支持。我国的城轨交通事业正处在精心设计与兴旺发展的阶段，其一定会带动其他相关产业的飞速发展，为城轨交通关键技术的研究突破奠定雄厚的技术基础。国家政府的重视与技术资本的雄厚为城轨交通的发展提供了保障，牵引供电系统又是城轨交通的核心，是电车正常运行的有力保障，所以对牵引供电的研究与分析是极为必要的。本文针对交流侧谐波稳定性与电流限制、直流侧电压谐波抑制和低直流电压条件下装置容量如何扩大3个关键技术问题进行了较为详细的探讨，同时还研究了混合式牵引供电装置交流侧谐波优化与稳定性、分合式牵引供电装置直流侧电压谐波的抑制方法和低直流电压条件下混合式牵引供电装置容量的扩大。

1 混合式牵引供电装置交流侧谐波优化与稳定性研讨

1.1 牵引供电装置交流侧谐波抑制与稳定性分析及策略

众所周知，由PWM整流器支撑的电容谐波电压将对供电装置产生影响，有必要对其进行抑制。一旦由直流输出侧的谐波电压支撑的直流牵引网并网的设备过多以及电气网络变得复杂，就会导致电压震荡，因此对输出侧谐波电压的抑制对电流稳定大有作用。首先，通过对脉波整流器工作原理的分析，可总结出脉波整流器直流侧谐波电压的新算法。尝试结合单次谐波理论知识，归纳出以电流谐波畸变因数为结果的网侧滤波器谐波电流含量的算法。基于此，再以网侧滤波器取值的限制变量，得出电感量最小的网侧滤波器参数设计策略。其次，透彻分析网侧滤波器的频率特性，并结合电压定向双闭环PI控制方法，离散电流环的控制模型，可归纳出控制器参数调谐对系统稳定性和动静态性能影响的基本规律。最后，再借助分析谐振频率、阻尼电阻、网侧附加阻抗和附加时延环节对控制系统稳定性的影响，模拟仿真和小功率样机实验，对基本策略和规律进行有力验证。

1.2 验证与分析

由空载的案例分析得知，设置的直流侧平衡电抗器和增大变压器副变漏感这两种拓扑的谐波含量一致，并且与本文归纳的谐波算法计算结果符合；由重载的案例分析得知，尽管谐波的分布与空载案例一致，但二者的拓扑谐波含量有出入，拓扑2的各次谐波较大，平均值下降，主要是因为漏感的增大带来单个整流桥换相重叠过程的加剧。

2 直流电压条件下混合式牵引供电装置容量

在低直压条件下，如果混合式牵引供电装置的单位功率因数控制的PWM整流器功率输出能力不足，会对城轨牵引供电系统造成影响，以致电车无法正常地运行。但基于对固定开关模式相角控制策略的研究，然后研究出有功与无功协调控制的参数设计方法，并平衡装置输出有功功率的提高和无功补偿两方面的比例，以改善过渡过程的动态特性。

2.1 策略——固定开关模式相角控制

如果直流电压降低到一定程度，PWM整流器机组就需要通过辅助性地输出合适的有功功率来提升直流电压，满足供电牵引需求。但是很明显，PWM整流器是升压整流器，为了保证单位功率因数的正常运行，其桥臂应该输出的交流电压幅值一定要足够大，这就意味着低压下PWM整流器难以输出充足的有功功率。

2.2 策略——有功、无功协调控制

根据传统的固定开关模式相角控制，可提出新型有效的有功、无功协调控制策略来解决当前问题。在混合供电装置双向变流基本能力能够继续发挥作用的前提下，向中压环网输出恒定的感性无功功率，以对电缆的容性进行无功补偿，即将重新优化设计电网电压幅值作为必要前提，加强供电装置在额定直压下输出有功和无功功率的能力，加强在低直压下有功功率输出的能力，完善供电装置功率变化时直压的过渡性能，提高牵引系统功率因数。

2.3 两种策略对比

3 结束语

本文分析了城市轨道混合式牵引供电装置交直流侧的技术需求，并依据需求引出的关键技术进行了研究；然后分析了直流侧谐波特性，并基于直流侧小信号模型总结出直流电压谐波抑制策略，这种策略可以提高电压的平稳度，减小电压谐波；通过讨论电网电压畸变以及变压器位移相对误差对脉波整流器直压特性的影响，得出了一种更为有效清晰的电压谐波算法；推导出了供电装置的直流侧小信号模型，得出了滤波电感的取值优化过程，并结合实例进行了验证和说明。

参考文献

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[2]冯江华，张志学.轨道电力牵引中高效友好的电能利用[J].机车电传动，2012，（5）：32.

[3]马琪.国产地铁车辆制动系统[J].都市快轨交通，2004，（17）：102.

（作者单位：1.青岛地铁集团有限公司运营分公司；2.成都地铁运营有限公司；3.青岛地铁集团有限公司运营分公司）