城市轨道交通双向变流器供电系统可靠性预计研究

陈洁莲，李素芬，王 雄，胡晓东，武 彬

（1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

随着我国城市轨道交通行业的快速发展，城市轨道交通供电技术也在不断创新。第一代城市轨道交通供电系统采用二极管整流加制动电阻耗能技术，但该技术会造成大量能源浪费。第二代供电系统采用二极管整流加再生制动能量回馈技术，但其二极管整流机组的不可控整流会造成牵引网压波动，不利于列车平稳运行。为进一步提高直流牵引网压的稳定性，改善非高峰时段功率因数，可采用双向变流供电系统来实现牵引供电和制动回馈一体化控制功能[1-5]。

随着城市轨道交通行车密度的不断增大、速度的不断加快，对城市轨道交通供电系统的可靠性要求也在逐步提升。然而，双向变流技术在城市轨道交通供电领域的应用还不够成熟[6-7]。为了确保列车的安全运行并保障相关人员和电力设备的安全，有必要在双向变流器的方案论证阶段充分比较不同设计方案的可靠性，为最优方案选择提供理论依据；并通过系统性的可靠性分析，采取针对性的可靠性提升的措施。

过往的研究者大都从电气性能的角度对供电系统的可靠性进行比较[3,8]。本文从可靠性预计的角度，针对不同设计方案进行了评估，并针对最优方案中的薄弱环节提出了可靠性提升方案。

1 双向变流供电系统及其故障情况

针对双向变流供电系统，本文给出无冗余结构、“1+1”冗余结构和“4+2”冗余结构3种设计方案。本节首先介绍这3种设计方案的结构组成和冗余模式，然后对影响其基本可靠性和任务可靠性的故障情况进行说明。

1.1 双向变流供电系统

1.1.1 双向变流供电系统功能与组成

双向变流供电系统用于城市轨道交通供电系统，主要功能是完成交流供电网和直流牵引网之间的能量传输。当列车运行时，双向变流供电系统处于整流状态，为1 500 V直流牵引网供电；当列车制动时，车辆牵引电机处于再生发电运行状态，将列车动能转化为电能后输送至1 500 V直流牵引网，这将引起直流牵引网网压升高。当双向变流供电系统检测到直流牵引网网压升高至设定值时，确定列车处于制动状态，系统则工作在逆变状态，制动能量将被回馈至35 kV交流电网中。当制动能量回馈完毕，直流网压降低至设定值，双向变流装置停止回馈功能，重新进入整流供电功能模式[9]。

1.1.2 双向变流供电系统功能单元说明

双向变流供电系统包括同步变压器、40.5 kV开关柜、变压器、风机、可编程逻辑控制器 (programmable logic controller，PLC)、人机交互界面（human machine interface，HMI）、直流开关柜、隔离开关、驱动控制单元和双向变流柜。

本文定义的双向变流柜主要包括对系统故障率影响较大的组件，即电容器、IGBT功率模块、电流传感器和电压传感器。电容器主要功能是缓冲直流电源与负载之间的能量冲击，冲击吸收无功；并抑制直流侧谐波，稳定电压。IGBT功率模块用于实现交流与直流间电能转换。电压传感器和电流传感器采集电压、电流信号，以便实现对变流系统的控制和保护。

1.1.3 3种方案的结构组成与工作模式

双向变流供电系统的3种设计方案具体如下：

（1）方案一

该方案的系统结构组成如图 1所示，其包括一套IGBT双向变流机组，系统无冗余设置。通过扩大装置功率容量至7.5 MVA，来满足系统的功率输送需求。列车运行时，系统处于可控整流状态；列车制动时，系统处于逆变回馈状态。

图 1 方案一的结构组成图Fig. 1 Structure composition diagram of the scheme 1

（2）方案二

该方案的系统包括两套IGBT双向变流机组，其中每套机组为主、从柜各配置2台DC 1 500 V双向变流器；主、从柜共用一个传动控制单元（driver control unit, DCU）（图2）。单柜持续运行功率2 MVA，峰值功率6 MVA。正常情况下，4个变流模块共同分担功率需求；当任一双向变流模块发生故障而DCU和PLC等未发生故障时，系统切换至3个双向变流模块共同工作的模式；若控制系统中任一DCU或PLC等发生故障，则系统被切换至2个变流模块共同工作的模式。本方案中，至少需有2个双向变流模块工作正常，系统才可正常工作。

图 2 方案二的结构组成图Fig. 2 Structure composition diagram of the scheme 2

（3）方案三

该方案的系统包括一个开关柜、一个4路输出的变压器，以及4路并联的IGBT双向变流机组；为“4+2”冗余结构（图3）。若其中一路出现故障（开关柜、变压器、控制系统等未发生故障，任意支路的双向变流模块/风机故障），切换为3路工作状态；若其中两路出现故障（开关柜、变压器等未故障，任一控制系统故障，或者任意两路中的双向变流模块/风机发生故障），则切换到两路工作状态。系统至少需有两路双向变流机组正常工作，才可满足系统功率需求。城市轨道交通列车正常发车启动及运行时，双向变流装置为直流牵引网供电；制动时，列车的动能被转换为电能，从而抬升直流牵引网电压。一旦双向变流装置检测到直流牵引网电压抬升到特定值，就启动回馈功能，将制动能量回馈至35 kV交流电网。

图 3 方案三的结构组成图Fig. 3 Structure composition diagram of the scheme 3

该系统在有效寿命周期内与系统设计、制造有关的故障均被记为影响基本可靠度性的关联故障；凡由于双向变流供电系统设计、制造缺陷而造成的不能完成规定任务或者影响人员安全的故障，即被视为影响任务和安全的关联故障[10-11]。

1.2 系统任务剖面、故障判据与工作条件

双向变流供电系统的任务剖面如图4所示。

图 4 系统任务剖面Fig. 4 System mission pro file

该系统被置于室内，通风良好；环境温度范围为-10～+45 ℃；日均湿度不大于95%，月均湿度不大于90%（25 ℃），有凝露现象发生。

2 双向变流供电系统可靠性建模

可靠性框图是基于支配系统运行的物理规律、根据系统组成单元之间功能相关性而建立的可靠性模型，其可用于描述单元功能与系统功能之间的逻辑关系，并考虑不同部件故障对整个系统性能的影响。

2.1 可靠性建模基本假设

针对双向变流供电系统建立可靠性模型的3个假设前提如下：

（1）系统输入是可靠的，各组成单元间电气连接（如导线、连接器）是可靠的，且产品可靠性不受装卸、运输等影响。

（2）产品早期故障经产品质量控制和环境应力筛选已被剔除，产品进入浴盆曲线偶然故障阶段，故障率较低且近似为常数。

（3）系统中各部分的寿命都服从指数分布，各组成部分之间的故障相互独立；各个组成部分只有正常态或者失效态；不考虑因耗损引起性能降低的情况。

2.2 基本可靠性建模

基本可靠性框图是系统各单元串联组成的模型，用以估计系统及其组成部件故障所引起的维修及保障要求。3种方案的基本可靠性框图分别如图5～图7所示。

图 5 方案一的基本可靠性框图Fig. 5 Basic reliability block diagram of the scheme 1

图 6 方案二的基本可靠性框图Fig. 6 Basic reliability block diagram of the scheme 2

图 7 方案三的基本可靠性框图Fig. 7 Basic reliability block diagram of the scheme 3

2.3 任务可靠性建模

任务可靠性模型是一种用于度量系统在执行任务过程中完成功能的概率、描述完成任务过程中系统各单元的预定作用并度量工作有效性的可靠性模型。3种方案的任务可靠性框图分别如图8～图10所示。

图8 方案一的任务可靠性框图Fig. 8 Mission reliability block diagram of the scheme 1

图 9 方案二的任务可靠性框图Fig. 9 Mission reliability block diagram of the scheme 2

图 10 方案三的任务可靠性框图Fig. 10 Mission reliability block diagram of the scheme 3

3 双向变流供电系统可靠性预计

为量化分析不同设计方案的可靠性，本文将对3种设计方案进行可靠性预计分析[12]。通过相似产品得到子部件故障率，以及不同设计方案的基本可靠性和任务可靠性预计过程。

3.1 子单元可靠性预计方法

系统中子单元的故障率采用相似产品法预计得到。通过历史故障数据统计以及物料手册等得到旧式相似产品子单元的故障率为λi旧，则新研发产品中同一子单元的λi新=λi旧×Ci，其中，Ci是新研发产品各子单元的故障率差异评分系数。评分数由系统人员、产品设计人员及物料工程师等基于以下几个方面打分得出：

（1）产品结构及性能的复杂程度；

（2）设计的相似性；

（3）产品物料、制造工艺的相似性；

（4）使用剖面的相似性。

3.1.1 所引用相似产品的现场可靠性统计数据

采用两电平双向变流系统作为相似产品。其中，外购件的故障率通过查询技术规格书、产品手册等得到，自研发产品的故障率通过历史故障数据统计计算得到，不包括产品在调试阶段的故障数据。

3.1.2 双向变流装置子单元可靠性预计

采用相似产品法进行可靠性预计时，比较目标单元与已有相似单元之间的差异，选择适当的差异性系数对现场失效率进行调整，考虑功能结构、工作条件/环境条件等方面的差异后，得到调整后的目标单元预计失效率[13]。

3.2 系统基本可靠性预计

基于系统和子部件服从指数分布的前提假设，子部件的可靠性与其失效率存在指数函数关系。根据串联模型特点，系统内任一子部件发生失效，系统基本可靠性会降低，则系统的可靠性为各子部件可靠性的乘积。3种方案的基本可靠性预计如下：

（1）方案一

式中：RX1——方案一的基本可靠度；λX1——方案一的系统失效率；Ri——第i个子部件的可靠度；λi——第i个子部件的失效率。

（2）方案二

式中：RX2——方案二的基本可靠度；λX2——方案二的系统失效率。

（3）方案三

式中：RX3——方案三的基本可靠度；λX3——方案三的系统失效率。

3.3 系统任务可靠性预计

为量化比较不同方案成功执行任务的概率，下面将基于2.3节所建立的系统任务可靠性模型进行任务可靠性预计。

3.3.1 方案一

假设系统和子部件寿命都服从指数分布，则系统的任务可靠度为

式中：RS1——方案一的任务可靠度；λS1——方案一的系统任务失效率。

3.3.2 方案二

根据方案二系统的功能逻辑和系统工作模式，其任务可靠性分2种情况讨论：

（1）图9中支路1.3）与支路2.3）一条正常、一条故障，则简化模型如图11所示。

此时方案二任务可靠性计算模型可被简化为

式中：P21——方案二第一种情况的任务可靠度；R1.17,R1.27,R1.3）——方案二中支路1.1)、支路1.2)、支路1.3)的任务可靠度。

（2）图9所示中支路1.3）和支路1.4）两条皆正常，则简化模型如图12所示。

图 11 方案二任务可靠性第一种情况Fig. 11 The first case of the scheme 2 task reliability

图 12 方案二任务可靠性第二种情况Fig. 12 The second case of the scheme 2 task reliability

此时方案二任务可靠性计算模型可被简化为

式中：P22——方案中二第二种情况的任务可靠度；P(2)——4条支路即支路1.1)、支路1.2)、支路2.1)及支路2.2)中有两条正常工作时的任务可靠度；P(3)——4条支路中有3条正常工作时的任务可靠度；P(4)——4条支路全正常工作时的任务可靠度。

3.3.3 方案三

根据方案三系统的功能逻辑和系统工作模式，其任务可靠性分两种情况讨论：

（1）图10中支路[5]和支路[6]中一路正常、一路故障。记这情况的概率为P31，则简化模型如图13所示。

图 13 方案三任务可靠性第一种情况Fig. 13 The first case of the scheme 3 task reliability

由于方案三中要求至少有两个支路能够正常工作，因此方案三第一种情况的任务可靠度：

图10中支路[5]和支路[6]皆正常。记这情况的概率为P32，则简化模型如图14所示。

图 14 方案三任务可靠性第二种情况Fig. 14 The second case of the scheme 3 task reliability

方案三中至少有两个支路能够正常工作，因此这种情况的概率为

则此时方案三的任务可靠度为

其中支路[1], [2], [3], [4]中有2、3、4条支路能正常工作的概率如下：

4 可靠性预计结果分析

由3.2节和3.3节计算得到了各方案的基本可靠性和任务可靠性预计结果，本节进行不同设计方案的比较分析，并针对系统中薄弱环节提出系统可靠性提升方案。

4.1 设计方案评估分析

4.1.1 基本可靠性

各方案基本可靠性如表 1所示，其中MTBF是指平均故障间隔时间。

表 1 各方案基本可靠性比较Tab. 1 Comparision of basic reliability of each solution

从表1可以看出，由于方案一无冗余结构，其子部件数量最少，因此方案一基本可靠度对应的失效率最低；而方案二基本可靠度对应的失效率比方案三的略高，主要因为方案二系统器件数量较多。

4.1.2 任务可靠性

各方案任务可靠性比较如表 2所示。

表 2 各方案任务可靠性比较Tab. 2 Comparision of mission reliability of each solution

从表2可以看出，由于方案一只有一台装置，系统无冗余设计，因此其任务可靠度较低；方案二任务可靠度比方案三略高，主要因为方案二冗余度更高。

最后，综合3种设计方案的基本可靠性和任务可靠性的指标评估结果可以看出，方案二的可靠性指标更优。

4.2 系统可靠性提升方案

结合子单元故障率、系统基本可靠性和系统任务可靠性预计结果可知，DCU、变流模块、控制电源、HMI是双向变流装置的薄弱环节。为提升系统可靠性，须针对各器件失效特点，采取差异化可靠性提升措施。

4.2.1 低可靠性器件/物料可靠性提升

由产品应用历史故障数据可知，DCU和功率模块的薄弱环节均位于电源板。其中，电路板级电源模块和电路板极继电器是DCU的薄弱环节；而电路板级电源模块是功率模块的薄弱环节，其失效原因是电源板对潮湿、多灰尘的应用环境的适应性欠佳。因此，可针对可靠性较低的电源板采取以下措施：（1）加强三防涂覆工艺；（2）加强工艺物料/产品的早期老化筛选；（3）开展环境适应性试验，暴露并改进薄弱环节。通过采取这些措施，DCU失效率从10×10-7数量级降低至10×10-8数量级，使功率模块的失效率从10×10-6数量级降低至10×10-7数量级。

4.2.2 低可靠性器件/物料冗余设计

虽然双向变流器中的二次电源来自蓄电池，其供电可靠性和稳定性非常高；但二次电源链路中还包括用于操作、控制供电的电源模块，其失效率较高，而操作、控制电源模块的失效亦将造成系统无法正常完成任务。因这些器件本身可靠性提升空间不大，可采用冗余设计，以提高装置任务可靠性。

4.2.3 低可靠性器件/物料替代设计

HMI作为双向变流装置的人机交互界面，由于其环境适应性较差，目前应用中的故障率较高。虽然HMI失效通常不影响装置任务可靠性，但不利于客户的良好体验。因此，可以考虑采用智能运维系统，通过云平台存储运行数据，从而通过手机APP取代目前的HMI装置。

综上，将影响系统可靠性的关键部件通过专项质量提升、冗余设计、替代设计等方案进行优化，方案二装置的任务可靠度有较大提高，系统在20 000 h的任务可靠度R(20 000 h) 将从目前的0.989 3提升至0.999 3，与目前应用的城市轨道交通供电系统的可靠度基本相当。

5 结语

本文对城市轨道交通双向变流供电系统不同冗余方案的可靠性进行了分析与研究，针对装置的任务和结构组成的逻辑特点，分别建立了基本可靠性和任务可靠性模型。通过相似产品法得出模型中各子部件的失效率。经计算与比较，选出了可靠性最优的方案，其任务可靠度在20 000 h时可达0.989 3。最后还提出了改善系统可靠性的措施，系统的R(20 000 h)将从目前的0.989 3提升至0.999 3。

在本次研究中并未考虑系统组成中材料、器件等的分散性。后续将累计子单元故障数据，细化建模颗粒度，并采用建模仿真的方法来研究材料、器件等的分散性的可靠性预计方法。