HESOP 智能可逆直流牵引变电所研究

王怀东，刘 涛

0 引言

2019年我国城市轨道交通总电能消耗152.6亿kW·h，同比增长15.5%，其中牵引能耗79 亿kW·h，同比增长17.3%[1]。随着新建城市轨道交通线路的增加，其总体能耗指标仍然在不断增长。节能技术在城市轨道交通领域的应用成为热门话题之一，对于轨道交通能耗占比约52%的牵引能耗成为最有前景的节能方向。

1 研究背景

几十年来，由三相牵引变压器和二极管整流器组成的直流牵引供电系统成为城市轨道交通牵引供电的成熟解决方案。然而，随着可回收能量车辆的不断发展，该系统固有的一些弱点开始显现：

（1）牵引电流越大，变电所和接触网的电压下降越多，该影响由于车辆使用转换器驱动而加剧，通过转矩控制，车辆即使在接触网电压下降时仍使受电弓保持恒定的功率负载。

（2）制动能量的使用仅限于制动车辆本身的辅助功率，以及在同一供电分段上同时加速的车辆，如果这些加速车辆相距太远，则多余的功率会在制动电阻中转化为热量，制动能量不能得到充分利用，且增加了热量释放。

图1 所示为典型整流变电所的电流电压特性。无任何负载时，变电所空载电压为U0；当牵引电流ITSS增加时，电压UTSS呈线性下降；当电流达到额定电流值Irect时，电压达到其额定值UN；过载的情况下电压将进一步下降。列车之间的能量回收交换只能在U0以上进行。如果列车间隔太远，制动车辆的电压将达到Umax1阈值（IEC 62590），此时制动电阻需要介入，大量的制动能量通过车载电阻被消耗，从而保证变电所的电压低于标准规定的最高连续电压Umax1。

图1 典型整流变电所的电流电压特性

为了突破以上局限，最大限度地回收制动能量，有以下几种不同思路的解决方案：

（1）优化牵引供电方案，整流器可由晶闸管代替二极管构成，可以动态控制输出电压，但增加了交流电网谐波振荡和提高了无功需求。

（2）提高列车制动能量的回收，可增设逆变器，但势必会影响列车之间的自然能量交换。

（3）由于许多电力公司不鼓励孤立的能源回收业务，部分轨道交通运营方选择安装固定的储能设备。然而，除了容量有限外，这些储能系统还存在结构复杂、寿命短等缺点，且增加了维护成本。

2 HESOP 智能可逆直流牵引变电所

2.1 HESOP 可逆变电所概述

本文研究一种集成化解决方案，在简化设备组成的同时实现能源优化，成为双向“智能”变电所。该研究成果（HESOP 可逆变电所）于2006 年通过技术论证，并于2011 年在法国上线验证了以下主要指标：

（1）再生/回收99%的制动能量，同时保持列车之间的自然能量交换优先；这将允许消除制动电阻，从而减轻列车重量，减少热量释放。

（2）在牵引和逆变模式下均可调节其输出电压，以减少损失，并增加牵引变电所间距。

（3）降低谐波水平，改善交流侧功率因数。

图2 简要汇总不同型式变电所结构和功能上的差异。

图2 不同型式变电所结构及功能

如图2 所示，HESOP 变电所在结构上沿用了传统二极管变电所的设计理念，所使用的设备组件也相似。值得一提的是，HESOP 变电所交流电和直流电输入和输出端的接口需求与传统变电所差异不大，因此在相同功率的情况下，HESOP 变电所可以完美匹配传统变电所使用的高压断路器和直流快速断路器。

上述不同型式变电所的结构差异最明显的表现是HESOP 变电所使用1 台大功率IGBT 双向变流器替代了传统变电所的二极管整流器或其他能馈变电所的整流器加逆变器装置。由此，HESOP变电所体现了简化变电所结构的优势。

HESOP 变电所通过智能动态调压确保在牵引供电模式和能量回收模式下均能最大程度优化直流供电的电压和电流，从而实现对牵引供电的优化以及超过99%的列车制动能量的回收。在交流端，HESOP 变电所可以大幅度减少谐波（电流畸变率小于5%），并且功率因数大于0.99。

2.2 HESOP 可逆变电所的技术特点

如图3 所示，HESOP 可逆变电所具有双向电流-电压转换的灵活性。图中电压UTSS在牵引供电模式下可被控制在一个恒定的水平，独立于输出电流ITSS。该方案弥补了传统二极管整流器在大电流时带来的电压降低，从而优化了直流牵引供电。

图3 HESOP 可逆变电所电流电压特性

对于回馈模式中的电压设置，可以基于不同的线路特征动态调压，以达到实际应用中的最佳值。通常，UTSS会被尽可能调高，以便优先允许制动列车与加速列车之间的能量自然交换。另一方面，当线路上只有列车制动，没有正在加速的列车自然回收制动能量时，UTSS会被尽可能调低，以防止制动列车局部电压升高致使能量送至制动电阻中消耗。这样，可以保持接触网电压在可控范围内变化，并确保99%以上的可用制动能量被实际回收。

图4（a）示意某型传统列车的牵引变电系统，现如今已由IGBT 驱动功率变换器取代，用于所有多单元列车和机车，系统可提供交流电。主变压器的设计取决于主电路的结构，在进行传统列车牵引变电系统设计时，通常安装1 个特殊的交流滤波器连接到变压器的三级绕组，以消除寄生电流。

在图4（b）中可以看到完全相同的组件，左侧为HESOP 直流可逆变电所，右侧出现列车典型的三相驱动设备，由逆变器和牵引电机组成。

图4 不同功率转换方案对比

3 HESOP 的产品平台

HESOP 产品与传统的铁路供电系统在设计理念上非常接近，可以灵活地集成到现有的变电所建筑结构中。如图5 所示，HESOP 提供了灵活的智能变电所系统，在中压配电系统和有轨电车/地铁接触网之间实现整流和逆变。

图5 HESOP 可逆智能变电所

HESOP 完全采用模块化设计，产品平台拥有两个功率范围：

（1）对于有轨电车线路，HESOP 变电所提供的额定功率和电压分别为1.2 MW、750 V，其具有很强的瞬态过载能力，可以达到相当于额定电流的4.5 倍，持续15 s，满足IEC 62590 标准规定的七级过载能力要求，这表示峰值功率输出可以达到5 MW 以上。

（2）对于功率要求较高的地铁线路和列车，可提供一个版本的额定功率和电压：2.0 MW、750 V，具有3 倍的额定电流过载能力，持续60 s，满足IEC 62590 标准规定的六级过载能力要求。若这些HESOP 模块中的两个串联在输出侧，则可以提供1 500 V 额定电压，额定功率为4.0 MW，峰值输出功率达12 MW。

表1 为当前HESOP 产品平台的主要参数。

表1 HESOP 产品平台的主要参数

4 HESOP 应用案例

HESOP 所具有的优势使其成为一种独特的解决方案，该方案可以满足不同城市和郊区线路的运输运营需求。截至目前，已有超过120 套HESOP设备在全球多个国家安装并投入使用（表2），其中超过40 台设备已经正式上线运行，证明HESOP可逆变电所是一种先进的能馈解决方案，可大大提高能源性能和优化牵引所需的功率，从而节省能源和降低基础设施成本。

表2 HESOP 设备应用案例

5 结语

本文提出一种HESOP 智能可逆直流牵引变电所，就该变电所的技术特点、产品平台、应用推广等方面作了阐述。得出以下结论：

（1）该变电所可最大程度地优化直流供电的电压和电流，可对99%以上的列车制动能量进行回收，大幅度减少谐波，功率因数大于0.99。

（2）在牵引供电模式下，该牵引变电所保持UTSS在恒定水平；在回馈模式下，可以动态调节UTSS至最佳值。

（3）该变电所采用模块化设计，可满足不同运营场景的需求。