双向变流器装置在城市轨道交通中的应用

吴凡，刘传铎

（1.厦门轨道交通集团有限公司；2.新风光电子科技股份有限公司）

1 引言

近几年，我国城市轨道交通快速发展，由于城市交通站间距离较短，其运行的特殊性在于列车启动、制动频繁，且制动时会产生大量能量，国内地铁牵引供电系统一般采用电阻消耗方式消耗此能量或加入再生制动能量回馈装置回馈能量。

地铁牵引网制动能量不能被重复利用的根本原因在于现有的直流牵引供电系统采用不控整流机组供电，只能实现能量的单向流动，不能将列车的制动能量反馈到交流电网中[1-3]。

为了实现地铁牵引网能量的双向流动，本文提出了一种应用于城市轨道交通的双向变流器装置。分析了双向变流器装置工作原理，并基于牵引网直流电压等级严格控制双向变流器的工作模式，进而实现双向变流功能，抑制装置间环流。搭建了双向变流器装置仿真模型，对所提出的双向变流器控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明，本文所研究的双向变流器装置既能够为地铁牵引网提供电能，也能将列车再生制动产生的电能回馈到电网中，实现了电能在交流电网和牵引网之间的双向传递，并通过现场运行实例验证了双向变流器功能的正确性和有效性。

2 双向变流器工作原理

双向变流器原理框图如图1所示。

图1 双向变流器原理框图

双向变流器是以全控型电力电子器件组成的电力电子变换器。其交流侧通过变压器连接中压交流电网，直流侧连接牵引网直流母线。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，直接快捷实现电能的双向变换。

3 双向变流器仿真研究

使用Matlab软件搭建双向变流器仿真模型，具体仿真参数如表1所示，装置仿真模型如图2所示，其双向变流控制策略如图3所示。

图2 双向变流器仿真模型

图3 双向变流控制策略

表1 仿真参数

图4分别为直流侧电压、三相交流电流、电压电流相位仿真波形图。从仿真结果可以看出，双向变流器装置可以严格依据直流侧电压变化进行整流、逆变工作模式的切换，验证了双向变流器功能的正确性和有效性。

图4 直流侧电压、三相交流电流、电压电流相位仿真波形图

4 应用案例

2017年4月，双向变流型再生能量回馈装置已在某地铁线路成功挂网运行，装置现场运行图片如图5所示。

图5 现场运行双向变流器装置

图6为双向变流装置直流侧电压、交流电流实验波形图，从实验波形图中可以看出，双向变流装置可以严格依据直流侧电压变化情况进行整流、逆变工作模式的切换，验证了双向变流器功能的正确性和有效性。

图6 直流侧电压、交流电流实验波形图

5 结语

为了实现地铁牵引网能量的双向流动，文章分析了双向变流器装置的工作原理，基于牵引网直流电压等级严格控制双向变流器的工作模式，进而实现双向变流功能。搭建了双向变流器装置仿真模型，对所提出的双向变流器控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明，所研究的双向变流器装置既能为地铁牵引网提供电能，也能将列车再生制动产生的电能回馈到电网中，实现了电能在交流电网和牵引网之间的双向传递，并通过现场运行实例验证了双向变流器功能的正确性和有效性。