天津轨道交通运营集团有限公司 天津 300222
摘要：再生能量的有效吸收利用是实现轨道交通绿色发展的重要手段。中压能馈装置技术方案成熟，容量大、再生能量利用率高，对再生能量的吸收利用具有重要意义，但是还存在着制动能量无法充分利用、功率因数过低以及入网谐波较大等问题。本文从城市轨道交通牵引供电系统整体考虑，提出了分布式协同控制技术，对多个变电站进行分布式协同控制，包括分布式协同吸收控制、分散式无功补偿控制和分布式载波移相控制等。
关键词：城市轨道交通；牵引供电系统；分布式协同控制
引言
近年来，城市轨道交通在我国得到了飞速发展。通过中压能馈装置可以实现对列车再生制动能量的再次利用，达到节约能源的目的。但是目前整个城市轨道交通牵引供电还存在着制动能量无法充分利用、功率因数过低以及入网谐波较大等问题。通过多个变电所之间的协同工作，来实现再生制动能量更好的利用、主变电所更高的功率因数以及更低的入网电流谐波等目标。
一、再生制动能量利用
由于城市轨道交通具有诸如车站之间的短距离，高列车密度，频繁出发和停靠等特征，其通过再生制动产生的能量相当可观，这部分电能大约占总牵引能量的十分之三。其中一部分能量会被列车的辅助供电系统以及直流牵引网上的其他列车所使用，剩下的电能则需要通过其他手段进行处理，有时这部分能量占全部再生制动能量的比值高达80%。目前，能够对这部分能量进行处理的方式分为三种，分别是能量消耗型、能量储存型以及能量回馈型。能量消耗型主要是通过安装制动电阻对这部分能量进行消耗。国外电阻耗能型的应用案例主要是在日本，例如大阪轻轨和冲绳轻轨。而在我国，只有建设较早的一些地铁线路中有用到这种方法，例如广州、北京和天津的几条地铁线路。由于制动电阻实现了高度的国产化，可以在有效地控制设备成本和维护工作。
能量储存型再生制动能量吸收利用装置，即将再生能量通过某种储能介质储存起来。根据储能介质的不同，可以分为电容储能和飞轮储能。它们的基本原理都是类似的，根据直流牵引网的电压来决定储存和释放能量。在牵引网压比较高时将能量储存起来，在牵引网压较低时释放能量。电容储能可以将再生制动能量存储到一个超级电容中，其电容值可达数千法拉。这种方式主要的缺陷在于储存的能量受到超级电容的限制，吸收的能量有限，并且超级电容存在寿命问题。而飞轮储能则是将再生制动能量通过电机存储到飞轮中，将电能转化为了机械能。这种方式的缺点在于其价格昂贵，因此在国内没有应用。同时还存在能量转化效率的问题，转化过程中损耗受环境的影响很大。
二、分布式协同吸收技术
中压能馈装置是将再生制动能量回馈到中压电网的装置，由于该方案技术成熟度高、系统容量大、再生能量利用率高等特点逐渐成为城市轨道交通应用的首选。中压能馈装置工作时分为恒压模式和恒功率模式，如图1所示。图中，线①为能馈装置工作在逆变区时的恒压外特性曲线。在达到最大功率点之前，能馈装置工作在恒压模式，能够保持牵引网电压恒定为Uum；当电流到达A点，系统达到最大功率时，能馈装置会控制逆变的功率恒定，在这种控制模式下，多余的能量不能被本站吸收，会使牵引网电压升高。所以这种控制方式能够稳定网压，但是会使列车制动峰值功率不能被一个站吸收，不仅会带来功率冲击，还有可能将电能反送回上级电网，对再生制动能量在地铁内部的应用很不利。
.png)
图1 恒压吸收曲线
因此，本文提出基于下垂外特性的分布式协同吸收方案，减少了列车制动能量对单个站吸收装置设备容量需求和功率冲击。如图2所示。图中，线①为能馈装置工作在逆变区时的下垂外特性曲线。在达到最大功率点之前，能馈装置控制直流电压随着直流电流在一定范围内线性升高，使相邻站的中压能馈装置也投入工作。
.png)
图2 变压吸收曲线
三、分布式协同吸收情况
在采用分布式协同吸收方案时，选取不同的外特性虚拟阻抗r会对各变电所内的能馈装置吸收电流以及功率大小产生影响。由于变电所中压能馈装置交替连接至两段中压母线上，所以需要通过理论分析选取合适的虚拟阻抗值，使回馈至两段母线的能量尽可能相等，使城轨供电系统内部能更好地利用再生制动能量，避免能量返回到上一级电网中。以五个变电所为例，在线路阻抗为R时，通过分析不同的外特性虚拟阻抗r对电流以及功率在最近的五个变电所的分布情况，可以找出使两段母线吸收的功率尽可能均衡的虚拟阻抗r的值。图3所示为当列车在一号变电所附近制动时分布式协同吸收的等效电路图。图中I1到I5分别表示流入一号至五号变电所的电流，图中一、四、五号变电所的能量回馈至中压环网的I段母线，二、三号变电所的能量回馈至中压环网的II段母线。接下来，将以五个变电所为例，讨论在线路阻抗为R时，不同的外特性虚拟阻抗r对电流以及功率在最近的五个变电所的分布情况，以期找出使两段母线吸收的功率尽可能均衡的虚拟阻抗r的值。
.png)
图3 分布式协同吸收等效电路
四、城市轨道交通牵引供电系统关键技术
近年来，我国各大高等院校联合多家单位成立了多个创新及研究成果转化平台，致力于轨道交通牵引供电技术的创新与应用。2011年，中压能馈牵引供电系统被率先提出，随后，该系统又陆续加入了整流、分散式功率因数补偿、智能融冰等功能，并于2017年引入大数据和智能化功能。新一代智能化城市轨道交通牵引供电系统包括整流、逆变、无功补偿和智能融冰等功能，功率器件为IGBT智能功率模块，功率因数大于0.99，变流器效率大于98%（额定功率下），电流谐波畸变率小于3%。
基于大功率四象限变流技术和大数据智能化技术的新一代智能化牵引供电系统方案具备两方面特点：基于大功率四象限变流技术，使得同一套供电装置整合了牵引供电、能量回馈、无功补偿和接触网融冰四大核心功能；基于大数据智能化技术，使得供电装置集成了大数据采集、数据存储、融合与分析、故障诊断、寿命预测和健康状态评估等功能。该系统的关键技术核心包括分散式无功补偿、分布式协同控制、分布式载波移向技术、车地一体化匹配控制、智能融冰策略、大数据智能云系统和智能寿命预测技术等。
其中，基于“变压回馈”的分布式协同控制方案，当列车进站制动时，随着制动功率增大，就近变电所能馈装置直流电压在一定范围内限行升高，从而触发相邻站能馈装置也投入工作，使得列车进站时的再生制动峰值功率能够被多个相邻站的能馈装置共同吸收。
分布式载波移向技术是借助高精度的过零点捕获技术，通过在一定范围内微调载波频率，使得各自三角载波相对于网压过零点的相位差始终保持恒定，以相同的交流电网电压过零点参考实现了自同步，从而取代了传统的硬线同步，实现了谐波对消。
智能寿命预测技术是基于IGBT功率模块的寿命与结温有关而建立的寿命预测模型，主要包括功耗计算，即通过变流器运行条件计算模块的功率损耗（包括IGBT和二极管的导通损耗、开通损耗和关断损耗等）；结温预测，即根据计算所得的模块功率损耗，利用模块等效的热网络模型计算模块的结温随时间变化的曲线；数据分析，应用统计技术法（雨流法）对结温变化数据进行统计，获取不同温差、结温平均值及相应的循环次数等数据；寿命预测，根据功率模块寿命预测模型计算模块剩余寿命（通过加速老化试验，确立预测模型的系数，再通过累积损伤模型，计算剩余寿命）。
随着相关学科技术的不断进步，可以预计，城市轨道交通牵引供电系统将更加简化、更加节能和具有更好的供电品质和供电性能；电力电子技术的最新发展将使得系统更为可靠和高效；控制科学、网络与通信和计算机技术的发展将进一步促进智能化的发展；由单个变电所的独立供电单元向多变电所协同控制发展；我国具有完全自主知识产权的牵引供电系统，将不仅在国内更将在国际舞台上扮演着举足轻重的角色。
结束语
综上所述，本文所述系统从基础技术出发，既有基础理论创新，又有系统集成创新，其应用推广将对现有城市轨道交通牵引供电系统进行重要升级。因此，及时组织行业标准乃至国家标准的制定，对建立具有完全自主知识产权的技术体系与标准体系是非常必要的。对响应国家走出去倡议、提高我国的国际声誉和扩大国际影响具有非常重要的意义。
参考文献：
[1]田斌. 城市轨道交通牵引供电系统分布式协同控制研究[D]. 2018.
[2]张钢, 刘志刚, 魏路, 等. 新一代智慧型牵引供电系统关键技术与应用示范[J]. 都市快轨交通, 2018.