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摘要：本文结合双向变流器的工作原理及特点，分别从设备供电能力和短路故障输出特性两方面建立牵引供电系统模型，对双向变流器进行仿真分析，分析了双向变流器替代整流机组和能馈装置方案的可行性，以及该方案中应重点研究的问题，对地铁行业牵引供电系统中双向变流器替代整流机组和能馈装置的应用提供参考。
关键词：牵引供电; 双向变流器; 继电保护;
随着我国城市化进程的加快，轨道交通将成为未来几十年发展的重点。城市轨道交通相对于其他交通方式而言，具有安全、舒适、快速、运量大和节能环保等特点。但伴随路网规模的扩大和客运量的剧增，城市轨道交通能源消耗总量也随之大幅增长，列车制动能量浪费严重问题越来越受到关注。
目前，解决制动能量浪费问题的主流解决方案为二极管整流机组+能馈装置配套使用，即整流时采用大功率二极管、单向导通模式，回馈时采用IGBT（双向器件）、单向导通控制策略，该方案可以有效解决列车制动能量浪费问题，并可抑制直流网压的升高。但该方案的缺点在于，需单独增加直流开关柜、回馈变压器、高压开关柜、能馈柜等设备，还需要单独配置设备房间，增加了工程造价。
双向变流器能够整合牵引供电系统中整流和逆变的功能，即采用双向变流器件和双向导通控制策略。该方案可减少设备数量，同时节省设备总占地面积。随着电力电子器件的发展及大容量变流设备控制和生产工艺水平的提高，双向变流器功率密度低、过载能力差和成本较高等方面的瓶颈问题也逐步得到了改善和解决，为其在实际工程中替代整流机组和能馈装置提供了条件。
1 双向变流器工作原理
双向变流器是基于PWM脉宽调制技术的一种功率变换装置，采用双向变流器件和双向导通的控制策略，即同时开通了IGBT的整流和逆变功能，通过PWM脉宽调制控制传输能量的大小和方向，实现整流和逆变双向变流功能。
当列车取流时，双向变流器能量的传输方向为由交流系统侧至直流系统侧；当列车进行再生制动，同时无其它列车牵引取流，或牵引取流的列车不足以将再生电能全部吸收时，双向变流器将直流系统侧的能量返送至交流系统侧，最终实现能量的双向传输。
2 双向变流器的特点
相较于传统的二极管整流机组+能馈装置方案，采用双向变流器具有以下优点：
(1）稳定直流网压。双向变流装置无论处于整流还是逆变工作状态，直流网压均可稳定在设定电压，在峰值功率输出或制动能量回馈时，可保持接触网电压与设定值一致，为列车牵引系统、辅助供电系统提供良好的供电支持，降低安全隐患。
(2）降低线路损耗。由于直流网压可控且平稳，牵引和回馈电能基本由相邻牵引站输出和回馈，避免直流系统能量越区传输，减少传输能量损耗，同时通过合理设定运行电压，可减小线路损耗，实现节能。
(3）提高供电质量。传统整流机组在大双边供电时电压降落严重，双向变流机组在大双边供电时，在设备容量范围内可稳定网压，从而提高接触网末端电压，保证直流供电系统的正常运行。
(4）节约占地面积。双向变流装置占地面积及体积与原二极管整流装置相当，与当前主流的整流机组+能量回馈装置方案相比，占地面积减少约60 m2，使早期运行线路也具备改造条件，符合国家节能要求。
3 双向变流器在工程应用中的分析
3.1 设备容量分析
作为牵引设备的整流机组，能够满足VI级负荷的要求，即100%额定负荷连续运行，150%额定负荷2小时运行，300%额定负荷1分钟运行。其中，150%额定负荷2小时运行，是为了满足地铁高峰小时牵引负荷的需求。
对于双向变流器设备，IGBT没有长期过负荷能力，如果作为牵引设备，其额定容量需要能够满足地铁高峰小时牵引负荷的需求。这是双向变流器与传统的二极管整流机组+能馈装置方案在容量选择上的不同点。
按照全线每个牵引所设置2套双向变流器进行供电模拟，计算全线正常及一座牵引所退出运行的高峰小时牵引供电负荷及直流馈线电流。
牵引负荷计算结果来看，采用容量为2×3 000 k W（长期），2×6 000 k W(1 min）的双向变流器，能够满足该工程高峰小时牵引负荷的需求。
3.2 继电保护分析
双向变流器的主电路主要由变流器和电感组成，通过控制变流器中IGBT的通断时间，配合电感的储能功能，实现能量的双向流通。
目前，各厂家实现电感储能功能主要通过两种方式，一种是在变压器副边侧串联一个三相交流电抗器，另一种是增加变压器副边的漏感。两种方式均会使变压器产生一个“高阻抗”效果，使变压器和电感的整体阻抗电压百分数提高至20%～30%。
在交流短路方面，变流器交流侧发生短路时，短路电流小，需要对既有保护进行相应的调整。在直流短路方面，变流器直流侧发生短路时，变流器设备与牵引系统共同构成的等效电路。
根据直流母线电压的跌落情况，双向变流器存在可控与不可控两种状态。当发生近端短路时，短路电流大，双向变流器无法使母线电压维持在可控范围内，设备会出于对自身的保护封锁IGBT脉冲信号，进入不可控状态。当发生远端短路时，短路电流较小，当双向变流器能够维持母线电压在可控范围内时，IGBT的脉冲信号不会被封锁，IGBT持续提供短路电流。
下文以一个牵引所为例，对距牵引所不同距离发生接触网对架空地线短路时双向变流器的输出特性进行仿真模拟。
仿真条件：（1）牵引所配置：2套双向变流器，每套机组额定功率3 000 k W；双向变流器电压设定值为1 600 V，电压封锁阈值为1 400 V，电压恢复值为1 500 V;(2）接触网电阻（刚性）：0.013 66Ω/km;(3）架空地线电阻（JT 1×120):0.148Ω/km;(4）牵引所钢轨电位限制装置合闸。
根据仿真结果可以看出，接触网对架空地线短路，当发生近端短路时，短路电流较大，母线电压迅速跌落，双向变流器封锁IGBT进入不可控状态。随着短路点距牵引所距离的增大，系统中电阻和电感增加，短路电流减小，母线电压稳态值升高，当母线电压高于1 500 V时，双向变流器恢复为可控状态。因此，继电保护方案需根据双向变流器的这种特性，有针对性地进行具体设置和校验。
本节通过建模仿真，从设备容量和继电保护两个方面对双向变流器进行了分析。综合而言，双向变流器的容量基本能够满足轨道交通运行的需要；当发生短路故障时，双向变流器由于采用高阻抗变压器，短路电流小，继电保护可能无法可靠动作，特别是发生远端短路时，双向变流器可能处于可控状态或不可控状态，这与双向变流器的控制策略、牵引系统参数和短路点位置相关。不同的工作状态，对继电保护的设置有影响，需要根据工程线路特点进行具体分析和校验。
4 结语
双向变流器与传统的整流机组+能馈装置方案相比，设备总投资减少，同时节约了土建面积，其具有的稳压功能减少了线路损耗，提高了供电质量，与国家倡导的节能减排政策相符，具有良好的社会经济效益和发展前景。双向变流器设备在发生短路故障时，短路电流小，目前针对其继电保护设置方案需要进一步研究和优化，但随着电力电子和继电保护技术的发展，解决这些问题的方案也会逐步完善。双向变流器的应用是未来轨道交通行业发展的趋势。
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