地鐵牽引供電系統(tǒng)雙向變流裝置直流短路研究

孫仁盛，侯欣延，呂瀟涵

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116000）

地鐵系統(tǒng)作為一種重要的城市交通工具，其可靠性和安全性至關(guān)重要。地鐵牽引供電系統(tǒng)中的雙向變流裝置起著關(guān)鍵作用，它將交流電源轉(zhuǎn)換為直流以供牽引系統(tǒng)使用。然而，在地鐵系統(tǒng)運(yùn)行中，直流短路事件難免會發(fā)生，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的安全。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

1.1 電源接入點(diǎn)

電源接入點(diǎn)是地鐵牽引供電系統(tǒng)的起始關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常是通過連接到城市的電力網(wǎng)絡(luò)來獲取電能。電力網(wǎng)絡(luò)通常提供來自電站的高壓交流電源，以確保足夠的電能供應(yīng)地鐵系統(tǒng)。為適應(yīng)地鐵系統(tǒng)的要求，電源必須經(jīng)過變壓器降壓處理，將高壓電源轉(zhuǎn)換為適用于地鐵牽引系統(tǒng)的低壓電能。這個降壓過程不僅確保了電壓的安全性，還有助于滿足列車牽引系統(tǒng)所需的電能規(guī)格，從而為地鐵列車的安全、高效運(yùn)行提供了可靠的電源基礎(chǔ)。

1.2 整流器

整流器在地鐵牽引供電系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵的角色。它是電力系統(tǒng)的第二步，負(fù)責(zé)將來自電力網(wǎng)絡(luò)的交流電源轉(zhuǎn)換為列車驅(qū)動系統(tǒng)所需的直流電源。這一轉(zhuǎn)換過程通常依賴于半導(dǎo)體二極管或可控整流器等電子元件，以確保電能以可控、可靠的方式被轉(zhuǎn)化。在整流器中，交流電源經(jīng)過二極管或可控整流器，其負(fù)責(zé)將電流方向從正負(fù)交替的交流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為單一方向的直流電流。這個過程涉及將電流波形的負(fù)半周或正半周去掉，得到了穩(wěn)定的直流電源。這個直流電源將在后續(xù)的階段中繼續(xù)被平滑、穩(wěn)壓和分配，以供應(yīng)地鐵列車的牽引系統(tǒng)。整流器通常使用半導(dǎo)體器件，如硅控整流器（SCR）或可控整流橋（IGBT），來將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。這些器件可以控制電流參數(shù)，確保直流電的穩(wěn)定性。此外，整流器包括電流傳感器、保護(hù)電路和冷卻系統(tǒng)等，以維護(hù)其正常運(yùn)行并確保安全性[1]。

1.3 電容器和濾波器

電容器在地鐵牽引供電系統(tǒng)中具有關(guān)鍵的功能。它們主要用于電能的儲存和電壓的平滑，具體表現(xiàn)如下。

1.3.1 電壓平滑

電容器能夠有效吸收電源中的電壓波動，如來自電網(wǎng)的瞬時電壓變化，這使得它們能夠輸出更為穩(wěn)定的電壓給列車驅(qū)動系統(tǒng)。這種穩(wěn)定性對于列車駕駛和設(shè)備運(yùn)行至關(guān)重要，因?yàn)樗乐沽穗妷翰▌訉ο到y(tǒng)產(chǎn)生不利影響，有助于確保列車平穩(wěn)運(yùn)行。

1.3.2 峰值電流吸收

地鐵列車在運(yùn)行中需要瞬間大量電能，尤其是在加速和制動等操作中。電容器具備儲存電能并快速釋放的能力，以滿足這些瞬間的功率需求。這有助于確保列車在需要時獲得足夠的電流，以支持運(yùn)行操作的順利執(zhí)行[2-3]。

濾波器在地鐵牽引供電系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。它們的主要任務(wù)是減少電磁干擾（EMI）和諧波，以確保電能的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

綜上所述，電容器和濾波器的設(shè)計(jì)需要考慮電流、電壓、頻率和諧波的特性，以滿足地鐵牽引供電系統(tǒng)的需求。它們的合理配置和維護(hù)對于確保供電系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，有助于提高地鐵列車的牽引性能和乘客的出行舒適性。

1.4 逆變器

逆變器是地鐵牽引供電系統(tǒng)中的重要組件，其任務(wù)是將直流電源再次轉(zhuǎn)換為可控的交流電源，以滿足地鐵列車的牽引需求。通常，地鐵列車的電動機(jī)需要交流電源才能運(yùn)行，而地鐵系統(tǒng)的電源是以直流形式提供的，因此逆變器在中間起到了橋梁的作用。逆變器通過使用半導(dǎo)體開關(guān)器件來控制電流的方向和大小，將直流電源轉(zhuǎn)換為可調(diào)節(jié)的交流電源。這可以實(shí)現(xiàn)對電流的頻率和電壓進(jìn)行精確調(diào)整，以適應(yīng)列車在不同速度和牽引需求下的變化。逆變器的控制系統(tǒng)可以根據(jù)列車的操作指令動態(tài)調(diào)整輸出電流的參數(shù)，確保列車在加速、減速和保持穩(wěn)定速度等情況下都能夠得到適當(dāng)?shù)碾娏?yīng)。逆變器的設(shè)計(jì)和性能對地鐵系統(tǒng)的牽引效率和響應(yīng)速度至關(guān)重要。它們不僅允許列車以可控的方式運(yùn)行，還有助于提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)。

因此，逆變器在地鐵牽引供電系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，確保列車能夠以安全、高效的方式在軌道上運(yùn)行。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)雙向變流裝置

雙向變流裝置是地鐵牽引供電系統(tǒng)中的核心組件，它擔(dān)負(fù)著關(guān)鍵的任務(wù)，即實(shí)現(xiàn)交流電源到直流電源和直流電源到交流電源的雙向轉(zhuǎn)換。這一功能使地鐵牽引供電系統(tǒng)更加靈活多樣，能夠適應(yīng)不同的操作模式和電力需求。在地鐵系統(tǒng)中，列車需要直流電源來驅(qū)動牽引電動機(jī)以推動列車行駛。然而，來自電力網(wǎng)絡(luò)的供電通常是交流電源。這就需要雙向變流裝置發(fā)揮作用，將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，以供應(yīng)列車的牽引系統(tǒng)。同時，在列車制動時，電動機(jī)產(chǎn)生的電能可以通過反饋系統(tǒng)回饋到電網(wǎng)中，這就需要將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，以實(shí)現(xiàn)能源的回饋和再利用。雙向變流裝置通過半導(dǎo)體開關(guān)器件和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一雙向轉(zhuǎn)換過程。它能夠確保電能在不同形式之間高效地轉(zhuǎn)換，以滿足列車系統(tǒng)的動力需求，并實(shí)現(xiàn)能源的回饋和再分配。這種靈活性使地鐵系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)不同操作情景和電力網(wǎng)絡(luò)的變化，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和效率。

總的來說，雙向變流裝置是地鐵牽引供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其雙向轉(zhuǎn)換功能使地鐵系統(tǒng)更加靈活，能夠適應(yīng)不同的電能需求和運(yùn)行模式。它為地鐵系統(tǒng)的可靠性、效率和可持續(xù)性提供了關(guān)鍵支持。

3 雙向變流裝置直流短路特性

3.1 直流電容放電階段

在直流電容放電階段，當(dāng)發(fā)生直流短路事件時，地鐵牽引供電系統(tǒng)中的電容開始釋放儲存的電能，導(dǎo)致電容器電壓急劇下降。這一過程的發(fā)生是由于電容器內(nèi)儲存了一定數(shù)量的電荷，當(dāng)直流電路突然短路時，電容器迅速釋放其中的電荷以滿足電路的需求，這導(dǎo)致了電壓迅速下降的現(xiàn)象。直流電容放電階段的時間非常短暫，通常只有幾毫秒到數(shù)十毫秒，但在這短暫的時間內(nèi)，電容器釋放的電能是相當(dāng)巨大的。這種短時高能量釋放可能對系統(tǒng)內(nèi)的電子元件和設(shè)備造成嚴(yán)重的電壓和電流沖擊，因此需要采取措施來保護(hù)系統(tǒng)，防止損壞或故障的發(fā)生。為此，通常需要在電路中設(shè)計(jì)一些保護(hù)裝置，以限制電容器放電引起的電壓峰值，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[4]。

3.2 反并聯(lián)二極管放電階段

在反并聯(lián)二極管放電階段，當(dāng)直流短路事件發(fā)生時，系統(tǒng)中的反并聯(lián)二極管迅速導(dǎo)通，允許電流繼續(xù)流動，以有效地防止過大的電流沖擊。這一過程的關(guān)鍵在于反并聯(lián)二極管的作用，它們被設(shè)計(jì)成具有低電壓降的特性，以確保在直流電容放電導(dǎo)致電壓急劇下降時，電流仍能夠順利流動而不受阻礙。反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通實(shí)際上提供了一條“繞道”路徑，使電流能夠繞過直流電容器，從而減輕了電容放電引起的電壓下降。這種二極管導(dǎo)通的速度非?？?，通常在微秒級別內(nèi)完成，因此迅速地響應(yīng)了直流短路事件。通過這一機(jī)制，系統(tǒng)能夠有效地限制電流的上升速度，防止電流沖擊對電子元件和設(shè)備產(chǎn)生損害，同時保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。反并聯(lián)二極管在地鐵牽引供電系統(tǒng)中扮演著非常重要的保護(hù)角色，確保了系統(tǒng)在直流短路事件發(fā)生時的安全和可靠運(yùn)行。這個階段的操作是系統(tǒng)中電路保護(hù)的關(guān)鍵組成部分，有助于維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的完整性。

3.3 不控整流階段

在不控整流階段，當(dāng)電容放電完成后，電流繼續(xù)由不控整流器流動。這個階段的關(guān)鍵任務(wù)是采取措施來限制電流，確保它在可控范圍內(nèi)，以防止電流超過系統(tǒng)和設(shè)備的額定值而引發(fā)潛在的損害。不控整流器通常是半導(dǎo)體電子元件，其導(dǎo)電性質(zhì)受到電壓和電流的影響，因此需要對其進(jìn)行控制以維持穩(wěn)定的電流輸出。在這個階段，可能會采用一些電流限制器或電流調(diào)節(jié)器來確保電流保持在合適的水平。這可以通過監(jiān)測電流并在需要時調(diào)整不控整流器的導(dǎo)通狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。這種控制可以幫助防止電流過大，從而保護(hù)系統(tǒng)免受潛在的損害。不控整流階段的目標(biāo)是在電容放電后維持電流的穩(wěn)定性，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行并防止不必要的壓力和電流沖擊。通過這種方式，地鐵牽引供電系統(tǒng)可以更好地管理電能的流動，確保電流在可控范圍內(nèi)，并維護(hù)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

4 仿真分析

4.1 不同工況下的直流短路仿真

通過進(jìn)行不同工況下的直流短路仿真分析，我們可以深入了解地鐵牽引供電系統(tǒng)在各種情況下對直流短路事件的響應(yīng)以及可能發(fā)生的損壞程度。這種仿真分析是至關(guān)重要的，因?yàn)樗梢詾槲覀兲峁╆P(guān)于系統(tǒng)行為的寶貴見解，幫助我們識別潛在的問題，并為改進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和保護(hù)措施提供基礎(chǔ)。在仿真中，我們可以模擬不同的工況，如系統(tǒng)負(fù)載變化、電壓波動、設(shè)備故障等，然后觀察直流短路事件的發(fā)生和演化。我們可以分析系統(tǒng)中各個關(guān)鍵組件的響應(yīng)，包括電容器、反并聯(lián)二極管、不控整流器等，以了解它們在直流短路情況下的工作狀態(tài)和性能。此外，仿真還可以幫助我們量化電流、電壓和功率等參數(shù)的變化，從而評估系統(tǒng)中可能發(fā)生的電壓陡升、電流超額等問題，以及它們對設(shè)備和電子元件的潛在損害。這種仿真分析可以為我們提供有關(guān)如何改進(jìn)系統(tǒng)保護(hù)措施、優(yōu)化電容容量、增加反并聯(lián)二極管數(shù)量等方面的建議，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性和安全性?？偟膩碚f，不同工況下的直流短路仿真分析是一種有力的工具，有助于深入理解系統(tǒng)的行為和性能，并為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供寶貴的指導(dǎo)和建議，以確保地鐵牽引供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4.2 雙向變流裝置直流短路保護(hù)配置方案

為了有效保護(hù)雙向變流裝置免受直流短路的潛在損害，我們提出以下配置方案，即增加橋臂二極管和增大直流側(cè)電抗。這兩項(xiàng)措施旨在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，減輕直流短路事件可能對設(shè)備和電子元件造成的不利影響。

首先，增加橋臂二極管的數(shù)量或容量可以顯著改善系統(tǒng)的電流路徑。這些二極管在直流短路事件發(fā)生時迅速導(dǎo)通，為電流提供了可控的通道，降低了電容放電引起的電壓下降速率。通過增加二極管的數(shù)量或容量，我們可以更有效地分散電流負(fù)載，減輕二極管的負(fù)擔(dān)，從而提高了系統(tǒng)的抗電流沖擊能力。這可以減少設(shè)備受損的可能性，同時維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

其次，增大直流側(cè)電抗有助于限制直流電流的增長。電抗器在直流電路中的作用類似于電阻，它們通過提供電阻性反抗，限制了電流的快速增加。通過增大電抗器的大小，我們可以有效地減少電流在直流短路事件期間的劇烈波動，防止電流超過設(shè)備的承受能力。這個配置方案可以降低系統(tǒng)的潛在風(fēng)險，保護(hù)設(shè)備免受電流過載的威脅[5]。

綜上所述，增加橋臂二極管和增大直流側(cè)電抗是有效地保護(hù)雙向變流裝置免受直流短路事件損害的配置方案。它們協(xié)同作用，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，確保了地鐵牽引供電系統(tǒng)在各種工況下的可靠運(yùn)行，從而維護(hù)城市交通的安全和效率。

5 結(jié)語

通過對地鐵牽引供電系統(tǒng)中雙向變流裝置直流短路問題的研究和分析，我們不僅深入了解了直流短路事件的特性，還提出了有效的保護(hù)配置方案，包括增加橋臂二極管和增大直流側(cè)電抗。這些方案有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，保障地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)行。地鐵系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市交通的支柱，其可靠性和安全性對城市居民的出行至關(guān)重要。通過我們的研究和工程改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高地鐵牽引供電系統(tǒng)的性能，減少直流短路事件對系統(tǒng)的影響。這將有助于確保城市交通的可持續(xù)性，為乘客提供更安全、更高效的出行體驗(yàn)。未來，我們將繼續(xù)努力，不斷優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和保護(hù)機(jī)制，以適應(yīng)不斷變化的城市交通需求，為城市的可持續(xù)發(fā)展和乘客的出行提供更好的支持。