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中低速磁浮逆变回馈型再生制动组合变流装置应用 孙 罡，蒋 彪，邱 冰等 城市轨道交通 67 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.015 中低速磁浮逆变回馈型再生制动组合变流装置应用 孙 罡，蒋 彪，邱 冰，邓娟红 摘 要：目前国内城市轨道交通主要采用独立于整流机组的再生制动变流器与再生制动隔离变压器组合的中压逆变能馈方案。本文结合凤凰磁浮文化旅游项目一期工程，阐述了基于独立的整流模块与双向逆变模块构成的组合变流装置在中低速磁浮项目中的应用。随着凤凰磁浮一期线路的试运营，该组合变流装置已取得预期效果，以期对后期中低速磁浮轨道交通供电设计提供参考。关键词：再生制动；逆变能馈；双向变流 Abstract:At present,the domestic urban rail transit mainly adopts the scheme of medium voltage inverter energy feedback composing of regenerative braking converter independent of rectifier unit and regenerative braking isolating transformer.The paper,with connection to the First Phase of Fenghuang Maglev Express Cultural Tourism Project,illustrates the application combined converter device composed of independent rectifier modules and bidirectional inverter modules in medium and low speed maglev project.With the trial operation of the line of the first phase of Fenghuang Maglev Express,the combined converter device has achieved the expected results.It is expected to provide reference for design of medium and low speed maglev rail transit in the future.Key words:regenerative braking;inverted energy feedback;bidirectional converter 中图分类号：U237 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2023)03-0067-06 1 工程概况 凤凰磁浮文化旅游项目一期工程（以下简称凤凰磁浮）线路长约 9.18 km，线路始于磁浮高铁站，止于民俗园站，共设高架车站 5 座（其中 1 座为预留），车辆基地 1 座，最大站间距 3.493 km，最小站间距 1.23 km，平均站间距 2.22 km1。该工程供电系统采用 10 kV 分散供电方式，牵引供电系统和动力照明配电系统共用 10 kV 供电网络，在车辆基地、奇梁洞站、民俗园站设置电源开闭所。牵引供电系统采用 DC 1 500 V 正极接触轨供电、负极接触轨回流方式。全线共设置 5 座牵引降压混合变电所（其中正线4座，车辆基地1座），正线设 1 座降压变电所2。根据 CJJ/T 2562016中低速磁浮交通供电技术规范中“牵引供电系统中应配置再生电能吸收装置，宜采用节能型装置”相关要求，全线各牵引降压混合变电所内均设置一 作者简介：孙 罡.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，助理工程师；蒋 彪.湖南轨道交通控投集团有限公司，高级工程师；邱 冰，邓娟红.湖南省轨道勘察设计有限公司，高级工程师。课题项目：湖南省科技创新计划项目“中低速磁浮工程建设关键技术及工程应用”（2022GK4033）；湖南省交通运输厅科技进步与创新计划项目“旅游磁浮工程建设关键技术研究”（202014）。套逆变回馈型组合变流装置，通过断路器接于 10 kV 母线及 DC 1 500 V 母线3。2 再生制动能量回馈装置方案及原理 列车制动采用电制动+机械制动的方式，且以电制动为主，通过列车制动时电动机与发电机之间工况的转换，将动能转换为电能反馈至直流牵引网供线路上其他列车牵引使用。由于城市轨道交通站间距短，列车启停频繁，运营初期行车对数较少的特点，再生制动产生的电能不能有效地被其他列车消耗，剩余部分电能一般回馈至中压交流环网向其余设备供电。国内城轨项目普遍采用再生制动变压器与再生制动变流器组合的方案。本文介绍的逆变回馈型再生制动组合变流装置，将整流模块与双向变流模块集中整合，同时具备整流、逆变模块辅助整流、逆变回馈、无功补偿等功能，接线方式及保护配置更简单清晰，运行设备较少，不仅减少设备成本，变电所房间土建投资也相应减少。逆变回馈型组合变流装置包括直流控制柜、整流器柜、双向变流装置、并网开关柜以及牵引变压器，其中双向变流装置由双向变流器柜和隔离变压器组成，每面双向变流器柜包含 3 套双向变流器模块（以下简称 NPC 模块）和 1 台内部并网断路器。城市轨道交通 电气化铁道 2023年第3期 68 图 1 所示为逆变回馈型组合变流装置原理。牵引变压器高压侧与中压环网 10 kV 交流断路器 121相连，低压侧馈出 3 回线路，通过并网柜内交流断路器 203、204 分别与整流器柜、隔离变压器高压侧连接；整流器柜将牵引变压器低压侧的 AC 1 180 V 整流为 DC 1 500 V，通过直流进线柜输送至直流母线，为列车提供牵引电能。双向变流器柜一端连接隔离变压器低压侧，另一端通过直流控制柜内的双极隔离开关与直流母线连接。任何时刻，逆变回馈型组合变流装置的整流器柜与双向变流器柜仅其中之一处于工作状态。Tr组合变流装置10 kV12111211E121203204202RTTgAr21INR20232012011Ar31 Ar32DC 1 500 V+-图 1 逆变回馈型组合变流装置原理 3 装置组成及功能（1）并网开关柜。为使整流器柜与双向变流器柜相互独立，并网柜将整流器柜与双向逆变装置通过不同的交流断路器分别控制，其中任意模块单独解列时不影响另一模块功能，保证了实际运营时列车牵引供电的可靠性。（2）隔离变压器。由于牵引变压器低压侧额定电压为 AC 1 180 V，双向变流器柜低压侧额定电压为 AC 1 000 V，在二者之间设置隔离变压器进行隔离变压，防止牵引变压器与双向变流器柜之间产生环流。（3）整流器柜。整流器柜将牵引变压器低压侧的 AC 1 180 V 整流为 DC 1 500 V，并输送至直流母线，为车辆提供牵引电能。每座牵引变电所整流模块过负荷能力应满足 VI 级（GB/T 38592013）负载等级要求，即十二脉波整流器额定功率为 2 000 kW，峰值功率为 6 000 kW。整流器主要技术参数如表 1 所示。表 1 整流器主要技术参数 参数名称 参数值 额定功率/kW 2 000 峰值功率/kW 6 000 额定交流电压/V 1 180 额定直流输出电压/V 1 500 额定直流空载电压/V 1 650 最高直流输出电压/V 1 800 额定输出电流/A 4 000（60 s）负荷等级要求 IEC 60146 VI 级（4）双向变流器柜。双向变流器柜将列车制动时产生的直流电能逆变为与电网电压同幅值、同相位的交流电能并回馈至中压环网；辅助整流时将交流转为直流 1 500 V 向牵引网供电。柜内包括 3套 NPC 模块，且预留 1 套 NPC 模块安装位置，每套 NPC 模块额定功率为 167 kW，峰值功率为 500 kW。NPC 模块采用二极管嵌位三电平三相全桥的主电路结构。双向变流器主要技术参数如表 2 所示。表 2 双向变流器主要技术参数 参数名称 参数值 直流侧标称电压/V 1 500 直流侧最高电压/V 1 950（瞬时）最大输入电流/A 1 740 额定交流输出电压/V 1 000 额定输出电流 持续输出 580 A，2 h 持续输出 870 A，1 min 持续输出 1 740 A 额定频率 跟踪牵引变压器输入端（组合变流器输出端）电网频率，误差不大于0.5%启动电压/V 1 5931 950 可调 额定输出功率 持续输出 1 000 kW，2 h 持续输出1 500 kW，1 min 持续输出 3 000 kW 负荷等级要求 IEC 60146 级 图 2 所示为 NPC 模块原理。NPC 模块功率变换元器件主要包括：C1、C2 直流支撑电容、IGBT1IGBT12 组成的三相桥臂开关器件、D1D6 三相桥臂中点嵌位二极管。主电路以及输入熔断器及检测电路、控制电路就构成了 NPC 模块的电气部分，也可通过三相全桥电路将交流电整流为直流电连接至直流电网。图 2 中电抗器 L 为外置，不属于 NPC 模块，NPC 单元通过电抗器 L 连接至中低速磁浮逆变回馈型再生制动组合变流装置应用 孙 罡，蒋 彪，邱 冰等 城市轨道交通 69 交流电网。（5）牵引变压器。将 10 kV 母线与并网柜进线侧之间进行变压与隔离。（6）直流控制柜。主要实现直流主电源隔离及设备停机放电功能、NPC 模块协调控制、信号数据采集及人机界面显示。直流电压采样板直流电流传感器NPC主控板交流电压采样板交流电流传感器逆变器NPC+INR-NPC+N-+NPC-C1212+NPC-C1112+NPC-IGBT1+NPC-D112+NPC-IGBT2+NPC-D3+NPC-IGBT51212+NPC-IGBT912+NPC-IGBT612121212121212+NPC-D5+NPC-IGBT10+NPC-D2+NPC-IGBT3+NPC-D4121212+NPC-D6+NPC-IGBT7+NPC-IGBT1112+NPC-IGBT4+NPC-IGBT812+NPC-IGBT1212从三相滤波电抗器后采样U UVVWW 图 2 NPC 模块原理 凤凰磁浮牵引降压混合变电所逆变回馈型组合变流装置（除牵引变压器）安装于约 37 m2的组合变流装置室内，相较于采用再生制动变压器与再生制动变流器组合的方案，设备安装集中于一个房间，便于维护，且节省变电所占地总面积，减少土建投资成本4。由于变电所面积减小，组合变流装置仅采用 2 面变流器柜，共计 6 套 NPC 模块，额定功率为 1 GW，峰值功率为 3 GW，过负荷能力满足 VI 级（GB/T 38592013）负载等级要求。根据规范要求，双向变流模块处于峰值功率工况时只能维持 1 min，无法长时间替代整流模块向 DC 1 500 V 直流母线供电，但城市轨道交通牵引网均采用双边供电模式，当本站变电所整流模块退出运行后，双向变流模块可有效地辅助整流及逆变回馈，作为故障情况的后备措施。逆变回馈型组合变流装置功能如下：（1）整流器柜及双向变流装置功能均正常的情况下，整流器柜整流向牵引网提供稳定的直流电源；双向变流装置在列车制动引起牵引网电压抬升至装置设定的阈值（一般设置为 DC 1 730 V）时进行能量回馈，将直流电能逆变为与交流电网同幅值、同相位的交流电能回馈至交流电网，以稳定直流电网电压。（2）整流器柜功能正常、双向变流装置故障的情况下，整流器柜进行整流，向牵引网提供稳定的直流电源；双向变流装置退出，车辆制动能量由邻站逆变回馈型组合变流装置吸收，以稳定直流电网电压。（3）整流器柜故障、双向变流装置功能正常的情况下，先联跳本站 DC 1 500 V 进线断路器和10 kV 馈线断路器，待将整流器柜回路撤除后再投入双向变流装置，即整流器柜解列，双向变流装置在车辆制动时进行能量回馈，在牵引时配合邻站整流器柜进行辅助整流，以稳定直流电网电压。（4）在整流器柜和双向变流装置均故障的情况下，联跳本站 DC 1 500 V 进线断路器和 10 kV馈线断路器，整流器柜和双向变流装置均退出，牵引网由双边供电切换至大双边供电模式。4 保护功能配置 逆变回馈型组合变流装置保护配置分为装置内部保护和外部接口设备之间保护。4.1 装置内部保护 4.1.1 NPC 模块保护配置 凤凰磁浮单个 NPC 模块保护定值见表 35。表 3 凤凰磁浮单个 NPC 模块保护定值 保护名称 保护动作值 延时/s 交流过电压保护段 1 100 V 1 交流过电压保护段 1 200 V 0 交流欠压保护段 850 V 1 交流欠压保护段 500 V 0 直流过电压保护段 2 000 V 0.5 直流过电压保护段 2 100 V 0 直流欠压保护 1 000 V 0.5 交流过频保护 50.8 Hz 0.1 交流欠频保护 49.2 Hz 0.1 交流过电流保护段 319 A 10 交流过电流保护段 348 A 0 直流过电流保护 406 A 0.01 直流电流速断保护 435 A 0 IGBT 温度保护 80 1 交流过电压保护（硬接线）1 256 V 0 直流过电压保护（硬接线）2 320 V 0 交流过电流保护（硬接线）732 A 0 直流过电流保护（硬接线）518 A 0 单个 NPC 模块保护动作时，只封锁本模块输出，并且故障消失后模块可以重新投入运行，即双向变流器柜内单个 NPC 模块故障不会影响柜内其余 NPC 模块功能。4.1.2 主控系统保护配置 凤凰磁浮组合变流装置主控系统保护定值如城市轨道交通 电气化铁道 2023年第3期 70 表 4 所示5。表 4 凤凰磁浮组合变流装置主控系统保护定值 保护名称 保护动作值 延时/s 交流过电压保护段 1 150 V 1 交流过电压保护段 1 250 V 0 交流欠压保护段 800 V 1 交流欠压保护段 80 V 1 直流过电压保护段 2 000 V 1 直流过电压保护段 2 100 V 0 直流欠压保护段 1 300 V 1.5 直流欠压保护段 1 000 V 1.5 交流过频保护 51 Hz 0.5 交流欠频保护 49 Hz 0.5 直流过电流保护 2 093 A 0.01 直流电流速断保护 2 267 A 0 环境过温 60 1 PLC 故障 PLC通信/PLC本身 30 Vac过压（硬）1 300 V 0 Vdc过压（硬）2 537 V 0 Idc过流（硬）2 400 A 0 图 3 所示为凤凰磁浮逆变回馈型组合变流装置内部结构，QF1 与 QF2 为装置内部并网断路器，KM1 为线路接触器。不同于 NPC 模块保护动作时仅封锁模块的输出，主控系统保护动作时，内部断路器或接触器经一定延时跳闸，双向变流器柜将完全退出运行。DC 1 500 V+-直流进线柜整流器柜2012011负极柜直流控制柜KM1并网柜牵引变压器10 kV馈线柜203204121202变流器柜1QF1变流器柜2QF2隔离变压器10 kV 图 3 凤凰磁浮逆变回馈型组合变流装置内部结构 4.1.3 并网开关柜保护配置 并网断路器保护定值设置如下3。（1）并网交流断路器 203、204 定值：过电流保护段：I1=4In=7 832 A；过电流保护段：I2=8In=3 916 A，t2=0.1 s。In为交流断路器 203、204 额定电流。（2）并网交流断路器 202 定值：过电流保护段：I1=2In=5 080 A；过电流保护段：I2=1.5In=2 540 A，t2=0.1 s。In为交流断路器 202 额定电流。4.2 外部接口设备之间保护 如图 1 所示，凤凰磁浮逆变回馈型组合变流装置分别通过交流断路器 121、直流快速断路器 201与 10 kV 母线、DC 1 500 V 母线连接。设备实际运行过程中，121 断路器及 201 断路器应按照常规城市轨道交通项目保护方案进行配置，不再赘述。需要特别说明的是，逆变回馈型组合变流装置的整流回路与逆变回路均通过直流快速断路器201与 DC 1 500 V 母线连接，因此，201 断路器在双向变流器柜处于逆变模式工况时，应投入逆向过电流保护；在辅助整流模式工况时，应投入过电流保护。直流控制柜端子排通过控制电缆将双向变流柜工况信号传至 DC 1 500 V 进线柜端子排，实现在不同工况下保护功能的自动切换。5 仿真分析 为了验证逆变回馈型组合变流装置在列车制动时回馈电能的可靠性，针对其逆变回馈功能进行仿真分析。组合变流装置控制模式特性曲线如图 4 所示，变流装置的外特性下垂斜率与二极管整流机组的外特性斜率相近，实现与相邻站的二极管整流器组的协调工作，并达到特性的控制目标（功率分配、直流电压波动最小等），可利用变流模块良好的可控性，根据需要对直流输出特性（外特性）进行控制。图 4 中，Irn为整流机组额定电流，Iin为逆变回馈装置额定电流。逆变回馈100%Iin部分再生制动电流牵引整流100%Irn200%Irn300%Irn直流输出电流/A双向变流器逆变运行1 500 V1 420 V恒动控制恒动控制下垂特性控制1 660 V恒压控制1 800 V供电系统原有外特性曲线直流输出电压/V变流器整流运行 图 4 组合变流装置控制模式特性曲线 仿真相关的输入条件：交流侧额定电压10 kV；直流侧额定电压 1 500 V；牵引变压器高压侧电压10 kV，低压侧电压 1 180 V；隔离变压器高压侧电压 1 180 V，低压侧电压 1 000 V；系统容量为额定功率 1 MW，短时功率 1.5 MW（2 h），峰值功率3 MW（1 min）。系统设置能量回馈电压启动阈值中低速磁浮逆变回馈型再生制动组合变流装置应用 孙 罡，蒋 彪，邱 冰等 城市轨道交通 71 为 1 730 V，双向变流模块启动后，系统通过双闭环控制将直流母线电压稳定在 1 730 V，回馈能量的间歇循环功率（峰值功率）为 1.8 MW。组合变流装置仿真过程如图 5 所示。仿真步长为 1e-5 s，仿真时长为 1 s。00.15 s 模拟空载状态；0.150.55 s 模拟列车制动，双向变流模块启动，在 0.15 s 时列车开始制动，0.2 s 时达到回馈功率峰值，0.5 s 时回馈功率开始下降，0.55 s 时回馈功率降为 0；0.550.65 s 时间内列车停止运行，仿真中设列车停止运行时直流电流为 0；0.651 s 模拟列车启动运行时二极管整流机组工作过程。P/kW2 0001 8001 6001 4001 2001 0008006004002000-200-400-600-800-1 000-1 200-1 400-1 600-1 800-2 000t/s0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 图 5 组合变流装置仿真运行过程 直流母线电压是判断双向变流模块运行可靠性的关键指标，仿真运行过程中直流母线电压变化波形如图 6 所示。额定逆变回馈功率（1 MW）时的直流母线电压为 Udc，支撑电容电压初始值 1 650 V。0.15 s 前，系统处于空载状态，直流母线空载电压约为 1 652 V。0.15 s 时，列车进入制动状态，直流母线电压开始抬升，升至 1 730 V 时达到变流模块启动门槛值，双向变流模块快速响应启动；达到门槛值瞬间存在 35 V 左右的超调量，并在 0.15 s内稳定在 1 730 V 左右，稳定后有 10 V 左右的正常波动。0.5 s 时，回馈功率开始下降，并在 0.55 s降至 0。0.550.65 s 内列车处于停止运行状态，该过程中直流母线电压开始下降。0.65 s 时，列车启动运行，二极管整流机组开始运行，直流母线电压有较大下降，最终稳定在 1 500 V 左右。Udc/At/s0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 8001 7501 7001 6501 6001 5501 5001 450 图 6 组合变流装置直流母线电压波形 双向变流模块工作于额定输出功率时，整流模块回路电流波形如图 7 所示。可以看到，在逆变回馈过程中（0.150.55 s），整流支路上均有 10 A左右的环流，但环流电流值较小，不影响二极管整流机组的正常工作；在 0.65 s 后，二极管整流支路电流迅速增长，达到设定值输出。由以上分析可以看出，在额定回馈功率时，采用共用整流变压器方案无论是列车制动过程还是列车运行过程，直流母线电压均能维持稳定。Id/At/s0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2000-200-400-600-800-1 000-1 200-1 400 图 7 组合变流装置整流支路电流波形 由仿真可以得出，在间歇制额定输出功率工况下，逆变回馈型组合变流装置能够可靠完成整流、逆变回馈等功能，且整流模块与双向变流模块相互独立运行，互不影响。6 结语 随着城市轨道交通的不断发展，以旅游业为支柱产业的小型城市越来越多，为满足游客的观光及交通便捷需求，将大力发展各种制式的轨道交通，相较于地铁等大型轨道交通项目，磁浮类型的轨道交通无论从性价比还是建造难度上都更加契合小型城市的发展需求。本文介绍了凤凰磁浮文化旅游项目一期工程供电系统逆变回馈型组合变流装置设计方案，目前该线路已开通并全线试运营，装置城市轨道交通 电气化铁道 2023年第3期 72 的设计功能基本达到预期要求，但本文所述设计方案还可以进一步进行创新和改进，例如：结合电力电子元器件的发展，以及工程的实际运营数据，进一步优化逆变回馈型组合变流装置的设备配置，是否可以在不采用隔离变压器的情况下避免环流的产生；IGBT 晶体管辅助整流时的输出功率大幅提升等。通过不断的改进创新，逆变回馈型组合变流装置性价比及可靠性才能更契合用户的使用需求。参考文献：1 中铁二院工程集团有限责任公司.凤凰磁浮文化旅游项目一期工程可行性研究R.成都：2018.2 中铁二院工程集团有限责任公司.凤凰磁浮文化旅游项目一期工程初步设计Z.2019.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ/T 2562016中低速磁浮交通供电技术规范S.北京：中国建筑工业出版社，2016.4 中铁二院工程集团有限责任公司.凤凰磁浮文化旅游项目一期工程施工图供电系统Z.2021.5 于松伟，杨兴山，韩连祥.城市轨道交通供电系统设计原理与应用M.成都：西南交通大学出版社，2008.收稿日期：2022-08-17 （上接第 48 页）3 高桥健彦.图解接地技术M.马杰，译.北京：科学出版社，2011.4 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.GB 501682018 电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范S.北京：中国计划出版社，2018.5 国家铁路局.TB 100092016 铁路电力牵引供电设计规范S.北京：中国铁道出版社，2016.6 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB/T 500642014 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范S.北京：中国计划出版社，2014.7 中国铁路总公司.TG/GD 1242015 高速铁路接触网运行维修规则S.北京：中国铁道出版社，2016.8 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.GB 502172018 电力工程电缆设计标准S.北京：中国计划出版社，2018.9 中国铁路总公司.铁总工电2018138 号 牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见S.2018.10 中国铁路总公司.铁运供设备函2017 240 号 牵引变电所综合应急保护装置技术方案S.2017.收稿日期：2022-12-20