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2021年2月城市轨道交通双向变流式牵引供电系统的应用研究黄焕隆（南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁530000）【摘要】针对当下越来越常见的城市轨道交通,本文在简述既有牵引供电系统优缺点的基础上,提出双向变流系统构成和优势所在,并对其在牵引供电系统中的实际应用进行深入分析,最后经试验得出该装置的应用能在满足各项使用功能要求的基础上节省大量能量的结论,旨在为城市轨道交通牵引供电系统设计和使用提供可靠参考借鉴。
【关键词】轨道交通;牵引供电;双向变流装置;节能降耗【中图分类号】U223【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2021）02-0333-02城市轨道交通以其速度快、运输能力强、噪声小、安全性高、乘坐舒适性好和节能环保等特点优势逐渐在我国各大城市得到广泛应用，成为解决日益加重的交通拥堵问题的有效举措。
就目前来看，大多数城市轨道交通都将二极管整流器作为直流牵引供电系统，在这种情况下，因能量传输只能实现单向流动，且无法控制输出特性，导致车辆制动后产生的能量被制动电阻大量消耗，这样除了会造成能量严重浪费，还会引发其他能耗问题，如隧道环境温度急剧升高，导致环控系统承担高负荷。
因此，针对这部分能量回收与再利用问题，是现阶段相关技术人员研究的重点。
在牵引供电系统中使用双向变流装置，能够在逆变状态下，使再生制动能量进入交流电网，避免直接被制动电阻消耗，以此实现节能降耗的目标；而在整流状态下，能够为车辆提供牵引所需的能量，使直流网压保持稳定。
同时，还能实现无功补偿，对中压电网实施无功补偿，起到提高功率因数的作用。
1牵引供电系统城市轨道交通直流牵引供电系统包括变电所与接触网，负责为车辆输送电能。
在该系统中，主要采用的是整流机组，虽具有成本低和使用成熟的优势，但存在以下缺点：①能量浪费问题比较严重。
该机组仅可以为车辆提供基本能量，再生制动能量将被制动电阻完全消耗，导致能量被严重浪费，并引发隧道环境温度大幅升高，环控系统产生二次耗能的状况；②直流输出电压产生较大波动。
城市轨道交通供电系统详解第一章电力牵引供电系统综述一、电力牵引的制式对牵引列车的电动车辆或电力机车特性的基本要求:1、起动加速性能要求起动加速力大而且平稳, 即恒定的大的起动力矩, 便于列车快速平稳起动。
2、动力设备容量利用对列车的主要动力设备——牵引电动机的基本性能要求为, 列车轻载时, 运行速度可以高一些, 而列车重载时运行速度可以低一些。
这样无论列车重载或轻载都可以达到牵引电动机容量的充分利用, 因为列车的牵引力与运行速度的乘积为其功率容量,这时近于常数。
3、调速性能列车运输,特别是旅客运输,要求有不同的运行速度,即调速。
在调速过程中既要达到变速, 还要尽可能经济, 不要有太大的能量损耗, 同时还希望容易实现调速。
低频单相交流制是交流供电方式, 交流电可以通过变压器升降压, 因此可以升高供电系统的电压, 到了列车以后再经车上的变压器将电压降低到适合牵引电动机应用的电压等级。
由于早期整流技术的关系, 这种制式采用的牵引电动机在原理上与直流串激电动机相似的单相交流整流子电动机。
这种电动机存在着整流换向问题,其困难程度随电源频率的升高而增大,因此采用了“低频”单相交流制,它的供电频率和电压有 25 HZ、 6.5~11 kV和 1632HZ 、 12~15 kV等类型。
由于用了低频电源使供电系统复杂化, 需由专用低频电厂供电, 或由变频电站将国家统一工频电源转变成低频电源再送出, 因此没有得到广泛应用, 只在少量国家的工矿或干线上应用。
“工频单相交流制” 。
这种制式既保留了交流制可以升高供电电压的长处, 又仍旧采用直流串激电动机作为牵引电动机的优点, 在电力机车上装设降压变压器和大功率整流设备, 它们将高压电源降压, 再整流成适合直流牵引电动机应用的低压直流电, 电动机的调压调速可以通过改变降压变压器的抽头或可控制整流装置电压来达到。
工频单相交流制是当前世界各国干线电气化铁路应用较普遍的牵引供电制式。
双向直流变换器简介二○一四年八月1 技术参数a产品名称：双向直流变换器。
b额定功率：10kW。
c额定直流母线电压：800V；额定低压端电压：320V。
d额定电流：35A。
e过载能力：300%。
f效率：96%（额定点）。
g精度：电流控制相对精度：1%；电压控制相对精度：0.5%；温度测量精度：1℃。
h电压波动：直流母线稳态电压波动小于10V；低压端电压波动小于2V。
i响应时间：起动时间小于7s，直流母线突加载10kW的恢复时间小于500ms，直流母线突卸载10kW的恢复时间小于1s。
j噪声：60dB（距离1m处）。
k环境条件：环境温度: -20℃~+55℃相对湿度：室内≤95%（25℃），无凝露。
l散热方式：风冷。
m外形：体积450mm*420mm*250mm（长*宽*高）；重量30kg。
n保护功能电压保护：直流母线电压过压欠压保护、低压端过压欠压保护；电流保护：过流保护；通讯保护：通讯故障保护；过热保护：自身热保护。
o附加功能稳态调节、动态调节等适应不同场合的放电管理体系；多工作模式选择功能：根据工况可以选择待机模式、升压模式（即直流母线模式）、降压模式（即低压模式）；蓄电池管理功能；数据记录、存储、备份功能。
2 接口a输入输出接口：直流母线电压：800V；低压端电压：320V；（两端电压可调节：直流母线±20V，低压端±20V）。
b通讯接口：CAN通讯接口（可选配485、以太网接口）；c供电接口：具备13.5V/100W的对外供电能力；d温度测量接口：具备对外的温度测量能力。
3 原理简介双向直流变换器的拓扑结构如图所示，其中LA、LB、LC为三路的储能电感，S1~S6以及D1~D6为智能功率模块IPM，Cu、Cb为滤波电容。
通过微处理器实现能量从低压侧到直流母线的升压功能和从直流母线到低压侧的降压功能。
4技术先进性a采用互补PWM控制技术，根据需要可进行实时的能量双向流动，避免了轻载时的电流断续现象，增强了控制系统的设计可靠性；b功率电路采用半交错并联技术的三重化设计方案，既提高了等效频率，又兼顾了可靠性；c包含预充电设计，避免电压过冲，增强器件安全性；d采用高频功率电抗器设计，实现产品的低噪声、低温升。
城市轨道交通双向变流式牵引供电系统分析发布时间：2021-01-12T03:58:33.385Z 来源：《河南电力》2020年8期作者：罗海[导读] 基于城市化进程不断加快，城市交通负荷逐渐加大，提高城市轨道交通运行效率，可缓解城市交通压力。
本文主要探究的是城市轨道交通双向变流式牵引供电系统应用情况，并就双向交流器在牵引供电系统中的应用原理进行分析，以期提升列车制动性能，提高资源利用率。
罗海（成都交大许继电气有限责任公司四川成都 611731）摘要：基于城市化进程不断加快，城市交通负荷逐渐加大，提高城市轨道交通运行效率，可缓解城市交通压力。
本文主要探究的是城市轨道交通双向变流式牵引供电系统应用情况，并就双向交流器在牵引供电系统中的应用原理进行分析，以期提升列车制动性能，提高资源利用率。
关键词：城市；轨道交通；双向变流器；供电系统引言：城市轨道交通牵引系统具有多种功能优势，系统开发者在传统牵引式供电系统基础上加以改进，采用增加列车制动能量吸收装置方案，在全控电力电子器件支持下，组成全控的整流装置，优化了系统装置性能，大大提高列车运行效率。
因此，基于早期牵引供电系统性能制动过程中，能源消耗较大，相关研究人员认为有必要就双向变流牵引供电系统展开全面的。
一、双向变流器工作原理及特点（一）工作原理双向变流器（结构图如图1）是四象限的PWM整流器，支持功率变换的一种装置，控制策略主要依据双向变流器元件等进行操作，装置自身具有整流功能及逆变功能，并在PWM整流器支撑下，实现对传输能量大小、能量方向的调控，功能优势显著。
轨道列车取流过程中，双向变流器能量经由交流系统传输到直流系统中；列车进行制动，无需牵引取流的情况下，双向变流器传输能量经由直流系统传回交流系统中，实现能量双向传输目标。
图1 双向变流器装置结构图（二）特点双向变流器装置在传统装置设计基础上加以优化和改进，具有整流、逆变双向传输功能，装置在任何一种工作状态下，直流网压始终处于稳定状态下，即便在峰值功率输出以及列车制动过程产生能量时，稳定直流电压值，保证列车制动运行的安全性和可靠性，不断为牵引供电系统稳定、持续供电，保证列车正常运行。
双向变流器在城市轨道交通中的应用浅析作者：郭洪斌来源：《科学与信息化》2019年第03期摘要目前城市建设规划中，轨道交通建设工程项目的开展实施，具有极其重要的现实效用，其不仅有助于满足城市民众的出行需求，而且对整个社会经济发展有着极其重要的实际价值。
牵引供电用电量在城市轨道交通总用电量中约占50%左右，其中再生能量的利用是关键技术。
双向变流器既能稳定直流网压，又可以反馈能量给交流电网，在城市轨道交通中的应用具有极其重要的现实价值。
本文结合现代轨道交通发展状况，基于双向变流器的原理阐述，对其在城市轨道交通中的具体应用进行相应的分析探究，极具现实价值。
关键词双向变流器；再生制动；无功补偿；城市轨道交通1 浅析双向变流器的作业原理及应用优势1.1 浅析双向变流器的工作原理双向变流器是一种基于大功率全控变流技术的电力电子变换器，变换器调制策略采用空间矢量调制技术（SVPWM），能有效利用列车制动能量，稳定直流母线电压。
联系实际工程项目情况可知，在双向变流器的交流侧，中压交流电网（10/35kV）通过变压器与设备连接；在双向变流器的直流侧（750/1500V）通过直流开关柜与设备连接。
大功率双向变流器工作原理为：当双向变流器投入运行后，双向变流器依据直流电压设定值建立起稳定的直流电压。
控制系统实时检测直流母线电压数据，在列车启动时，双向变流器检测到直流电压变化并实时调整控制算法，设备从电网获取能量，通过大功率PWM可控整流技术，获取稳定的直流能量为列车启动提供能量；在列车制动时，双向变流器检测到直流电压变化并实施调整控制算法，设备从直流母线获取能量，通过大功率逆变回馈技术，快速将列车再生制动产生的直流能量逆变回馈至交流电网。
在列车工况变化时，双向变流器通过内部控制算法快速调整，能实现无缝切换，可以实时稳定直流电压，避免了直流母线的大幅度波动。
1.2 浅析双向变流器的应用优势现代社会发展形势下，在城市轨道交通工程项目开展实施的过程中，二极管整流模式逐渐成为牵引供电系统的重要组成，这一整流模式的应用虽然具有功率大和成本低等多种优势，但同时也存在无法处理回馈的制动能量以及元器件负荷量与电压同比增加等运行缺陷，加大了工程造价成本，增加了不必要的维护设备举措。
地铁emcs名词解释地铁EMCS（Electrical Multiple Unit Control System）是地铁车辆中的一种电力传动与控制系统。
它的作用是控制车辆的速度、加减速、制动等运行参数，确保地铁运行的安全、高效和舒适。
地铁EMCS通过电气信号控制车辆的牵引及制动系统，实现对车辆的精确控制，提高地铁列车的运行效能和减小能耗。
在地铁EMCS中，包含了多个关键组件和功能模块，下面将对这些术语和模块进行详细解释。
1. 牵引变流器：牵引变流器是地铁EMCS系统的核心设备之一，它将输入的高压直流电源通过电力变换装置转换为三相交流电，供给电动机。
牵引变流器能够根据车辆运行状态和控制信号，精确地控制电机的转速和扭矩，实现列车的精确牵引。
2. 制动系统：地铁EMCS的制动系统主要由电气制动和机械制动两部分组成。
电气制动通过调整电机的输出扭矩来减速或停车，实现列车的平稳制动。
机械制动则是在电气制动无法满足要求的情况下，通过摩擦制动盘和制动鞋来提供额外的制动力。
3. 速度控制系统：地铁EMCS中的速度控制系统负责监控和控制列车的速度。
它通过传感器实时监测车辆当前的速度，并与目标速度进行比较，根据差异调整牵引或制动的力度，确保列车稳定地行驶在预定的速度范围内。
4. 路网监测系统：地铁EMCS中的路网监测系统通过传感器和数据采集装置实时获取地铁轨道和相关设备的运行状况。
通过监测轨道的受力、温度和振动等参数，系统能够判断轨道是否存在异常，预警可能的故障，并及时采取措施，确保地铁运营的安全性和可靠性。
5. 通信系统：地铁EMCS系统中的通信系统起到了车辆与控制中心之间的信息传递和交互的作用。
通过无线通信网络传递实时的运行参数、车辆状态和故障信息，使得中控室能够远程监控和管理车辆的运行。
6. 故障诊断系统：地铁EMCS中的故障诊断系统能够通过实时监测和分析车辆的运行数据，快速判断和定位故障原因，并发出警报。
这样能够帮助维修人员及时处理故障，减少维修时间，提高车辆的可用性和运行效率。
双向变流器在轨道交通牵引供电系统的应用研究发布时间：2021-01-12T11:21:19.037Z 来源：《基层建设》2020年第25期作者：张智虹[导读] 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。
中铁十二局集团电气化工程有限公司天津市 300300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。
地铁双向变流器输入电压范围-概述说明以及解释
1.引言
1.1 概述
地铁双向变流器是地铁系统中的重要组成部分，其作用是将电能转换为适合地铁列车驱动电机的直流电能。
在地铁系统中，输入电压范围的合理设定对地铁运行的稳定性和效率起着至关重要的作用。
本文将重点讨论地铁双向变流器输入电压范围的重要性，以及输入电压范围对地铁系统的影响。
通过对这些问题的深入探讨，可以为地铁系统的设计和运行提供更有效的指导。
1.2 文章结构:
本文主要包括以下几个部分:
1. 引言：介绍地铁双向变流器输入电压范围问题的背景和意义，概述文章内容，并明确研究目的。
2. 正文：分为三个小节，分别讨论地铁双向变流器的作用、输入电压范围的重要性以及输入电压范围对地铁系统的影响。
3. 结论：总结地铁双向变流器输入电压范围的重要性，提出建议与展望，并做最终的结论。
1.3 目的
地铁双向变流器是地铁系统中非常重要的组成部分，其输入电压范围的确定对于地铁系统的正常运行具有至关重要的意义。
本文旨在深入探讨地铁双向变流器输入电压范围的重要性，并分析这一参数对地铁系统的各方面性能和安全性的影响。
通过对输入电压范围的研究，可以为地铁系统的设计、运行和维护提供科学依据，从而确保地铁运营的稳定和可靠性。
同时，本文也旨在为未来地铁双向变流器的研发和改进提供一定的参考和建议。
通过本文的研究，我们可以更好地认识和理解地铁双向变流器输入电压范围的重要性，为地铁系统的发展做出贡献。
2.正文
2.1 地铁双向变流器的作用
地铁双向变流器是地铁系统中的重要组件，它的主要作用是将交流电源转换为直流电源，以供给地铁车辆的牵引系统和辅助设备使用。
在地铁系统中，地铁双向变流器具有至关重要的作用，可以有效控制牵引电机的转速和输出功率，实现地铁车辆的平稳启动和制动。
另外，地铁双向变流器还可以实现能量回馈和再生利用，将制动过程中产生的能量回馈到电网中，减少能源的浪费，提高地铁系统的能效。
总的来说，地铁双向变流器的作用是实现地铁系统的电能转换和控制，保障地铁系统的正常运行和高效运行。
其稳定可靠的工作状态直接影响到地铁系统的安全性和运行效率。
因此，对地铁双向变流器的输入电压范围进行合理的设计和调节至关重要。
2.2 输入电压范围的重要性
地铁双向变流器是地铁系统中的一个重要组成部分，它主要用于将地铁车辆上的直流电转换为交流电供给给牵引电机，并可以将制动能量回馈到供电系统中。
而输入电压范围则是决定地铁双向变流器正常运行的一个重要参数。
首先，输入电压范围直接影响到地铁双向变流器的工作效率和稳定性。
如果输入电压过高或过低，都会导致变流器无法正常工作，甚至可能损坏设备。
因此，确保输入电压在合适的范围内是保证地铁双向变流器正常运行的基础。
其次，输入电压范围也影响到地铁系统的整体性能和安全性。
地铁双向变流器的正常工作直接关系到地铁列车的牵引和制动性能，如果变流器因为输入电压问题无法正常工作，将会影响到整个地铁系统的正常运行。
此外，不稳定的输入电压也可能引发电力系统的故障，给地铁系统带来不必要的风险。
综上所述，输入电压范围的重要性在于它不仅关系到地铁双向变流器的正常运行，还关系到整个地铁系统的性能和安全。
因此，为地铁双向变流器设定合适的输入电压范围，是确保地铁系统高效、稳定运行的重要保障。
2.3 输入电压范围对地铁系统的影响
地铁系统的稳定运行和安全性直接受到双向变流器输入电压范围的影响。
当输入电压超出了允许范围，可能会导致以下几个方面的影响：
1. 系统失效：如果输入电压过高或过低，可能会导致双向变流器无法正常工作，从而造成地铁系统的部分或全部失效。
这将直接影响地铁列车的运行，乘客的安全和舒适性将受到威胁。
2. 设备损坏：输入电压超出范围可能会引起双向变流器内部元件的损坏。
这些损坏不仅会影响地铁系统的正常运行，还会增加系统维护和修复的成本。
此外，设备损坏还可能导致设备停机时间的增加，进而影响地铁系统的运行效率。
3. 安全隐患：输入电压异常还可能引发电气火灾等安全隐患。
由于地铁系统内部设备繁多且环境封闭，一旦发生火灾，可能会造成严重的人员伤亡和财产损失。
综上所述，输入电压范围对地铁系统的影响非常重要。
为确保地铁系统的安全稳定运行，必须严格控制双向变流器的输入电压范围，定期检测和维护系统，确保设备正常运行。
同时，也需要加强对电气设备的监控和管理，提高地铁系统的安全性和可靠性。
3.结论
3.1 总结地铁双向变流器输入电压范围的重要性
地铁双向变流器的输入电压范围的重要性不言而喻。
这个范围的选择直接影响着变流器的工作效率和稳定性。
如果输入电压范围选择不当，可能会导致变流器无法正常工作，甚至损坏设备。
在地铁系统中，变流器承担着将直流电转换为交流电的重要作用。
而地铁系统运行环境的复杂性，要求变流器能够稳定可靠地工作。
因此，对输入电压范围进行科学合理的选择，对于确保地铁系统的正常运行至关重要。
另外，合理选择输入电压范围还可以提高地铁系统的能效和电能利用率，减少能源消耗，降低运行成本，符合节能减排的国家政策要求。
因此，地铁双向变流器输入电压范围的重要性不仅仅关系到设备的运行安全性，更是关系到整个地铁系统的运行效率和社会经济效益。
相信在未来的发展中，地铁系统输入电压范围的合理选择将得到更加重视和深入研究。
3.2 建议和展望：
在地铁双向变流器输入电压范围的研究和应用中，我们应该不断探索新的技术和方法，以提高系统的稳定性和效率。
首先，我们建议在设计和生产过程中，加强对输入电压范围的测试和监控，确保其在设计范围内稳定运行。
其次，应该注重对输入电压范围的变化趋势进行深入研究，以适应未来城市电网的变化和需求。
另外，也需要加强与相关领域专家和企业的合作，共同探讨如何更好地优化地铁双向变流器的输入电压范围，以实现更高效的能源利用和系统运行。
展望未来，随着地铁系统的不断发展和更新，地铁双向变流器输入电压范围的研究也将不断深化和扩展。
我们期待通过技术的不断创新和完善，实现地铁系统的智能化和节能化，为城市交通运输提供更加稳定和高效的服务。
同时，希望地铁双向变流器输入电压范围的研究成果能够得到广泛应用，推动地铁行业的可持续发展，为城市交通运输和环境保护作出更大的贡献。
3.3 结论
地铁双向变流器的输入电压范围对地铁系统的正常运行起着至关重要的作用。
通过对输入电压范围进行合理设定和控制，可以确保地铁系统在不同的电压条件下都能够稳定运行，提高系统的可靠性和安全性。
同时，根据实际情况对输入电压范围进行适当的调整，还可以提升系统的性能和效率。
在今后的地铁系统设计和运行中，应当充分重视地铁双向变流器输入电压范围的调整和控制，确保系统在各种电压条件下都能够正常运行。
同时，需要定期对地铁系统进行电压范围的监测和调整，以确保系统的稳定性和可靠性。
通过不断优化和改进地铁双向变流器的输入电压范围，可以为地铁系统的安全运行和发展提供技术支持和保障。
