关键词：接触网；融冰；直流；MMC 

Abstract: In this paper, according to the characteristics of the catenary structure of urban rail, the ice melting technology of catenary is studied. The technology and methods of ice melting and anti-icing for transmission lines at home and abroad are introduced. In order to minimize the impact of ice disasters on catenary operations, this paper uses the MMC-based catenary ice melting system to quickly melt the urban rail catenary, and gives specific melting ice strategy for the Huangnichuan Station of Dalian Express Rail Line 12, calculations show that the ice can be melted quickly within two hours. Finally, using MATLAB to carry out simulation analysis to prove the feasibility of the scheme.

Key words: Catenary; Ice-melting; DC; MMC.

1  引言

21世纪以来，具有安全、快捷、环保、节能等特征的城市轨道交通受到越来越多城市的青睐，发展地铁、轻轨等城市轨道交通已经成为解决道路拥堵问题和促进城市经济发展的有效手段。在新型城镇化快速推进和城市优先发展公共交通的大形势下，中国城轨交通的发展呈现出世界范围罕有的速度和规模^[1]。

电力系统是国家建设的基础，是国民经济的命脉，现代社会要求电网提供优质可靠的电力供应。然而，近年来的各种灾害气候给电力系统的安全稳定运行带来了严重影响，其中，冰灾是电力系统最严重的灾害之一。接触网是铁路电气化工程的主构架，是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的一种特殊形式的输电线路，接触网一旦结冰将对电力机车的运行带来极大的影响。接触网受天气状况的影响，并不经常是大面积的电气化铁路有覆冰灾害，而是局部地区的接触网线易结冰，例如在冷热气流交替的车站出口处或者隧道口等特殊位置处气温通常在0~-5度，容易形成覆冰。由于电力机车是间歇性负荷，白天机车经过时有电流流经接触网，并且受电弓刷过导线时产生振动，致使很难在接触网上结冰；然而，在接触网电流间断特别是夜间无机车通过时，接触线上极易结冰，不及时清除覆冰会影响电力机车的正常运行。为减轻线路运营管理部门的负担，有必要解决接触网线结冰的问题^[2]。

2  研究现状

根据相关文献，几年来，国内外学者对输电线路的防冰及融冰方法研究较多，提出的防融冰方法不计其数，主要可划分为人工除冰法，化学药剂法，接触网热滑法以及电流热力除冰法^[3-4]。

（1） 人工除冰法

人工除冰法指的是使用特制除冰器具敲击线路结冰区域，击碎或击落覆冰以达到除冰效果。该方法费时费力、效率低、除冰范围有限，因此并非首选。

（2） 接触网热滑法

接触网热滑法是在列车运营前1-2小时，工作人员对线路进行巡视，若需要除冰，则启动机车以惰行的方式缓慢运行，使受电弓与线路摩擦，从而使覆冰融化。该方法用受电弓刮除覆冰，对受电弓和接触线的寿命影响很大^[5]。

（3） 化学药剂法

化学药剂法是在导线表面涂抹防覆冰涂料，从而抑制或缓解输电线路表面覆冰的形成和增长。但受电弓和接触性频繁摩擦，药剂容易脱落，可能对环境造成污染，或者影响线路绝缘等。

（4） 电流热力除冰法

就国内外目前的技术水平来看，交流短路融冰法与直流电流融冰法是面向电网最为成熟可行的2种融冰手段^[6-7]在确定的气候条件下，覆冰导线的总直流阻抗决定了直流融冰所需的电源容量，与交流融冰相比，所需容量显著减少，而且直流融冰在技术上比较容易实现零起升流和升压，近年来正逐渐成为覆冰线路融冰方案的首选^[8]。直流融冰方式需要外加一个直流电源送直流电流到覆冰线路，这样的直流电源可以通过多种电路拓扑和技术路线来实现，本文利用基于一种模块化多电平换流器（MMC）的接触网直流融冰设计方案，及时融化线路上的覆冰。

3  融冰计算

接触网直流融冰的基本原理是将覆冰线路作为负载，施加直流电源，当接触网上的电流（即融冰电流）通过接触网导线电阻产生的热量大于散热量和融冰热量之和时，覆冰融化。因此融冰电流的选取原则就是使通过覆冰接触网的电流大于最小融冰电流并且小于最大融冰电流^[9]，最后根据融冰电流和融冰时间的关系特性以及融冰电源容量等因素，综合确定合适的融冰电流，在确保覆冰融化的同时要尽量减少能量损耗、缩短融冰时间。现根据目前常用的布尔斯道尔夫融冰理论展开接触网融冰计算^[10]。

融冰电流指线路覆冰后，在相应的环境温度、风速和给定的融冰时间等条件下，使导线覆冰融化所需的电流，且假设条件是导线覆冰为圆柱形均匀分布的冰体，该电流与时间的关系公式为：

图1  融冰电流与时间的关系

从图1中可以看出：融冰时间随融冰电流的增大而减小，但趋势渐缓；融冰电流值很小时融冰时间很长，因此融冰电流取值不宜过小；融冰电流大到一定值后，融冰时间减小的趋势放缓，且电流过大还可能使导线发热严重而熔断，因此融冰电流取值也不宜过大。所以融冰时应考虑融冰时间与融冰电流的关系选取合适的电流，提高融冰效率。

4  MMC及其原理

MMC（模块化多电平换流器）本质上是一种电压源换流器，通过子模块的投切状态组合形成所需的输出电压，由于采用IGBT等全控器件，基于MMC的直流融冰装置控制策略更加灵活，更容易的实现功能切换，可连续调节输出电流及输出电压，可实现不同距离的融冰，且由于多电平的结构，可控制谐波在一个比较低的水平，降低了电力电子器件的开关损耗，提高了换流器的工作效率^[11]。电路拓扑结果如图2所示。

图2  MMC拓扑结构

MMC采用全控型电力电子器件，并且其为电压源型换流器，通过换流器中子模块的投切，进而控制换流器输出多电平电压及上下桥臂间稳定的直流电压。使得MMC换流器除了可以维持子模块电容电压稳定外，还可以在无需滤波器的情况下，实现对直流电压和电流的平稳控制^[12]。子模块最大的特点在于其可在任意桥臂电流方向下负电平输出，体现了很强的控制灵活度，且具有正、负、零三种电平的输出，使得其应用场合更广。子模块结构如图3所示。

图3  子模块结构

在一定的环境条件下，直流融冰所需要的电源容量只取决于融冰线路的直流电阻和导线长度^[13]。为了使所设计直流融冰装置更具工程实际意义，装置必须能够实现输出直流电压连续可调，能够降压运行以适应不同电压等级融冰线路的融冰。而且又因为每个子模块输出电压可以在正、零、负的子模块电容电压之间灵活切换。因此可以通过一定的控制规律，通过调节每个桥臂投入的子模块数目，进而使得换流器直流侧电压可以在额定值与零之间连续大范围可调。

5  融冰方案

本文针对大连快轨12号线黄泥川站覆冰区域提出一种基于MMC的接触网直流融冰设计方案，采用交流电源以及MMC在覆冰区域精准融冰。为了更直观的得到全桥型MMC直流融冰装置的数学模型，可研究其基于d-q坐标系的数学模型。因为全桥型MMC直流融冰装置为单端MMC，所以可用单端MMC为例进行推导，如图4所示，系统由一个基于全桥型MMC结构的电压源型换流器构成。

图4  单端MMC数学模型

分析可知，直流侧输出电压能够宽范围连续调节，利用高灵活性的子模块通过一定的调制规律，能够实现直流电压在额定值与零之间连续调节^[14]。

现有的MMC控制策略多为层次化电压控制策略^[15]，通常为三层控制：单相桥臂总电压控制、桥臂之间电容电压均衡控制以及桥臂内子模块电容电压均衡控制。MMC系统在d-q同步坐标系下可分解成2个互相耦合的子系统^[16]，通过控制同步坐标d、q轴的电流来控制有功功率P和无功功率Q。MMC的控制从结构上可分为内环控制和外环控制，内环控制解决电流的快速跟踪控制问题，外环控制用于确定参考值的大小。由于d、q轴变量互相耦合，因此电流内环采用前馈解耦控制策略^[17]。控制器设计为PI调节器。MMC外环控制器一般采用直流电压或有功功率控制器。本文中的控制器采用无功功率控制器和直流电压控制器，可以精确控制换流器工作。运行状态仿真验证如图5所示。

图5  额定运行仿真波形

图5中，阶段A为直流融冰装置的软启动阶段，此阶段所有的功率器件闭锁，对换流器进行预充电。阶段B为子模块电容电压控制阶段，本文采用定子模块电容电压控制，为了避免在软启动结束瞬间，大量子模块投入所造成的交流侧充电电流过大，所以对电压进行斜率控制，使其按照一定的斜率上升至额定值。阶段C为零起升压/升流阶段，在此阶段通过本文设计的控制策略，使和按照一定的斜率平滑地从0上升至额定值。阶段D为稳态运行阶段，在完成零起升压/升流之后，全桥型MMC直流融冰装置进入稳态运行阶段。

图5中最后一个仿真波形是在全桥型MMC直流融冰装置软启动和“零起升压/升流”过程中上下桥臂等效导通子模块数目的变化规律，可见通过采取本文提出的定子模块电容电压控制方法，可在子模块电容电压充电达到额定值之后，达到如图所示的控制效果，使得在启动过程中逐渐增加，很好地实现“零起升压/升流”。

6  结论

本文为了实现直流融冰，提出了全桥型MMC应用于直流融冰装置时的融冰方案，以实现直流电压连续宽范围调节。基于MMC的直流融冰装置相比传统直流融冰装置具有其独特的技术优势。

（1）分析了现行几种融冰策略，比较几种方法，最后提出进行直流融冰的必要性。

（2）利用经验公式计算了融冰电流与时间的关系，结果显示，可以根据大连快轨12号线黄泥川站现场紧急情况选取融冰电流，可在规定时间内融化线路上的覆冰，分析了全桥型MMC及其子模块的工作原理和数学模型。

（3）提出了基于MMC的直流融冰设计方案以及控制策略，进行仿真证明方案可以有效进行。

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作者简介：

董林峰（1995-），男；汉族，硕士研究生，研究方向为：电力系统及其自动化