中壓能饋逆變裝置在軌道交通中的應(yīng)用

1、中壓能饋逆變裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用王會豐 劉恒摘要：通過對再生制動能量的分析及再生制動能量吸收裝置的對比介紹， 得出逆變回饋式裝置是當(dāng)前解決列車再生制動能量問題的較優(yōu)措施。給出了中壓能饋逆變裝置在北京地鐵15號線供電工程的設(shè)計方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗和應(yīng)用效果分析。關(guān)鍵詞：軌道交通 再生能量 逆變回饋 節(jié)能減排 1 引言目前城市軌道交通普遍采用交流傳動即VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency）動車組列車，其制動一般為電制動(即再生制動、電阻制動)和空氣制動兩級。在車輛高速運行時，使用再生制動和電阻制動，當(dāng)減速到電制動不起作用時，使用空氣制動。

2、列車在運行過程中，由于站間距較短，列車啟動、制動頻繁，制動能量相當(dāng)可觀，可以達(dá)到牽引能量的40以上，部分再生制動能量（一般為20%80%，根據(jù)列車運行密度和區(qū)間距離的不同而異）可以被線路上同一供電區(qū)段相鄰車輛和本車輔助系統(tǒng)吸收，剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當(dāng)列車發(fā)車密度較低時，再生能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。資料表明，當(dāng)列車發(fā)車間隔大于10 min時，再生制動能量被吸收的概率幾乎為零，此時絕大部分制動能量將被再生能量吸收裝置吸收，變成熱能并向四外散發(fā)，這不僅浪費能量，而且也增加了站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)，并使建設(shè)費用和運行費用增加。如能將這部

3、分能量儲存再利用，這些問題將迎刃而解。2 再生制動能量吸收裝置的類型和特點目前，國內(nèi)外再生制動能量吸收裝置主要有電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型等4種。2.1電阻耗能型電阻耗能型是在變電所設(shè)置一套電阻吸收裝置，將列車的再生制動能量消耗掉，從而抑制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的飆升。該裝置的優(yōu)點：控制簡單，可以取消 (或減少)列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；對降低隧道溫度、減少閘瓦的消耗和制動粉塵、凈化隧道環(huán)境比較有效，而且國內(nèi)有比較成熟的產(chǎn)品制造經(jīng)驗，價格也較低。該裝置的缺點：再生制動能量消耗在吸收電阻上集中發(fā)熱消耗， 對再生電能不能有效利用；電阻散熱也導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，因此當(dāng)該

4、裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，設(shè)備房間也必須采取措施保證有足夠的通風(fēng)量。從發(fā)展的角度，它不代表再生電能吸收技術(shù)的方向。2.2電容儲能型電容儲能吸收裝置是用超級電容將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。電容儲能吸收裝置的技術(shù)原理較佳，但國內(nèi)企業(yè)暫無生產(chǎn)供貨能力，進(jìn)口設(shè)備不成熟，技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成本高，在馬德里、法蘭克福軌道交通有應(yīng)用，國內(nèi)尚無成功的工程應(yīng)用實例。北京地鐵5號線曾設(shè)置了4套電容儲能吸收裝置，但一直未投入運行。2.3飛輪儲能型 飛輪儲能型的基本原理與電容儲能型一樣，吸收裝置是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引

5、時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。飛輪儲能吸收裝置的技術(shù)原理也較佳，但國內(nèi)企業(yè)暫無生產(chǎn)供貨能力，進(jìn)口設(shè)備不成熟，技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成本高，在紐約、香港地鐵有應(yīng)用，但國內(nèi)尚無成功的工程應(yīng)用實例。2.4 逆變回饋型能量逆變回饋裝置是利用電力電子變流器，將列車制動能量逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞伒浇涣麟娋W(wǎng)，供其他設(shè)備再利用。該裝置充分利用了列車再生制動能量，提高了再生能量的利用率，節(jié)能效果好，并可減少列車制動電阻的容量；其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲能元件，也不要吸收電阻；對環(huán)境溫度影響小，在大功率室內(nèi)安裝的情況下多采用此方案。根據(jù)交流電網(wǎng)的電壓等級，能量逆變型又分為中壓逆變型(35kV 或10kV

6、)和低壓逆變型(380V)，中壓電網(wǎng)容量更大、更穩(wěn)定，對于能量的流動和分配利用更有利。國外已有批量生產(chǎn)的能饋逆變裝置，其中以歐美和日本的產(chǎn)品技術(shù)較為成熟。國內(nèi)在地鐵運營中應(yīng)用再生能量回饋技術(shù)尚屬起步階段，在重慶地鐵、北京地鐵十號線二期、北京地鐵15號線進(jìn)行了有限投入。3 能饋逆變裝置3.1 能饋逆變裝置原理能饋逆變裝置是將地鐵車輛進(jìn)站制動時產(chǎn)生的直流電能逆變成與交流電網(wǎng)同幅值、同相位交流電能的電力電子裝置，其原理圖如圖3-1所示。能饋式逆變裝置圖3-1 能饋逆變裝置示意圖能饋逆變裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該裝置的直流側(cè)與牽引變電所中的直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電

7、網(wǎng)上，當(dāng)再生制動使接觸網(wǎng)直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。3.2 中壓能饋逆變裝置湖南恒信電氣有限公司生產(chǎn)的中壓能饋逆變裝置可以實現(xiàn)上述目的，在國內(nèi)地鐵中得到了初步應(yīng)用。該中壓能饋逆變裝置包含直流控制柜一面、逆變柜若干面、升壓變壓器柜一面。逆變柜配置數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)需求吸收功率進(jìn)行設(shè)置，一般為14面，每面逆變柜包含4個NPC模塊和一個并網(wǎng)斷路器。對于1500V直流牽引系統(tǒng)每面逆變柜額定輸出功率為1500kW，對于750V直流牽引系統(tǒng)每面逆變柜額定輸出功率為750kW。3.2.1 主電路結(jié)構(gòu)圖3-2 主電路原理圖各柜體功能如下：直流控

8、制柜：直流電源隔離、預(yù)充電、NPC模塊協(xié)調(diào)控制及人機界面顯示；逆變柜： 將直流電能逆變成與電網(wǎng)電壓同幅值、同相位的交流電能；變壓器柜：將逆變柜低壓交流電能進(jìn)行升壓。3.2.2 NPC模塊原理圖圖3-3 NPC模塊原理圖列車進(jìn)站產(chǎn)生的再生直流電通過熔斷器進(jìn)入NPC模塊的直流支撐電容，三電平三相全橋?qū)⒅绷麟娔孀兂膳c電網(wǎng)同幅值、同相位的交流電。C1、C2為直流支撐電容，C3C8為IGBT吸收電容，IGBT1IGBT12與D1D4構(gòu)成三電平三相全橋、輸出電感以及電壓、電流檢測。NPC模塊功能介紹：ß 將直流電逆變成與電網(wǎng)同幅值、同相位的交流電；ß 檢測交直流測電壓、電流，并提供完善

9、的保護(hù)；ß 將檢測的各種信號量和NPC內(nèi)部狀態(tài)信號上送。3.2.3控制與通訊中壓能饋逆變裝置控制系統(tǒng)采用主控+分控方式，主控由DSP主控制器+PLC組成，多個NPC模塊采用分控方式。主控主要完成工作包括：系統(tǒng)預(yù)充電、各開關(guān)器件分合閘控制、HMI、與PSCADA通訊以及多個NPC模塊的協(xié)調(diào)控制；分控主要完成：同期并網(wǎng)、雙閉環(huán)控制、SVPWM發(fā)波、并網(wǎng)功率控制等。3.2.4系統(tǒng)保護(hù)中壓能饋逆變裝置保護(hù)包括主控系統(tǒng)保護(hù)和NPC模塊保護(hù)兩大類。主控系統(tǒng)保護(hù)定值及延時時間比NPC模塊保護(hù)定值及延時時間稍大一些，當(dāng)主控系統(tǒng)保護(hù)動作時，通常會有相應(yīng)的開關(guān)動作；NPC模塊保護(hù)時，通常只封鎖本模塊輸出

10、，故障消失后模塊可以重新投入運行。4 中壓能饋逆變裝置的應(yīng)用方案及效果分析4.1 應(yīng)用方案北京地鐵15號線西段共七個車站，在大屯路東、奧林匹克公園、六道口站等3個車站設(shè)置了電阻吸收裝置，在關(guān)莊、安立路、北沙灘、清華東路西口站等4個車站設(shè)置了中壓能饋逆變裝置，主要功能定位：穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓，吸收列車再生制動能量并回饋至中壓電網(wǎng)，節(jié)約能源。4.1.1技術(shù)方案北京地鐵15號線西段供電系統(tǒng)采用10kV開閉所供電方式，牽引網(wǎng)采用DC750V接觸軌供電，直流側(cè)空載電壓為DC823V，直流系統(tǒng)長期工作電壓波動范圍為DC500V900V，直流側(cè)再生制動時電壓不高于1200V。根據(jù)仿真計算結(jié)果，選用了HXXS-N

11、B-750/3000型中壓能饋逆變裝置，該裝置額定輸入電流為DC750V，最大輸入電流3500A，額定輸出功率3000kW，隔離變壓器低壓側(cè)額定電壓AC500V，輸出電流諧波<3%，啟動電壓值為820V950V。4.1.2接線方案中壓能饋逆變裝置的直流控制柜中的85、86電動隔離開關(guān)分別接到750V負(fù)極柜和750V饋出柜的80斷路器開關(guān)，完成中壓能饋逆變裝置與直流系統(tǒng)的輸入連接；變壓器柜中的高壓側(cè)U、V、W母排分別接到10kV開關(guān)柜H202的822斷路器的U、V、W三相，完成中壓能饋逆變裝置與10kV交流系統(tǒng)的輸出連接。4.1.3運行方式變電所正常運行時，交、直流側(cè)所有開關(guān)處于合閘位，中

12、壓能饋逆變裝置投入運行。當(dāng)中壓能饋逆變裝置內(nèi)部發(fā)生任何故障時，中壓能饋逆變裝置退出運行。當(dāng)兩套牽引整流機組中的任何一組退出運行時，中壓能饋逆變裝置不退出運行。4.2 應(yīng)用效果下文分別從靜調(diào)測試、車輛配合測試、車輛壓力測試、車輛跑圖測試這幾個階段，分別介紹中壓能饋逆變裝置的運行情況，根據(jù)現(xiàn)場實測的示波器波形及工控機記錄的數(shù)據(jù)驗證裝置對接觸軌電壓所起到的控制作用。4.2.1靜調(diào)測試靜調(diào)測試是驗證沒有列車制動時，中壓能饋逆變裝置在額定功率下能否正常運行。測試時，使用示波器觀察接觸軌電壓及中壓能饋逆變裝置變壓器低壓端的并網(wǎng)回饋電流，同時使用功率分析儀測試并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量。（1）測試儀器電壓差分探頭1

13、個、羅氏線圈2個、示波器1臺、功率分析儀1臺，具體型號及儀器作用如下表描述：序號名稱型號數(shù)量備注1電壓差分探頭Tektronix OIDP-1001測試接觸軌電壓2羅氏線圈CWT30B/4/5002測試并網(wǎng)電流3四通道示波器MSO-X 3054A1觀察電壓、電流波形4功率分析儀HIOKI 33901測試并網(wǎng)電流諧波（2）測試數(shù)據(jù)選擇關(guān)莊站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖4-1和圖4-2為中壓能饋逆變裝置進(jìn)行靜調(diào)的示波器和功率分析儀測試波形。圖4-1 系統(tǒng)滿功率運行時電壓、電流波形圖圖中藍(lán)色波形線為接觸軌電壓，平均值為754V，黃色波形線為變壓器低壓側(cè)（500V）的并網(wǎng)電流，有效值為3689A，中壓能饋系統(tǒng)回

14、饋至10kV電網(wǎng)功率為3689Ax500Vx1.732=3.195MW。圖4-2 變壓器低壓側(cè)電流諧波（3）測試結(jié)論通過波形圖可以看出，沒有列車制動時，中壓能饋逆變裝置在額定功率下能正常工作，且變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)電流諧波<3%，優(yōu)于國標(biāo)要求，接觸軌電壓波形接近一條直線，測試結(jié)果符合測試要求。4.2.2車輛配合測試車輛配合測試是驗證有車輛進(jìn)行電制動時，中壓能饋設(shè)備能否對接觸軌電壓進(jìn)行有效的控制。實際測試時，使用示波器同時監(jiān)視接觸軌電壓及并網(wǎng)電流，驗證中壓能饋逆變裝置的控制效果。（1）測試儀器電壓差分探頭1個、羅氏線圈2個、示波器1臺、功率分析儀1臺，具體型號及儀器作用如下表描述：序號名稱型號

15、數(shù)量備注1電壓差分探頭Tektronix OIDP-1001測試接觸軌電壓2羅氏線圈CWT30B/4/5002測試并網(wǎng)電流3四通道示波器MSO-X 3054A1觀察電壓、電流波形4功率分析儀HIOKI 33901測試并網(wǎng)電流諧波（2）測試數(shù)據(jù)選擇安立路站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖4-3為中壓能饋逆變裝置進(jìn)行車輛配合調(diào)試的示波器測試波形。圖4-3 車輛電制動時電壓、電流波形圖中黃色波形線為接觸軌電壓，接觸軌電壓幾乎沒有波動，最大電壓不超過855V，綠色波形線為變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)電流，波形幅度從無到有，表示列車制動開始，波形從有到無，表示列車制動完成，整個制動過程持續(xù)時間約30s。（3）測試結(jié)論從示波器數(shù)據(jù)

16、和中壓能饋逆變裝置的歷史數(shù)據(jù)可以看到，在車輛進(jìn)行電制動時，中壓能饋逆變裝置進(jìn)入吸收運行狀態(tài)，制動開始到制動結(jié)束的整個過程中，接觸軌母線電壓控制穩(wěn)定在835V左右，最大母線電壓不大于855V，符合測試預(yù)期的要求。4.2.3車輛壓力測試車輛壓力測試是驗證車輛在特殊條件下制動時，中壓能饋逆變裝置能否對接觸軌電壓進(jìn)行有效的控制。測試時，使用示波器同時監(jiān)測接觸軌電壓波形及并網(wǎng)電流，觀察在各種極限條件下中壓能饋逆變裝置的控制效果。（1）測試儀器電壓差分探頭1個、羅氏線圈1個、示波器1臺，具體型號及儀器測試作用如下表：序號名稱型號數(shù)量備注1電壓差分探頭Tektronix OIDP-1001測試接觸軌電壓2羅

17、氏線圈CWT30B/4/5001測試并網(wǎng)電流3四通道示波器MSO-X 3054A1觀察電壓、電流波形（2）測試數(shù)據(jù)下表為車輛壓力測試的內(nèi)容及測試結(jié)果。測試項目測試內(nèi)容車輛速度（km/h）接觸軌最高電壓（V）最大吸收功率(MW)設(shè)備投運情況1兩車同時進(jìn)站，同時制動408510.4304個站中壓能饋及3個站電阻消耗裝置全部投入270856.91.733385856.32.8224相同站，一車制動，一車牽引408410.967570846.52.957680840.72.9317本站一車制動，鄰站一車牽引40848.40.926870840.42.722980849.33.01010兩車同時進(jìn)站，同

18、時制動40844.60.9904個站中壓能饋裝置投入，3個站電阻消耗裝置切除1170912.13.0041280968.12.91313相同站，一車制動，一車牽引40842.40.9661470848.73.0411580848.43.16816本站一車制動，鄰站一車牽引40833.10.94017708572.72118808603.081選擇安立路站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖4-4為上表中測試項3的波形圖，圖4-5為上表中測試項12的波形圖。測試項3是在4個車站中壓能饋裝置及3個車站電阻消耗裝置全部投入情況下，兩列車同時進(jìn)站，同時制動；測試項12是在4個車站中壓能饋裝置投運，3個站電阻消耗裝置切除

19、情況下，兩列車同時進(jìn)站，同時制動。圖4-4 測試項3中的電壓、電流波形圖圖中黃色波形線為接觸軌電壓，在列車電制動時接觸軌電壓有了波動，最大電壓不超過857V，仍處于控制目標(biāo)電壓（900V）范圍內(nèi)。綠色波形線為變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)電流，峰值頂端表示已達(dá)到額定電流，系統(tǒng)滿功率運行。 圖4-5 測試項12中的電壓、電流波形圖圖中黃色波形線為接觸軌電壓，在列車電制動時接觸軌電壓有了較大波動，最大值達(dá)到968V，超出控制目標(biāo)電壓（900V），說明在該站相鄰的2站電阻消耗裝置退出時，在本站2列車輛同時制動時，中壓能饋逆變裝置已不能把制動能量完全吸收，導(dǎo)致接觸軌電壓提升，但還未達(dá)到裝置的過壓保護(hù)值1000V，因

20、此裝置正常工作。綠色波形線為變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)電流，峰值頂端表示已達(dá)到額定電流，系統(tǒng)滿功率運行。（3）測試結(jié)論從上述18個測試項的示波器測試波形及歷史數(shù)據(jù)來看，除項目11和項目12外，其他所有項目的測試中，接觸軌電壓均能控制在855V以內(nèi)，符合測試預(yù)期要求。但項目11、12是在中壓能饋站相鄰的2個車站電阻消耗裝置撤出，在70Km/h和80Km/h高速下進(jìn)行滿級制動時測試所得，由于制動能量過大，裝置無法完全吸收，導(dǎo)致接觸電壓超過控制目標(biāo)值（900V），但未達(dá)到中壓能饋逆變裝置的過壓保護(hù)值，因此裝置依然能正常工作。4.2.3 車輛跑圖測試在車輛進(jìn)行跑圖（運營測試）期間，4個站的中壓能饋逆變裝置及3個

21、站的電阻消耗裝置均已投入運行，通過分析裝置的連續(xù)5天歷史曲線數(shù)據(jù)，來判斷中壓能饋逆變裝置是否正常投入運行，接觸軌電壓是否能得到較好的控制，同時分析設(shè)備運行的最大功率、接觸軌最高電壓統(tǒng)計、節(jié)能情況。（1）測試數(shù)據(jù)圖4-6為某一日安立路站中壓能饋逆變裝置的24小時歷史曲線圖。從歷史曲線可以看到，中壓能饋逆變裝置能正常運行，在車輛制動時能正常吸收能量，接觸軌電壓穩(wěn)定。下表為安立路連續(xù)5日跑車的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，接觸軌電壓控制在控制目標(biāo)值（900V）以下，系統(tǒng)運行正常。日期時間接觸軌最高電壓（V）最大運行功率（MW）2014:12:13 00:00 23:598792.842014:12:14 00:00

22、 23:59878.92.8232014:12:15 00:00 23:59892.92.4972014:12:16 00:00 23:59873.12.6262014:12:17 00:00 23:59870.22.534（2）節(jié)能分析下表記錄了安立路站每小時中壓能饋逆變裝置回饋到10kV電網(wǎng)的電度值，從表中可以計算出當(dāng)天的回饋電度為：38335-37548=787（KWh）。日期時間中壓能饋逆變裝置回饋總電度（KWh）2014-12-17 7:30375482014-12-17 8:00375652014-12-17 9:00376082014-12-17 10:00376402014-12-17 11:00376802014-12-17 12:00377242014-12-17 13:00377792014-12-17 14:00378242014-12-17 15:00378812014-12-17 16:00379402014-12-17 17:00379992014-12