地鐵1 500 V混合型制動能量吸收裝置

余 龍

0 引言

不帶有車載制動電阻的地鐵車輛在啟動再生制動時(shí)會產(chǎn)生大量的再生電能返送到直流電網(wǎng)，如果電能不被及時(shí)吸收（包括地面裝置吸收和其他在線車輛吸收），再生能量將累積于直流供電網(wǎng)絡(luò)中，使線網(wǎng)電壓迅速上升，危害線網(wǎng)中的設(shè)備、車輛的安全和壽命，嚴(yán)重時(shí)破壞系統(tǒng)絕緣，引發(fā)故障，同時(shí)也會影響車輛再生制動功能的發(fā)揮，造成機(jī)械制動的閘瓦（或制動盤）消耗量增大。

為了解決上述問題，多年來國內(nèi)外提出并實(shí)踐了很多辦法，主要有地面電阻消耗、逆變回饋、電容儲能、飛輪儲能等。其中電阻消耗方式因設(shè)備簡單，造價(jià)低廉，技術(shù)可靠，得到了廣泛應(yīng)用，但是該方案只能通過發(fā)熱將再生能量“燒”掉，浪費(fèi)了大量電能。電容儲能和飛輪儲能方式由于核心設(shè)備技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)過于昂貴，所以工程應(yīng)用相當(dāng)少。逆變回饋方式將再生能量逆變?yōu)榻涣麟?，回饋到交流系統(tǒng)中再利用，是非常合理的再生能量處理方式，但是由于技術(shù)和造價(jià)上的原因，多年來該類裝置的研制和應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

在國內(nèi)地鐵建設(shè)方興未艾的形勢下，開發(fā)技術(shù)先進(jìn)且又造價(jià)合理的再生能量處理設(shè)備具有重要意義。

1 系統(tǒng)描述[1]

電阻+逆變混合型制動能量吸收方案是基于目前國內(nèi)外技術(shù)水平提出的一種技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新方案。該方案在保證列車再生制動可靠進(jìn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)了再生電能的回收利用，結(jié)合了電阻的可靠性和逆變的先進(jìn)性，且設(shè)備造價(jià)大幅低于純逆變型、電容型和飛輪型裝置。

當(dāng)列車再生制動時(shí)，電壓升高到需要外部設(shè)備來吸收時(shí)，電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置（以下簡稱混合型裝置）啟動。逆變器率先投入，將再生電能逆變成三相交流電并饋入車站 400 V配電網(wǎng)，由動力照明負(fù)荷利用。當(dāng)列車制動能量較大，再生能量超出逆變器容量時(shí)（表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓升高至某一限值），電阻投入，與逆變器共同吸收再生能量；當(dāng)再生能量下降至逆變器吸收范圍內(nèi)時(shí)（表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓下降到某一限值），電阻退出，仍由逆變器獨(dú)自吸收再生能量。當(dāng)線網(wǎng)電壓下降至無需外部設(shè)備吸收再生電能時(shí)，混合型裝置系統(tǒng)停止吸收。裝置根據(jù)再生能量的大小自動調(diào)節(jié)吸收電流的大小，維持線網(wǎng)電壓恒定。線路上無車輛制動或制動能量不超過吸收啟動值時(shí)，裝置不啟動。在制動能量吸收的過程中，逆變器始終工作，而電阻只是作為逆變器的功率補(bǔ)充，在逆變器達(dá)到容量最大值后才啟動，絕大部分制動能量由逆變器回饋至AC 400 V電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了大部分能量的回收。裝置功能概念圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能概念圖

2 系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)主接線

混合型裝置系統(tǒng)圖如圖2所示。該系統(tǒng)由逆變部分和電阻部分2部分組成。整個(gè)裝置通過1 500 V直流開關(guān)接入變電所直流牽引系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)主接線示意圖

混合型裝置的總?cè)萘扛鶕?jù)直流線網(wǎng)中列車運(yùn)行情況以及直流系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式計(jì)算確定，需滿足列車再生制動的要求。為了保證400 V電網(wǎng)設(shè)備的安全，逆變部分最大容量不能超過配電變壓器的容量，其余容量則由電阻來補(bǔ)充。

2.1.1 逆變部分

逆變部分主要由輸入輸出開關(guān)、逆變器及測量、控制電路、變壓器等設(shè)備組成。該部分的功能：

（1）在控制系統(tǒng)判斷直流母線上的再生能量達(dá)到限值時(shí)準(zhǔn)確投入吸收，并根據(jù)再生能量的大小調(diào)節(jié)相應(yīng)的吸收容量，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

（2）將再生電能逆變?yōu)榕c400 V電網(wǎng)的頻率、相位同步的交流電，單向流入400 V電網(wǎng)且不引起400 V母線電壓高過系統(tǒng)最高允許運(yùn)行電壓。

（3）為了逆變器與電網(wǎng)的安全，同時(shí)匹配逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓，在逆變器輸出側(cè)與400 V配電系統(tǒng)之間設(shè)置一變壓器，兼作隔離和變壓作用。

2.1.2 電阻部分

電阻部分主要由輸入開關(guān)及濾波電路、斬波電路及測量、控制電路、消耗電阻等設(shè)備組成。該部分的功能：

（1）在控制系統(tǒng)判斷直流母線上的再生能量超過逆變吸收限值時(shí)準(zhǔn)確投入吸收，并根據(jù)再生能量的大小調(diào)節(jié)相應(yīng)的吸收容量，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

（2）在正常運(yùn)行情況下，電阻部分只能在人工設(shè)定的功率范圍之上工作，作為逆變部分的補(bǔ)充，以保證制動能量最大程度地被逆變器吸收；在逆變器故障，減少吸收功率或退出的情況下，電阻部分能自動增大吸收功率的范圍，最大程度地維持線網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

2.2 控制原理

2.2.1 逆變與電阻吸收方式的切換與控制

當(dāng)車輛進(jìn)入制動工況，向直流電網(wǎng)回饋電能時(shí)，引起直流電網(wǎng)的變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)電壓以及電流的變化得出車輛處于制動工況并且直流電網(wǎng)電壓上升達(dá)到第一預(yù)設(shè)值時(shí)，首先向逆變裝置發(fā)出回饋過程開始信號，并且以該值作為逆變回饋的電壓基準(zhǔn)值，當(dāng)電壓進(jìn)一步上升時(shí)，逆變回饋裝置以實(shí)際的直流電網(wǎng)電壓與該基準(zhǔn)值的差值控制輸出電流，直到輸出電流達(dá)到逆變回饋裝置的最大容許輸出電流。此時(shí)，如果直流電網(wǎng)電壓進(jìn)一步上升并達(dá)到第二預(yù)設(shè)值，則啟動電阻吸收單元，使直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在第二預(yù)設(shè)值。隨著車輛制動過程的進(jìn)行，車輛再生制動輸出電流逐漸下降，電網(wǎng)電壓也將隨之下降，當(dāng)該電壓低于第二預(yù)設(shè)值后，電阻吸收單元退出工作，此時(shí)逆變吸收單元進(jìn)行回饋直至電網(wǎng)電壓低于第一預(yù)設(shè)值，逆變單元退出回饋過程。

2.2.2 逆變電能調(diào)制輸出控制

逆變吸收裝置的控制為電壓環(huán)與電流環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由母線信號給定裝置、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM信號生成部分、逆變單元、相電流檢測電路、同步信號生成及母線電壓采集電路組成。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測直流母線電壓值，當(dāng)電壓值高于某一設(shè)定值時(shí)，裝置投入工作。計(jì)算直流母線電壓檢測值與設(shè)定值之差，其值輸入電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行一定的控制運(yùn)算；電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的給定信號，并計(jì)算其值與檢測到的輸出電流之差，再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的控制運(yùn)算，電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出直接送給 PWM 信號生成部分，其生成的PWM波送給逆變單元。

計(jì)算逆變系統(tǒng)在輸出側(cè)（400 V電網(wǎng)側(cè)）取得實(shí)際電流信號與系統(tǒng)給定的電流信號之差，將電流差值作為整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)制信號，從而使系統(tǒng)形成電流閉環(huán)控制。系統(tǒng)對外呈現(xiàn)電流源特性。

載波移相、多單元并聯(lián)、PWM調(diào)制等技術(shù)的采用使逆變器的效率、設(shè)備安全、諧波含量等指標(biāo)得到極大提高。本課題研制的逆變器在型式試驗(yàn)中測得電流諧波含量小于3%，功率因數(shù)大于0.96（含隔離變壓器），變流效率高于92%。

3 試驗(yàn)情況[2]

地鐵 1 500 V混合型制動能量吸收裝置自2008年 5月開始進(jìn)行設(shè)計(jì)和設(shè)備生產(chǎn)，于 2009年底完成了設(shè)備試驗(yàn)，開始進(jìn)行設(shè)備在地鐵線路上的掛網(wǎng)試驗(yàn)工作。先后進(jìn)行了裝置空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、車輛運(yùn)行試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目。其中車輛運(yùn)行試驗(yàn)是在地鐵夜間正常運(yùn)營收車以后，調(diào)用了一列地鐵列車在牽引所供電范圍內(nèi)的線路上多次往返運(yùn)行，在不同速度下采取不同級數(shù)的制動，模擬列車正常制動和極端制動時(shí)的工況。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）混合型裝置掛網(wǎng)后，裝置本身、變電所1 500 V牽引系統(tǒng)和400 V配電系統(tǒng)均運(yùn)行正常。

（2）列車再生制動啟動正常，制動過程平穩(wěn)。

（3）逆變電流輸入變電所400 V配電母線，400 V配電系統(tǒng)運(yùn)行正常，無明顯閃變出現(xiàn)，母線電壓畸變小，總諧波含量（THD%）滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定不大于5%）。

圖3 制動前機(jī)車速度為90 km/h，制動檔100%情況下的再生電流變化圖

圖4 逆變時(shí)AC 400 V側(cè)線電壓波形及電流諧波值圖

（4）裝置電阻部分的投入、退出正確可靠。當(dāng)逆變器容量增加到一定值后，電阻部分幾乎不啟動，再生電能幾乎完全由逆變器回收到400 V交流電網(wǎng)中。

（5）400 V交流電網(wǎng)進(jìn)線總開關(guān)處（動力變壓器低壓側(cè)）電流明顯變化，電能表顯示有反向電能流過，表明電能經(jīng)動力變壓器，從低壓側(cè)（400 V）流向中壓側(cè)（33 kV），中壓系統(tǒng)運(yùn)行未見異常。

試驗(yàn)證明：電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置應(yīng)用于地鐵供電系統(tǒng)是可行的；在保證列車再生制動平穩(wěn)可靠的同時(shí)，將再生電能逆變?yōu)榻涣麟姲踩⑷肓?00 V交流電網(wǎng)；400 V配電系統(tǒng)可將逆變電能吸收利用，超過吸收能力的多余電能經(jīng)動力變壓器注入了中壓電網(wǎng)；該方案實(shí)現(xiàn)了再生能量回收利用，全過程安全可靠。

4 結(jié)論

電阻+逆變混合型制動能量吸收方式是解決地鐵制動能量吸收問題的一種有益探索。

電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置將電阻與中小容量逆變器結(jié)合，在保證列車正常進(jìn)行制動的前提下以較合理的設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)了大部分再生電能的回收利用。該裝置將電阻消耗方式的簡單可靠、投資低廉與逆變回饋的節(jié)能減排優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)以合理投資創(chuàng)造最大經(jīng)濟(jì)效益的目的，不失為地鐵再生能量處理的一種好的選擇。

[1]湖南恒信電氣有限公司，北京市地鐵運(yùn)營有限公司車輛廠，中鐵電氣化勘察設(shè)計(jì)研究院，等.HXXS2NB/380V型電阻-逆變混合型再生制動能量吸收裝置科技成果鑒定資料[G].湘潭，2008.

[2]湖南恒信電氣有限公司，中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院等.電阻-逆變混合型再生制動能量吸收裝置掛網(wǎng)試驗(yàn)報(bào)告[R].廣州，重慶2010.2～2010.8.

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