北京地鐵10號線中壓能饋型再生制動電能利用裝置

陳 哲

北京地鐵10號線中壓能饋型再生制動電能利用裝置

陳 哲

摘 要：介紹北京地鐵10號線所采用的中壓能饋型再生制動電能利用裝置（簡稱中壓能饋裝置）的構(gòu)成、原理和應(yīng)用方案。理論分析和運(yùn)行數(shù)據(jù)證明該裝置具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：再生制動；電能利用裝置；PWM逆變器

陳 哲：中鐵電氣化局第一工程有限公司，工程師，北京 100070

0　引言

城市軌道交通通常采用電動車組列車，制動方式是以電制動（再生制動）為主、空氣制動（閘瓦制動）為輔。

在非高峰時段，列車發(fā)車密度相對較低時，相鄰列車再生制動能量相互利用率低。為了限制網(wǎng)壓抬升，保證列車再生制動能力的發(fā)揮，減少列車閘瓦制動帶來的閘瓦磨耗和粉層污染，傳統(tǒng)的做法是在變電所或車上裝設(shè)電阻制動裝置。但是，電阻制動裝置不僅笨重，浪費(fèi)能量，而且其發(fā)熱被釋放到隧道中，還會導(dǎo)致隧道溫升加劇，進(jìn)而增大環(huán)控設(shè)備耗電量。

圖1　裝置一次系統(tǒng)圖

隨著社會環(huán)保節(jié)能意識的增強(qiáng)和科技進(jìn)步，在牽引變電所設(shè)置中壓能饋型再生制動電能利用裝置，減少城市軌道交通的用電量，同時減少環(huán)境污染，已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1　中壓能饋裝置設(shè)備構(gòu)成

中壓能饋型再生制動電能利用裝置主要包括10 kV開關(guān)柜（H）、能饋變壓器(N K B)、能饋低壓柜(NKD)、能饋變流器柜(NKS)、直流開關(guān)柜(Z)、負(fù)極隔離開關(guān)柜(G)六大部分，如圖1所示。

其中，能饋變壓器、能饋低壓柜、能饋變流器柜為系統(tǒng)核心設(shè)備（圖2 ） ，10 kV開關(guān)柜、直流1 500 V開關(guān)柜、負(fù)極隔離開關(guān)柜用作與交直流電網(wǎng)之間接口。

中壓能饋型再生制動電能利用裝置主要設(shè)備功能如下。

(1）能饋變壓器采用軸向雙分裂變壓器，將10 kV或35 kV交流電壓轉(zhuǎn)換為500 V交流電壓，實現(xiàn)與變流器交流輸入電壓等級匹配。同時，變壓器兩副邊繞組之間實現(xiàn)相互隔離。

(2）能饋低壓柜內(nèi)含2臺斷路器及相應(yīng)預(yù)充電電路，斷路器主要用于對每個變流器支路實現(xiàn)過流及短路保護(hù)。

(3）能饋變流器柜是整個系統(tǒng)的核心，內(nèi)含2臺大功率脈寬調(diào)制（PWM）整流器（又稱雙向變流器），每臺變流器直流輸出750 V，直流側(cè)通過并聯(lián)或串聯(lián)，可實現(xiàn)對750 V和1 500 V這2種供電制式的完全兼容；變流器結(jié)構(gòu)采用基于功率組件的系統(tǒng)設(shè)計理念，可實現(xiàn)快速維護(hù)維修，容量大小可根據(jù)需要配置；絕緣柵雙極晶體管（IGBT）采用當(dāng)前最先進(jìn)的大功率智能IGBT功率模塊，確保系統(tǒng)高可靠性、高功率密度以及完善保護(hù)功能；基于以太網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集與記錄，可實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控以及智能故障診斷。

圖2　主要設(shè)備實物圖

圖3　逆變器主電路原理圖拓?fù)?/p>

圖4　逆變器單相等效電路

圖5　現(xiàn)場應(yīng)用方案

2　設(shè)備工作原理

中壓能饋型再生制動電能利用裝置的核心是大功率的逆變器。逆變器是在脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種功率變換裝置，其主電路構(gòu)成可以看成是1臺三相逆變器（PWM逆變器）加上1個交流電感L，如圖3所示。

PWM逆變器采用脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠在其交流側(cè)輸出幅值和相位可控的三相交流電，如圖3中Ua、Ub、Uc。而交流電感 L在逆變器與電網(wǎng)之間起緩沖作用，電源電壓ea、eb、ec與逆變器輸出電壓Ua、Ub、Uc的電壓差降落在電感 L上，并決定交流電流的大小。

圖4所示單相等效電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

如上所述，在電網(wǎng)電壓ea和交流電感L一定的情況下，通過控制Ua大小和相位，就可以控制電流ia大小和相位，進(jìn)而控制逆變器傳輸功率。

交流電流的控制是逆變器控制的核心。為了實現(xiàn)對交流電流ia、ib、ic控制，需要控制逆變器輸出電壓Ua、Ub、Uc的幅值和相位。值得注意的是，Ua、Ub、Uc的幅值和相位是相對于電網(wǎng)電壓ea、eb、ec而言的。為此，必須對電網(wǎng)電壓ea、eb、ec的幅值和相位進(jìn)行精確檢測，并作為Ua、Ub、Uc控制參照，實現(xiàn)逆變器輸出與電網(wǎng)電壓的同步。

再生制動電能利用裝置其他功能的實現(xiàn)（例如串并聯(lián)控制、外特性控制等）都是以交流電流控制為基礎(chǔ)。

3　系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1應(yīng)用方案

中壓能饋型再生制動能量利用裝置在北京地鐵10號線（二期）十里河和西釣魚臺變電所進(jìn)行了示范應(yīng)用。具體應(yīng)用方案如圖5所示，在既有的24脈波整流機(jī)組（2個12脈波整流機(jī)組并聯(lián)）的交直流母線上接入再生制動能量利用裝置。

圖6　十里河變電所中壓能饋裝置3個月運(yùn)行數(shù)據(jù)圖

3.2保護(hù)配置

系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)分為內(nèi)部保護(hù)和外部保護(hù)兩大類。

內(nèi)部保護(hù)為設(shè)置在能饋逆變器裝置內(nèi)部的保護(hù)，其中保護(hù)值可調(diào)的主要有過壓、欠壓、過流、溫度等。保護(hù)跳閘需要逆變器柜以外的各開關(guān)柜去執(zhí)行。

外部保護(hù)即設(shè)置在逆變柜以外各開關(guān)柜上自帶的保護(hù)。其中12 kV開關(guān)柜保護(hù)采取既有的保護(hù)設(shè)置，設(shè)電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)；1 500 V開關(guān)柜保護(hù)在傳統(tǒng)保護(hù)配置基礎(chǔ)上去掉逆流保護(hù)。能饋低壓柜保護(hù)設(shè)置長延時、短延時、瞬時電流脫扣保護(hù)。

3.3應(yīng)用數(shù)據(jù)

圖6所示為北京地鐵10號線十里河變電所中壓能饋型再生制動能量利用裝置投入運(yùn)行后3個月回饋電能數(shù)據(jù)。其中，單日最高回饋電能2 470 kW.h，3個月累計回饋電能142 443 kW.h，每日平均回饋電能1 675 kW.h。定義節(jié)能率=中壓能饋裝置回饋電能/該變電所輸出總牽引電能×100%，則該裝置3個月平均節(jié)能率=142 443/762 191×100%≈18.68%，節(jié)能效果非常顯著。

事實上，中壓能饋型再生制動能量利用裝置具備四象限工作能力，其工作在整流工況，可以為列車提供牽引能量，減小直流電壓波動，提高供電品質(zhì)；其工作在無功補(bǔ)償狀態(tài)，可以實現(xiàn)對交流中壓環(huán)網(wǎng)的無功補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。因此，隨著該設(shè)備技術(shù)的逐漸成熟和批量化生產(chǎn)，將在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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責(zé)任編輯 冒一平

Medium-Voltage Regenerative Braking Energy Utilization Device on Beijing Metro Line 10

Chen Zhe

Abstract:The paper introduces the composition, principle and application program of the medium-voltage regenerative braking power device of on Beijing metro line 10. Theoretical analysis and operating data show that the regenerative braking energy utilization device has a good application prospectives.

Keywords:regenerative braking, electric energy utilization device, PWM inverter

收稿日期2014-07-17

中圖分類號：U231.8