再生制動(dòng)能量吸收逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

方漢學(xué) 胡桂苓

(1.山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，272500，濟(jì)寧;2.濟(jì)寧金水科技有限公司，272000，濟(jì)寧∥第一作者，高級(jí)工程師)

1 應(yīng)用背景

城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行速度快，起動(dòng)、制動(dòng)頻繁，且制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的能量。目前，制動(dòng)方式主要可以分為2 大類(lèi):一是機(jī)械制動(dòng)(動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能)，機(jī)械摩擦制動(dòng)的缺點(diǎn)是接觸面容易磨損;摩擦?xí)r產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面;摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴(yán)重的污染。二是電制動(dòng)，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能后，再將電能送回電網(wǎng)或變成熱能消耗掉。目前大部分電制動(dòng)主要是采用電阻吸收方式，其主要缺點(diǎn)是只能將電能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，造成能源浪費(fèi)，而且電阻散熱會(huì)導(dǎo)致溫度升高，因此需要增加相應(yīng)的通風(fēng)裝置，即同時(shí)增加相應(yīng)的電能消耗。

電制動(dòng)的另一種方式是逆變吸收方式，是將車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過(guò)逆變變成工頻交流電與車(chē)站內(nèi)電網(wǎng)并網(wǎng)。該吸收方式有利于能源的綜合再利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，是目前日益重視并大力推廣的方式。

2 再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置

城市軌道交通一般1～2 km 就需要設(shè)置一個(gè)牽引變電所，每個(gè)牽引變電所都需要配備再生制動(dòng)能量吸收設(shè)備。

再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置為逆變回饋型，就是將車(chē)輛制動(dòng)所產(chǎn)生的能量經(jīng)過(guò)逆變裝置回饋到電網(wǎng)。逆變裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)直流側(cè)電壓，當(dāng)直流側(cè)電壓高于一定值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)逆變裝置投入工作。

2.1 系統(tǒng)組成

再生制動(dòng)能量吸收逆變系統(tǒng)組成框圖如圖1所示?，F(xiàn)在大部分城市軌道交通牽引所都是35 kV 或10 kV 電網(wǎng)，經(jīng)過(guò)牽引整流變壓器，再進(jìn)行12 脈波整流輸出直流1 500 V 或750 V 給機(jī)車(chē)供電。

再生制動(dòng)能量吸收裝置是并聯(lián)在1 500 V 或750 V 直流系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)逆變裝置變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35 kV、10 kV 或400 V)。

2.2 逆變主電路設(shè)計(jì)

目前城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓一般有2個(gè)電壓等級(jí)即直流750 V 和1 500 V。通常采用常規(guī)功率器件IGBTI(絕緣柵雙極晶體管)的電壓等級(jí)為1 700 V、1 200 V，其封裝形式一樣，便于產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓?fù)?，可以保證1 500 V 電壓等級(jí)非常方便實(shí)現(xiàn)，并且電壓余量大，更可以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

圖1 再生制動(dòng)能量吸收逆變系統(tǒng)組成框圖

逆變單元主電路原理圖如圖2所示，逆變輸出電壓波形、輸出電流波形分別如圖3、圖4所示。

圖2 逆變單元主電路原理圖

圖3 逆變單元輸出線電壓波形

主電路采用三電平電路拓?fù)洌渲饕獌?yōu)點(diǎn)是:每個(gè)主功率器件關(guān)斷時(shí)承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，功率器件電壓余量大，保證系統(tǒng)可靠工作，并延長(zhǎng)器件使用壽命;輸出波形諧波小，保證電網(wǎng)質(zhì)量;相同電壓情況下du/dt 小，電磁干擾小;相同開(kāi)關(guān)頻率的情況下，開(kāi)關(guān)損耗比兩電平電路的開(kāi)關(guān)損耗小，系統(tǒng)溫升低，可提高系統(tǒng)效率并延長(zhǎng)器件使用壽命。

圖4 逆變單元輸出電流波形

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變單元采用電流閉環(huán)控制，能夠保證輸出電流波形質(zhì)量;逆變單元輸出呈現(xiàn)電流源特性，能夠很好適合單元并聯(lián)以達(dá)到容量擴(kuò)展。

下面就一個(gè)單元作簡(jiǎn)單理論分析。忽略調(diào)制過(guò)程引進(jìn)的非線性，忽略高次諧波，則每個(gè)單元可簡(jiǎn)化成一個(gè)線性放大系統(tǒng)。其控制框圖如圖5所示。

圖5 控制框圖

K1為放大器增益，K2為逆變器增益。逆變器內(nèi)阻和電抗器阻抗近似表示為Z(s)=R +Ls。單元內(nèi)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

當(dāng) βK1K2＞＞1，忽略內(nèi)阻，低頻段增益為:

閉環(huán)后逆變單元內(nèi)阻為:

式中:

s——拉氏變換量;

β——反饋系數(shù);

R——逆變器和電抗器內(nèi)阻之和;

L——電感量;

IO——輸出電流;

Vi——輸入指令電流信號(hào)。

電流閉環(huán)后，單元內(nèi)阻大大增大，可近似為電流源。

逆變裝置為得到大功率輸出可采用多個(gè)逆變單元并聯(lián)，每個(gè)單元獨(dú)立控制，具有冗余工作的特點(diǎn)，即使單元出現(xiàn)保護(hù)，其余逆變單元可以正常工作，進(jìn)一步提高裝置運(yùn)行的可靠性。而且每個(gè)逆變單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，這使得調(diào)試、維修非常方便。

2.4 系統(tǒng)保護(hù)功能

逆變單元設(shè)置有過(guò)壓、偏壓、過(guò)流、短路、超溫保護(hù)功能，當(dāng)某一逆變單元故障時(shí)，整機(jī)仍可以降額運(yùn)行，不影響整機(jī)正常工作，同時(shí)把單元的工作狀態(tài)傳給上位機(jī)。

逆變裝置系統(tǒng)設(shè)置有電網(wǎng)過(guò)壓、欠壓、直流母線過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

目前重慶地鐵1號(hào)線、3號(hào)線、6號(hào)線截止2013年12月共有46 臺(tái)設(shè)備。重慶地鐵某站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備照片如圖6所示。北京地鐵6號(hào)線、7號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線、14號(hào)線截止2013年12月共有 45 臺(tái)。

圖6 重慶地鐵某站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

國(guó)內(nèi)地鐵第一次正式使用再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置是重慶地鐵1號(hào)線，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。重慶地鐵其牽引供電采用直流1 500 V 電壓等級(jí)，制動(dòng)能量逆變回饋到400 V 配電網(wǎng)，受配電網(wǎng)容量限制，再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置在(1號(hào)線、6號(hào)線)正常運(yùn)行容量設(shè)置約為700 kW。隨后北京地鐵9號(hào)線開(kāi)始使用該裝置，9號(hào)線其牽引供電采用直流750 V 電壓等級(jí)，制動(dòng)能量逆變回饋到400 V 配電網(wǎng)，受配電網(wǎng)容量限制，再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置在(9號(hào)線)正常運(yùn)行容量設(shè)置約為650 kW。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電度表記錄數(shù)據(jù)顯示，重慶地鐵1號(hào)線和6號(hào)線地鐵站逆變裝置運(yùn)行容量約700 kW，1號(hào)線沙坪壩站、歇臺(tái)子站、七星崗站在2013年1月份和3月份日均節(jié)電情況如表1所示。6號(hào)線紅土地站、紅旗河溝站、大龍山站在2013年8月份日均節(jié)電情況如表2所示。北京地鐵9號(hào)線地鐵站逆變裝置運(yùn)行容量約650 kW，郭公莊站、豐臺(tái)東大街站、白石橋南站2013年3月份日均節(jié)電情況如表3所示。

表1 重慶地鐵1號(hào)線日均節(jié)電情況 kWh

表2 重慶地鐵6號(hào)線日均節(jié)電情況 kWh

表3 北京地鐵9號(hào)線日均節(jié)電情況 kWh

若參考工業(yè)用電1.00 元/kWh，以日均1 000 kWh 來(lái)計(jì)算每月節(jié)約電費(fèi)3 萬(wàn)元，一年可節(jié)省36 萬(wàn)元;若是采用電阻吸收消耗，除消耗電費(fèi)36 萬(wàn)kWh外，還需增加額外通風(fēng)設(shè)施來(lái)散熱。

4 關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題討論

目前再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置，雖然現(xiàn)場(chǎng)已有百臺(tái)設(shè)備應(yīng)用，節(jié)能效果得到認(rèn)可和好評(píng)，但對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)還是新產(chǎn)品，因此對(duì)此裝置的幾個(gè)應(yīng)用問(wèn)題提出來(lái)討論，以便更好地了解此裝置。

4.1 關(guān)于再生制動(dòng)能量吸收裝置節(jié)能問(wèn)題

再生制動(dòng)能量吸收裝置節(jié)能效果是用戶和生產(chǎn)廠家最為關(guān)心的問(wèn)題，直接關(guān)系到此產(chǎn)品是否滿足用戶需求，是否有應(yīng)用前景。

逆變器(不包括隔離變壓器)轉(zhuǎn)換效率一般達(dá)到98%左右?，F(xiàn)場(chǎng)節(jié)能效率與逆變器本身關(guān)系不大，影響現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能效率的關(guān)鍵是逆變器的容量?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)制動(dòng)能量數(shù)據(jù)選擇合適的逆變器容量是很重要的逆變器的容量是直接體現(xiàn)逆變器利用率的關(guān)鍵指標(biāo)，逆變器的利用率也是影響系統(tǒng)節(jié)能的重要因素。

4.2 關(guān)于再生制動(dòng)能量吸收回饋電網(wǎng)問(wèn)題

再生制動(dòng)能量吸收回饋到400 V 電網(wǎng)，還是10 kV 或35 kV 電網(wǎng)，到底回饋到哪種電網(wǎng)合適，需要綜合判斷。

針對(duì)目前地鐵應(yīng)用，逆變器主要有2 個(gè)直流電壓等級(jí)1 500 V、750 V，分別對(duì)應(yīng)逆變器交流輸出1 000 V、500 V，現(xiàn)場(chǎng)需要回饋到哪個(gè)電網(wǎng)，僅僅是逆變器輸出配置的隔離變壓器的規(guī)格不一樣，可以是1 000 V(500 V)/400 V、1 000 V(500 V)/10 kV、1 000 V(500 V)/35 kV 等不同型號(hào)的變壓器，逆變器的各種性能、參數(shù)指標(biāo)完全一樣。

400 V 配電網(wǎng)相比中壓網(wǎng)容量要小，用戶可能會(huì)認(rèn)為回饋低壓電網(wǎng)不能完全吸收制動(dòng)能量，根據(jù)各城市地鐵用電數(shù)據(jù)來(lái)看，牽引供電占到50%～57%，照明、通風(fēng)等供電占到43%～50%，若按照配電網(wǎng)用電情況，只要選擇合適的逆變器容量完全可以回饋到配電網(wǎng)，即制動(dòng)產(chǎn)生的能量可完全用于除牽引外的用電設(shè)備。

回饋到400 V 電網(wǎng)與中壓網(wǎng)相比的優(yōu)點(diǎn):一是運(yùn)行可靠性方面，若逆變器異常，不會(huì)影響到牽引網(wǎng)和車(chē)輛運(yùn)行;二是400 V 隔離變壓器和400 V 開(kāi)關(guān)柜相對(duì)價(jià)格便宜，體積小。

回饋10 kV 或35 kV 中壓網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn):因中壓電網(wǎng)相對(duì)400 V 配電網(wǎng)容量大，所以逆變器可選容量范圍大;若選擇同容量的逆變器，逆變器對(duì)中壓網(wǎng)的沖擊和干擾相對(duì)低壓網(wǎng)會(huì)小(通常中壓網(wǎng)容量相對(duì)大)。

結(jié)合以上特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇合適的并網(wǎng)方式。

4.3 關(guān)于吸收方式

不論是車(chē)輛配車(chē)載電阻還是站內(nèi)配電阻，站內(nèi)再增加逆變吸收方式，均可認(rèn)為是混合吸收方式。

電阻加逆變混合吸收方式的工作方式是:車(chē)輛制動(dòng)時(shí)檢測(cè)到直流母線電壓到一定值時(shí)，逆變優(yōu)先吸收，若測(cè)到直流母線電壓繼續(xù)升高到另一定值時(shí)，電阻才開(kāi)始吸收;同樣若車(chē)輛上帶有車(chē)載電阻，其工作方式與上述一樣。

從運(yùn)行可靠性上來(lái)說(shuō)，帶有電阻的吸收方式更為可靠，逆變吸收為主，電阻吸收為輔。從成本上來(lái)說(shuō)，可以選擇合適的逆變器容量，也可以讓逆變器的利用率最大化。

綜合運(yùn)行可靠性及成本考慮來(lái)說(shuō)，混合吸收方式不失為一種優(yōu)選方案。

4.4 逆變吸收容量選擇

如何選擇合適的逆變吸收容量，也是決定系統(tǒng)節(jié)能效果的重要方面。

對(duì)于并網(wǎng)型的逆變器來(lái)說(shuō)，逆變器輸出呈現(xiàn)電流源特性，很容易實(shí)現(xiàn)容量的擴(kuò)展。理論上逆變?nèi)萘堪醋畲蟮闹苿?dòng)能量來(lái)選擇，吸收利用率越大，但相應(yīng)成本也會(huì)越高。

針對(duì)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的老線，如果有電阻吸收的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，就可以很好地選擇逆變吸收容量。根據(jù)每天、每月電阻吸收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制動(dòng)產(chǎn)生能量大小及出現(xiàn)頻次，來(lái)判斷需要吸收利用的能量大小，從而確定逆變吸收容量。選擇時(shí)保證大部分的制動(dòng)能量能夠吸收利用，又保證逆變器利用率最大化。

對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，提供高可靠性的產(chǎn)品是其不懈努力的方向;對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品也是其不斷追求的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)再生制動(dòng)能量吸收逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用節(jié)能效果以及應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。該裝置目前在重慶地鐵、北京地鐵已運(yùn)行近百臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的節(jié)電情況表明，節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并且該產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，再生制動(dòng)能量逆變吸收方式會(huì)被越來(lái)越多的用戶接受和認(rèn)可，該產(chǎn)品也會(huì)在城市軌道交通行業(yè)普遍應(yīng)用。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.4 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.4 版.北京:科學(xué)出版社，2001.

［3］劉鳳君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］張崇巍，張興.PWM 整流器及其控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］李建林，王立喬.載波相移調(diào)制技術(shù)及其在大功率變流器中的應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械出版社，2009.

［6］丁榮軍，黃濟(jì)榮.現(xiàn)代變流技術(shù)與電氣傳動(dòng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［7］陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［8］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［9］史麗萍，湯家升，羅明，等.制動(dòng)能量吸收裝置的選取及其控制分析［J］.城市軌道交通研究，2013(8):92.