雙向變流型城市軌道再生能源利用技術(shù)研究

張靈芝

雙向變流型城市軌道再生能源利用技術(shù)研究

張靈芝

針對城市軌道交通系統(tǒng)的再生制動能量有效利用問題，介紹了一種新的解決方案——雙向變流型再生電能吸收利用技術(shù)，對該系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、特點等方面進(jìn)行了研究，針對系統(tǒng)三大主要功能即逆變回饋功能、整流牽引功能和穩(wěn)壓及單位功率因數(shù)控制功能進(jìn)行了歸納；利用Infineon（英飛凌）提供的仿真軟件進(jìn)行仿真，對系統(tǒng)運行的功率因數(shù)、效率和保護(hù)兼容性進(jìn)行實驗。研究結(jié)果表明，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)具有能量雙向流動、輸出特性可控、功率因數(shù)可調(diào)、系統(tǒng)效率高和保護(hù)兼容性好等顯著優(yōu)點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)列車制動能量的再生利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的，還能提高供電品質(zhì)，是城市軌道交通再生能源利用技術(shù)中一種更為經(jīng)濟、有效的解決方案。

城軌交通；再生制動；雙向變流型

0 引言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們在關(guān)注城市軌道交通車輛舒適性和自動化程度的同時，也逐漸意識到軌道交通的環(huán)境效益和節(jié)能問題的重要性。城市軌道交通運營過程中必然需要頻繁啟動和制動，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中車輛制動時產(chǎn)生的多余能量都被浪費，制動能量若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。目前，列車再生能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、儲能型和逆變回饋型。電阻耗能型再生能量吸收裝置能量消耗較大，在國外主要應(yīng)用于德國波鴻和科隆地鐵、西班牙的馬德里地鐵、美國的波特蘭地鐵，國內(nèi)早期多條地鐵線路也廣泛應(yīng)用，如北京地鐵機場線、6號線、8號線二期工程、房山線、亦莊線、昌平線、15號線一期,廣州地鐵4、5、6號線，重慶地鐵2號線等線路，目前新建地鐵線路中很少采用，已基本淘汰；儲能型再生能量吸收裝置占地較大，設(shè)備難以采購，主要應(yīng)用于國外，如英國倫敦地鐵、美國紐約和洛杉磯地鐵、法國巴黎和里昂地鐵，國內(nèi)應(yīng)用較少，主要是北京地鐵5號線（現(xiàn)已拆除）[1]；逆變型再生能量吸收裝置由于設(shè)備可控，效率較高，目前各新建地鐵線路主要采用逆變型，在北京地鐵9號線投入運行，因為容量限制，仍舊需要設(shè)置電阻，并未做到完全的節(jié)能，技術(shù)仍需改善[2]。針對以上情況，本文以逆變型新技術(shù)——雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)為具體對象，研究城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)系統(tǒng)再生能量吸收利用單位功率因數(shù)超過95%，是一種較為經(jīng)濟、有效的解決方案。

1 雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)概述

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)的主要功能是在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流電網(wǎng)，同時不僅能夠抑制直流網(wǎng)壓的波動范圍，減小直流電壓紋波，提高供電質(zhì)量，更重要的是還能避免列車再生制動能量在能耗電阻上的白白消耗，節(jié)約電能[3]。

1.1 系統(tǒng)原理

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)中為了盡量減少再生電能吸收利用裝置對既有線路運行的影響，將該系統(tǒng)的整流/逆變通路與既有的牽引變電所整流通路分離，采用其整流/逆變支路與二極管整流牽引機組并列布置方式，再生電能吸收利用系統(tǒng)直流側(cè)通過直流饋線柜和直流柜接直流牽引網(wǎng)，交流側(cè)通過40.5 kV開關(guān)柜接站內(nèi)35 kV母線，系統(tǒng)工作原理圖略。

在列車正常發(fā)車起動及運行時，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)中的再生電能吸收利用裝置與二極管整流機組協(xié)同工作，啟動牽引功能，向直流1 500 V牽引電網(wǎng)饋能，給車輛提供牽引電能，此時電能轉(zhuǎn)化為車輛的動能。當(dāng)車輛采用電制動時，列車的動能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到直流1 500 V牽引電網(wǎng)，這些能量將引起直流電網(wǎng)電壓升高。再生電能吸收利用裝置檢測到直流網(wǎng)壓升高到設(shè)定值，并確定列車處于制動狀態(tài)時，回饋功能開始啟動，將這部分制動能量回饋到35 kV交流電網(wǎng)中，該過程中二極管整流機組反向截止，停止工作。當(dāng)制動能量回饋完畢，直流網(wǎng)壓降到設(shè)定值時，再生電能吸收利用裝置停止回饋功能轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)，等待執(zhí)行下一次任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)中的再生電能吸收利用裝置主要包括變壓器（NKB）、雙向變流柜（NKINV）及直流柜（ZG），變壓器（NKB）低壓側(cè) 4個繞組分別與雙向變流柜的四重模塊相連，而雙向變流柜（TSB）的直流負(fù)極引入直流柜，其直流正極直接引入直流1 500 V開關(guān)柜（D）；其中直流柜（ZG）完成雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)與直流母線負(fù)極（N）的隔離、濾波及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，雙向變流柜（NKINV）則實現(xiàn)電能在直流側(cè)與交流側(cè)的雙向流動，同時完成系統(tǒng)級功能、系統(tǒng)級保護(hù)等功能；變壓器（NKB）則完成將電壓在高壓與低壓之間的轉(zhuǎn)換及隔離。

1.3 系統(tǒng)特點

雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)具有如下特點：

（1）采用城軌車輛牽引系統(tǒng)所用的大功率牽引級 IGBT器件，過載能力強，在間歇工作制（30 s / 120 s）時最高過載可達(dá)到200%；牽引級IGBT比工業(yè)等級IGBT在工藝流程方面更加嚴(yán)格。

（2）集能量回饋、牽引供電、提高供電品質(zhì)等功能于一體，設(shè)備利用率高，供電系統(tǒng)大大簡化。

（3）該系統(tǒng)在回饋模式時，因短時過載能力強，在地鐵負(fù)載間歇工作制下，節(jié)能率高。該產(chǎn)品在某地鐵正線近1年運營考核期內(nèi)，平均節(jié)能率達(dá)到38%。

（4）采用多重化并聯(lián)技術(shù)，提高系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量，保證系統(tǒng)與既有電網(wǎng)兼容性良好。

（5）采用軸向多分裂變壓器技術(shù)，提高系統(tǒng)抗故障失效能力，增強系統(tǒng)與既有變電所供電系統(tǒng)的保護(hù)兼容性。

（6）完善的外特性控制技術(shù)，提供多種控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)整流與逆變工況之間平滑過渡，以及與既有整流機組之間能量的自動分配。

（7）采用基于功率組件的系統(tǒng)設(shè)計理念，實現(xiàn)快速維護(hù)維修，最大限度減少設(shè)備停機時間。

（8）基于以太網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集與記錄，實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和智能故障診斷。

2 雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)功能

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)主要具有逆變回饋功能、整流牽引功能、穩(wěn)壓功能等，該系統(tǒng)能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流中壓電網(wǎng)，并且還可在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量。同時還可以抑制直流網(wǎng)壓的波動，減小直流電壓紋波，提高牽引供電質(zhì)量。該系統(tǒng)還具有單位功率因數(shù)控制、邏輯控制、保護(hù)、通信、顯示、數(shù)據(jù)采集及存儲、聯(lián)鎖與聯(lián)跳、試驗等輔助功能。下文就其中的逆變回饋功能、整流牽引功能和穩(wěn)壓及單位功率因數(shù)控制功能進(jìn)行分析。

2.1 逆變回饋功能

該系統(tǒng)的回饋功能是將列車電制動時產(chǎn)生的不能被臨近車輛吸收的再生能量反饋回中壓交流電網(wǎng)，供其他負(fù)荷使用，實現(xiàn)能量的循環(huán)再利用。為實現(xiàn)上述系統(tǒng)主要功能，主電路拓?fù)浞矫娌捎米儔浩黢詈系?重化四象限PWM變流器方案，如圖1所示[5]。

圖1 主電路拓?fù)浞桨甘疽鈭D

2.2 整流牽引功能

該系統(tǒng)具有與二極管整流機組協(xié)同供電的功能，即牽引功能，可在該系統(tǒng)額定輸出功率范圍內(nèi)提供牽引電能，供車輛啟動牽引所需。并根據(jù)不同的控制目標(biāo)，合理分配該系統(tǒng)與二極管整流機組之間的牽引功率，以實現(xiàn)協(xié)同供電效益最大化。

在雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)工作在牽引功能時，為了實現(xiàn)與二極管牽引整流機組的協(xié)調(diào)工作，并達(dá)到特定的控制目標(biāo)（功率分配、直流電壓波動最小等），可利用雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)良好的可控性，根據(jù)需要對直流輸出特性（外特性）進(jìn)行控制。雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)具備 2種典型的輸出特性曲線——恒壓特性和下垂特性。

（1）下垂特性。該系統(tǒng)的外特性下垂斜率與二極管整流機組外特性下垂斜率相近，使得二者盡可能均分牽引輸出功率，通過外特性控制環(huán)節(jié)，描繪出與二極管牽引整流機組的相似的下垂曲線，使得雙向變流型再生吸收利用裝置直流輸出跟隨該曲線，實現(xiàn)與二極管整流機組的協(xié)同供電。

（2）恒壓特性。能夠保證在雙向變流型再生吸收利用裝置容量范圍內(nèi)直流電壓保持恒定。當(dāng)列車所需牽引功率超過雙向變流型再生吸收利用裝置最大容量時，雙向變流型再生吸收利用裝置將進(jìn)入限功區(qū)，以恒功率控制運行輸出額定功率，功率缺口部分由二極管整流機組進(jìn)行補充[6]。

2.3 穩(wěn)壓及單位功率因數(shù)控制功能

該系統(tǒng)具有穩(wěn)定直流母線電壓的功能，通過雙向變流柜的逆變回饋/整流牽引功能及控制軟件中的穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)，單位功率因數(shù)功能則通過控制軟件中的電流環(huán)實現(xiàn)。

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)采用經(jīng)典的電壓、電流雙閉環(huán)PWM四象限變流器控制策略，電壓外環(huán)作為控制外環(huán)，通過測量雙向變流器實際輸出的直流電壓，與設(shè)定的穩(wěn)定電壓值比較，進(jìn)行閉環(huán)控制，并給出電流內(nèi)環(huán)的有功電流給定值，使得整套裝置能夠按照設(shè)定的穩(wěn)壓值輸出，在額定功率范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的目的。

電流內(nèi)環(huán)作為底層的控制內(nèi)環(huán)，通過對雙向變流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流進(jìn)行測量，并采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化的控制方式，將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流，從而實現(xiàn)有功電流、無功電流的閉環(huán)獨立控制，并通過將無功電流設(shè)置為零的方式，使得雙向變流器輸出的功率因數(shù)達(dá)到±1，實現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制的目的[7]。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)功率因數(shù)

通過Infineon（英飛凌）提供的仿真軟件進(jìn)行實驗，計算系統(tǒng)功率因數(shù)。系統(tǒng)控制部分采用經(jīng)典電流、電壓雙閉環(huán)控制策略，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，將檢測到的交流電流通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化轉(zhuǎn)換為直流電流，從而實現(xiàn)有功電流、無功電流的閉環(huán)獨立控制，并通過將無功電流設(shè)置為零的方式，使得雙向變流器輸出的功率因數(shù)達(dá)到±1，實現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制[8]。

如圖2所示，35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓與相電流相位約差180o，可以保證回饋過程中35 kV PCC處監(jiān)測的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近-1，滿足城市軌道交通系統(tǒng)再生能源回饋技術(shù)要求[9]。

圖2 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓及相電流仿真波形圖

3.2 系統(tǒng)效率

應(yīng)用Infineon（英飛凌）提供的IGBT損耗軟件進(jìn)行仿真，選用 Infineon（eupec）公司型號為FZ1200R33KF2C的3 300 V / 1 200 A的IGBT元件。計算雙向變流柜的功率損耗，在額定功率為2 MW時，損耗為29.216 kW，其效率為98.54%。

依據(jù)上述方法對變流柜工作在額定功率的80%、60%、40%的效率進(jìn)行仿真分析如下：

（1）輸出功率為1.6 MW時，IGBT的損耗為557 + 345 = 902 W，考慮到其他部件的損耗為3.2 kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.902×24 + 3.2 = 24.848 kW，因此效率為98.447%。

（2）輸出功率為1.2 MW時，IGBT的損耗為411 + 322 = 733 W，考慮到其他部件的損耗為3.2 kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.733×24 + 3.2 = 20.792 kW，因此效率為98.267%。

（3）輸出功率為0.8 MW時，IGBT的損耗為268 + 300 = 568 W，考慮到其他部件的損耗為3.2 kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.568×24 + 3.2 = 16.832 kW，因此效率為97.896%。

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)額定工況下整體效率為97.2%。主要設(shè)備中：隔離變壓器效率為98.9%，雙向變流柜效率為98.5%，直流控制柜中僅電抗器存在約 2.2 kW 的損耗，效率為99.8%，因此額定工況下整套設(shè)備的效率為97.2%，加入運行中預(yù)期的運行損耗，該系統(tǒng)的利用效率超過95%。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)兼容性

該系統(tǒng)在任何運行狀態(tài)下都不影響供電系統(tǒng)整流機組及繼電保護(hù)裝置（如支路繼保、牽引整流支路繼保及母聯(lián)柜繼保等）的正常工作[10]。

（1）設(shè)備正常運營時，依靠自身內(nèi)部斷路器、整流/逆變支路上40.5 kV高壓開關(guān)柜及1 500 V直流開關(guān)柜實現(xiàn)整流/逆變支路的保護(hù)，不影響其他繼電保護(hù)裝置的工作。

（2）當(dāng)雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)故障時，通過該系統(tǒng)自身輸出分閘信號，依據(jù)故障級別分?jǐn)嗾?逆變支路上的40.5 kV或1 500 V開關(guān)柜，從而切除雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)，在該過程中不聯(lián)跳其他高壓開關(guān)和直流開關(guān)、也不影響其他繼電保護(hù)裝置工作。

（3）當(dāng)雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)對應(yīng)40.5 kV開關(guān)柜分?jǐn)嗷蚯凹壞妇€失壓時，該裝置迅速退出運行，不影響母聯(lián)備自投及其他繼電保護(hù)裝置的正常工作。具體測試結(jié)果見圖3—圖7。

圖3 中壓整流/逆變支路對應(yīng)10 kV開關(guān)柜分?jǐn)嗝}沖封鎖時間測試圖

圖4 40.5 kV開關(guān)柜分?jǐn)嘌b置退出時間測試圖

圖5 前級母線失壓脈沖封鎖時間測試圖

圖6 前級母線失壓到雙向變流型再生電能吸收利用裝置退出時間測試圖

圖7 母線失壓后母聯(lián)自投時間測試圖

4 結(jié)語

綜上所述，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)具有能量雙向流動，輸出特性可控，功率因數(shù)可調(diào)、系統(tǒng)效率高和保護(hù)兼容性好等顯著優(yōu)點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)列車制動能量的再生利用，取代能耗電阻，達(dá)到節(jié)能減排的目的，還能減小直流電壓波動范圍及紋波，提高供電品質(zhì)。此外，還可以對中壓環(huán)網(wǎng)進(jìn)行無功補償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。整套系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠，結(jié)合工程實際需要，采取合理的應(yīng)用方案，可以發(fā)揮其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，獲得良好的投資回報，市場前景非常廣闊[11]。

截止目前，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)已由南車時代電氣公司安裝應(yīng)用于北京地鐵14號線園博園站、大井站，經(jīng)過一年多的實際運行，系統(tǒng)利用效率超過95%，有效改善了直流線網(wǎng)供電質(zhì)量，具備良好的節(jié)能效果。此外雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)正試用于昆明軌道交通車輛動調(diào)基地、南車磁浮試驗線、長沙地鐵2號線一期工程等項目。因此，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)是城市軌道交通再生能源利用技術(shù)中可應(yīng)用的一種較為經(jīng)濟、有效的解決方案。

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With regard to the issue on effective utilization of regenerative braking energy for urban rail transit system, this paper introduced a new solution - bidirectional converter type technology for absorption and utilization of regeneration energy. The principle, structure and characteristics of the system were studied, three main functions for the system that inverter feedback function, rectifier traction capabilities and voltage & unity power factor control functions were summarized. The running power factor, efficiency and protection compatibility of the system were simulated by simulation software provided infineon. The results show that there are significant advantages of bidirectional converter type system for absorption and utilization of regeneration energy, including bidirectional flow of energy, a control output feature, an adjustable power factor, high efficiency and ideal protection compatibility. Not only can it reuse train braking energy to achieve the purpose of energy conservation, but also improve the quality of power supply, and it is a more economical and effective solution of regeneration energy technology to urban rail transit.

Urban rail transit; regenerative braking; bidirectional converter type

U231.8

：B

：1007-936X(2015)03-0041-05

2014-10-28

張靈芝.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系，工程師，電話：15116009095。

湖南省教育廳科學(xué)研究項目：城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)應(yīng)用研究（12C1144）。