再生制動能量回饋裝置在地鐵中的研究及應(yīng)用

杜金輝

【摘 要】再生制動能量回饋裝置是實現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能、低碳的重要技術(shù)創(chuàng)新，回饋裝置在實現(xiàn)地鐵車輛能量回饋的同時，也向供電系統(tǒng)提供無功功率補(bǔ)償。本文針對再生制動能量回饋方式的各種不同類型進(jìn)行了分析，并提出繼電保護(hù)裝置、供電系統(tǒng)電壓在回饋裝置運行過程中所產(chǎn)生的不利因素的解決方案。

【關(guān)鍵詞】再生制動能量回饋裝置；并網(wǎng)方式；分類和應(yīng)用

城市軌道交通相對于其他交通方式而言，具有安全、舒適、快速、運量大和節(jié)能環(huán)保等特點，但是伴隨路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和客運量的劇增，城市軌道交通能源消耗總量也大幅增長，尤其是牽引供電所消耗的能源占到總消耗量的30%-40%。在國家節(jié)能減排政策的推動下，如何提高供電系統(tǒng)電能利用效率、降低供電總能耗成為研究的熱點。

1 能量回饋裝置的分類和應(yīng)用

由于軌道交通站距短，車輛頻繁起停，車輛制動時有大量的動能以再生制動方式轉(zhuǎn)換為電能返送到直流接觸網(wǎng)上，為了充分利用這部分制動能量，國內(nèi)外提出了許多再生制動能量利用方案，大致分為三類：

1.1 能耗型

能耗型再生制動能量利用裝置采用DC/DC斬波器和能耗電阻，將不能被相鄰車輛吸收利用的多余制動能量消耗到電阻上，從而維持直流電壓的穩(wěn)定。

1.2 逆變回饋型

逆變回饋型采用DC/AC逆變器和隔離變壓器將車輛制動產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，饋入交流電網(wǎng)達(dá)到再次利用的目的。逆變回饋型再生制動能量利用裝置能夠最大程度實現(xiàn)車輛制動能量的再利用，可作為無功補(bǔ)償設(shè)備和牽引整流器來使用，提高設(shè)備的利用效率。

1.3 儲能型

儲能型再生制動能量利用裝置采用雙向DC/DC變流器和超級電容（或者飛輪）將車輛制動時的能量存儲起來，待車輛牽引時釋放出來。根據(jù)儲能介質(zhì)不同可分為超級電容儲能型和飛輪儲能型，飛輪儲能型技術(shù)難度大、功率小、成本高。超級電容儲能型再生制動能量利用裝置僅與直流系統(tǒng)相連，不存在電能倒送問題，得到了國內(nèi)外廣泛研究和應(yīng)用。

2 并網(wǎng)方式對能量回饋的影響和分析

目前，國內(nèi)外對于DC1500/DC750V制式地鐵供電系統(tǒng)，根據(jù)逆變回饋系統(tǒng)并網(wǎng)電壓等級不同，可分為中壓并網(wǎng)（35kV/10 kV）和低壓并網(wǎng)（400V）兩種方案。

2.1 獨立回路中壓并網(wǎng)（35kV/10 kV）

獨立回路中壓并網(wǎng)整套系統(tǒng)包括回饋變流器、隔離變壓器和開關(guān)柜。地鐵制動時供電系統(tǒng)直流母線上的制動能量經(jīng)過回饋變壓器、隔離變壓器轉(zhuǎn)換為交流電饋入AC35 kV/10 kV電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能目的。這種方式適用于中壓采用集中供電方式的地鐵線路，由于集中供電方式中壓網(wǎng)絡(luò)的容量大，有能力消耗掉回饋產(chǎn)生的瞬時功率，容易解決電能倒送的問題?；仞伳芰康臎_擊不會對中壓電網(wǎng)造成重大影響，還可以使這部分能量在自己的中壓網(wǎng)絡(luò)中重新優(yōu)化分布使用，這種并網(wǎng)方式可以最大程度的回饋機(jī)車制動能量。

2.2 共用整流變壓器并網(wǎng)（1180V/590V）

共用整流變壓器并網(wǎng)方案采用地鐵制動能量經(jīng)回饋變流器、隔離變壓器轉(zhuǎn)換為AC1.18 kV/0.59 kV，再通過整流變壓器將制動能量回饋至中壓網(wǎng)絡(luò)。該方案將制動能量直接回饋至整流變壓器1180V側(cè)，間接回饋至35kV電網(wǎng)。這種方式也適用于中壓采用集中供電方式的地鐵線路。該方式中回饋系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)共用整流變壓器，由于整流變壓器支持一側(cè)低壓繞組和高壓繞組單獨運行，且過載能力達(dá)300%/1min，因此這種方案也可以較大程度的回饋制動能量，并且無需采用昂貴的中壓變壓器及中壓開關(guān)柜，投資成本低。

2.3 低壓并網(wǎng)（400V）

低壓并網(wǎng)方案通過回饋變流器和變壓器的轉(zhuǎn)換，將制動能量回饋至400V低壓配電系統(tǒng)，供車站動力與照明系統(tǒng)使用，剩余能量通過400V配電變壓器回饋至中壓電網(wǎng)。該方案可在一定范圍內(nèi)利用制動回饋能量，且回饋電壓等級低，變壓器和開關(guān)柜實現(xiàn)相對簡單，成本低。但400V低壓配電網(wǎng)容量遠(yuǎn)小于回饋能量的尖峰潮流，這將抬高低壓系統(tǒng)電壓至非正常值，甚至使得低壓系統(tǒng)停止工作。因此在低壓系統(tǒng)電壓被抬高到一定程度后，就必須啟動地面電阻消耗多余能量。

3 再生制動能量回饋裝置在地鐵中的應(yīng)用

3.1 工作原理及工作過程

為了盡量減少再生能饋裝置對既有線路運行的影響，將車輛再生制動電能的回饋通路與既有牽引變電所整流通路分離，再生能饋裝置交流側(cè)通過中壓開關(guān)柜接入軌道交通供電系統(tǒng)的中壓交流供電網(wǎng)絡(luò)，直流側(cè)通過直流開關(guān)柜連接直流牽引網(wǎng)正極、通過能饋直流柜連接直流牽引網(wǎng)負(fù)極。

在列車正常發(fā)車起動及運行時，再生能饋裝置不工作，二極管整流機(jī)組工作，向直流牽引電網(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，回饋到直流牽引電網(wǎng)，這些能量將引起直流電網(wǎng)電壓升高。再生制動電能利用系統(tǒng)檢測到直流網(wǎng)壓升高到設(shè)定值，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中壓交流電網(wǎng)中，此過程中二極管整流機(jī)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，再生制動電能利用系統(tǒng)停止回饋功能轉(zhuǎn)入待機(jī)態(tài)，等待執(zhí)行下一次回饋任務(wù)。

3.2 能量回饋系統(tǒng)不影響繼電保護(hù)裝置的實施方案

裝置設(shè)置單獨的回饋通路，與既有牽引變電所內(nèi)的整流通路分離，回饋通路的繼電保護(hù)基本獨立于其他供電系統(tǒng)，設(shè)備正常運行時，依靠封鎖脈沖、自身內(nèi)部斷路器、能量回饋支路上中壓開關(guān)柜及直流開關(guān)柜實現(xiàn)能量回饋支路的保護(hù)，不影響其他繼保裝置的工作；當(dāng)再生能饋裝置故障時，通過裝置自身輸出分閘信號，依據(jù)故障級別分?jǐn)嘀袎耗莛佒坊蛑绷鏖_關(guān)柜，從而切除能量回饋支路，在此過程中不聯(lián)跳其他中壓開關(guān)和直流開關(guān)、也不影響其他繼保工作；當(dāng)再生能饋裝置對應(yīng)開關(guān)柜分?jǐn)嗷蚰妇€失壓時，裝置采用同步信號檢測、判斷母線側(cè)頻率、幅值變化，能夠在200ms內(nèi)響應(yīng)故障，并封鎖脈沖，退出運行，不影響母聯(lián)備自投（國標(biāo)在2s內(nèi)）及其他繼保裝置的正常工作。裝置在投入時間的涌流變化率因直流側(cè)限流電抗器及控制器中的di/dt控制，不大于正常機(jī)車啟動時的電流變化率。

3.3 能量回饋系統(tǒng)不影響供電系統(tǒng)電壓升高的實施方

針對直流母線系統(tǒng)，再生能饋裝置在正常運營時，采用電壓外環(huán)控制，可在裝置功率范圍內(nèi)穩(wěn)定直流母線電壓，不會引起直流母線電壓升高。電壓外環(huán)作為控制外環(huán)，通過測量逆變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)壓值進(jìn)行輸出，在額定功率范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的目的。裝置在直流側(cè)設(shè)置較大的支撐電容，能夠穩(wěn)定直流輸出電壓，并設(shè)置有直流側(cè)過壓保護(hù)的硬件電路及軟件保護(hù)，在自身產(chǎn)生過壓時，能快速斷開直流側(cè)的快速斷路器，不會引起供電系統(tǒng)電壓升高，不會影響車輛正常運行及系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)外均已開展了地鐵再生制動能量回饋吸收裝置的研究，并且已經(jīng)將該技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用到了實際工況。隨著國內(nèi)對地鐵節(jié)能、環(huán)保要求，以及回饋裝置產(chǎn)品的逐步應(yīng)用，地鐵能量回饋技術(shù)以及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益和作用效果必將逐步得到驗證和顯現(xiàn)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]