再生能饋裝置在北京地鐵工程中的應(yīng)用及節(jié)能效果分析

衛(wèi) 巍 韓志偉 張 鋼

(1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044; 2. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京 100068)

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再生能饋裝置在北京地鐵工程中的應(yīng)用及節(jié)能效果分析

衛(wèi) 巍1,2韓志偉2張 鋼1

(1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044; 2. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京 100068)

介紹北京地鐵14號線工程供電系統(tǒng)，提出地鐵工程供電系統(tǒng)應(yīng)用再生能饋裝置需驗證系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量及返送城市電網(wǎng)等重要問題，現(xiàn)場試驗結(jié)果證明再生能饋裝置能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。通過統(tǒng)計再生能饋裝置正式運(yùn)行后較長時間內(nèi)的電能數(shù)據(jù)，計算節(jié)能電量，分析牽引用電量和返送電網(wǎng)電能數(shù)據(jù)，結(jié)果表明再生能饋裝置投入運(yùn)營后節(jié)能效果良好。

城市軌道交通；再生制動；能量回饋；北京地鐵14號線

截至2015年底，北京市城市軌道交通運(yùn)營里程達(dá)到554 km。隨著地鐵運(yùn)營里程的不斷增加，地鐵運(yùn)營用電量也隨之增加。據(jù)運(yùn)營部門統(tǒng)計，地鐵列車牽引供電用電量約占地鐵運(yùn)營總電量的50%，如何有效降低牽引用電能耗是降低地鐵總體能耗的一個重要課題。在變電所設(shè)置車輛再生制動電能吸收裝置，可以滿足車輛電制動的需求，減少機(jī)械制動介入時間，從而減少車輛制動閘瓦磨耗，保持牽引網(wǎng)壓穩(wěn)定[1]。

目前國內(nèi)城市軌道交通工程再生制動電能吸收方案主要有電阻消耗、超級電容吸收[2]、再生能饋等。經(jīng)過技術(shù)比選，北京地鐵14號線選擇采用在牽引變電所設(shè)置中壓型再生能饋裝置的技術(shù)方案，在地鐵列車再生制動時將電能從牽引網(wǎng)反饋至地鐵中壓供電網(wǎng)絡(luò)。14號線為分段開通工程，筆者以東段為研究對象。

1 再生能饋裝置應(yīng)用方案

北京地鐵14號線供電系統(tǒng)交流電網(wǎng)采用10 kV分散式供電方案，兩套12脈波整流機(jī)組構(gòu)成24脈波整流，電壓等級為DC 1 500 V，正線牽引網(wǎng)采用剛性接觸網(wǎng)，車輛采用4動2拖6輛編組A型車。

14號線東段南起金臺路站，北至馬泉營車輛段，正線共12座車站，東段全線共設(shè)5座城市外電源引入開閉站，正線設(shè)8座牽引變電所和4座降壓變電所?？紤]各種供電系統(tǒng)多種運(yùn)行方式的供電計算結(jié)果，在正線牽引變電所均設(shè)置一套2MW容量的再生能饋裝置，接入方案如圖1所示。

圖1 再生能饋系統(tǒng)接入供電系統(tǒng)方案

東段共設(shè)置8套再生能饋裝置(高家園站再生能饋裝置未投入使用)，實際投入使用的再生能饋裝置7套。車輛段因車速較低，未設(shè)置再生能饋裝置。表1為14號線東段變電所分布。

1.2 投入運(yùn)行前需驗證的問題

1.2.1 地鐵供電系統(tǒng)失壓時繼電保護(hù)的有效性

對于地鐵供電系統(tǒng)來說，再生能饋裝置是除城市電網(wǎng)外的等效電流源，在失去城市電網(wǎng)電源時，再生能饋裝置應(yīng)能夠準(zhǔn)確、快速退出，實現(xiàn)變電所繼電保護(hù)準(zhǔn)確動作，保證地鐵供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)孤島運(yùn)行的嚴(yán)重后果[3]，導(dǎo)致10 kV母線自投功能失效。

表1 14號線東段變電所分布

在14號線牽引變電所進(jìn)行10 kV電源失壓現(xiàn)場試驗。通過分?jǐn)啾舅径?0 kV進(jìn)線開關(guān)和上級開閉所10 kV饋線開關(guān)，分別測量能饋裝置退出時間，并與變電所母線自投時間對比，實測自投動作是否正確。

其中,r為無風(fēng)險利率;θ是長期方差,當(dāng)t→∞時,E(ν(t))→θ(E(·)表示期望算子);κ是瞬時波動率ν(t)回歸至θ的速度,σ是ν(t)的波動率;Wj(t)(j=1,2)是相關(guān)系數(shù)為ρ的2個維納過程。由文獻(xiàn)[14]可知,SV模型的特征函數(shù)為

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，能饋低壓斷路器在10 kV母線失壓后40 ms左右斷開，即能饋裝置可以在50 ms內(nèi)完全退出供電系統(tǒng)。14號線供電系統(tǒng)10 kV母聯(lián)自投時間為4 s，試驗測量圖形見圖2。再生能饋裝置在交流側(cè)失壓時，可安全迅速退出變電所供電系統(tǒng)，不影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 變電所母線失壓及能饋裝置退出試驗波形

1.2.2 電能質(zhì)量

地鐵牽引供電系統(tǒng)用兩套整流器組成等效24脈波整流電路，將交流電整流成直流電并向地鐵車輛供電[4-5]，可以滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。再生能饋裝置采用IGBT功率元件變流技術(shù)，理論上產(chǎn)生的諧波量小于普通二極管整流技術(shù)。通過現(xiàn)場試驗，利用電能質(zhì)量分析儀對再生能饋裝置產(chǎn)生的諧波進(jìn)行分析。

圖3為能饋裝置在100%負(fù)載時10 kV側(cè)相電壓、相電流波形，CH1為10 kV母線相電壓波形；CH2為一組整流機(jī)組10 kV側(cè)電流波形；CH3為10 kV側(cè)能饋電流波形。從圖形上看，能饋電流波形正弦度良好，且波形質(zhì)量優(yōu)于整流機(jī)組。

圖3 能饋裝置與整流機(jī)組波形質(zhì)量對比

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，再生能饋裝置空載運(yùn)行時的10 kV母線電壓總諧波畸變率和滿載運(yùn)行時的10 kV母線各次電壓諧波含量均較小(見表2～3)，總畸變率滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求(小于4.0%)[6]。滿載運(yùn)行時注入10 kV電網(wǎng)的電流總諧波畸變率小于2%，且各次諧波含量均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求(見表4)。

表2 空載時10 kV母線電壓各次諧波大小

表3 100%負(fù)載時10 kV母線電壓各次諧波大小

表4 100%負(fù)載時各次諧波電流大小 A

1.2.3 返送電能到城市電網(wǎng)的影響

為了減少再生能饋裝置故障對10 kV供電系統(tǒng)的影響，在再生能饋裝置與10 kV母線之間配置了斷路器和保護(hù)裝置。在分散式中壓供電網(wǎng)絡(luò)中，地鐵開閉變電所外電源接入點(diǎn)設(shè)置了斷路器及保護(hù)裝置，再生能饋裝置至電力公司電網(wǎng)之間的供電線路中也設(shè)置了多個10 kV斷路器及相應(yīng)的保護(hù)裝置，同時，再生能饋裝置本身也設(shè)有完善的保護(hù)裝置[7-10]。所以，當(dāng)再生能饋裝置發(fā)生故障時，其對地鐵供電系統(tǒng)的影響范圍有限，不會影響上級電站供電安全。

2 再生能饋裝置節(jié)能效果

2.1 再生能饋裝置吸收電能統(tǒng)計及分析

對北京地鐵14號線東段開通線路設(shè)置再生能饋裝置的車站進(jìn)行回收電能統(tǒng)計，2015年4—9月按車站統(tǒng)計的日均再生能饋裝置回收電能情況如圖4所示。

圖4 14號線東段再生能饋日均吸收電量統(tǒng)計

由圖可知，4—9月再生電能吸收量最大的車站是東湖渠站、金臺路站，日均吸收再生電能1 400～1 800 kWh，最小的棗營站日均吸收電能近400 kWh，其他再生電能吸收車站日均吸收電能為400～600 kWh。

在東湖渠站設(shè)置牽引變電所，與相鄰牽引變電所善各莊站和阜通站的距離分別為2.46 km和2.2 km，因此東湖渠站牽引供電距離為4.66 km。棗營站設(shè)置牽引變電所，距離相鄰的牽引變電所東風(fēng)北橋站和金臺路站分別為2.17 km和2.31 km，因此，棗營站牽引供電距離為4.48 km。朝陽公園站未啟用，列車通過不停車。

結(jié)合線路坡度和站點(diǎn)分布分析，東湖渠站和棗營站牽引供電距離相近，兩站供電范圍線路坡度較均勻，而再生電能吸收量差距較大，其主要原因如下：

1) 東湖渠站牽引供電范圍內(nèi)車站數(shù)量為5座，棗營站牽引供電范圍內(nèi)車站數(shù)量為3座(朝陽公園站未投入啟用，列車通過不停車)。東湖渠站牽引供電范圍站間距較短，區(qū)間長度較棗營站牽引供電范圍平均減少1 km，區(qū)間內(nèi)列車啟停更頻繁；

2) 在一定的行車間隔內(nèi)，善各莊—阜通區(qū)間運(yùn)行的列車數(shù)量要多于東風(fēng)北橋—金臺路區(qū)間，前者的區(qū)間內(nèi)列車停站次數(shù)是后者的兩倍。

所以，相近長度的供電區(qū)間內(nèi)列車和車站較多是東湖渠站再生電能吸收量遠(yuǎn)大于棗營站的主要因素。

善各莊站和金臺路站兩個末端車站吸收再生電能數(shù)量差距較大的主要原因是：善各莊站是車輛駛出車輛段后的第一個車站，出入段的車輛車速較慢，再生制動需求相對較小，所以再生電能反饋量較?。唤鹋_路站是分段運(yùn)營的中間折返車站，車輛需在本站折返后繼續(xù)運(yùn)行，車輛在本站有較多再生制動的需求，朝陽公園—金臺路區(qū)間連續(xù)下坡，車輛有較多制動需求，所以再生電能反饋量相對較大。

綜上所述，牽引變電所之間的距離、線路情況和行車組織等因素對再生能饋裝置吸收電能的效果有較大影響。

2.2 再生電能吸收量與牽引用電量的對比

14號線東段4—9月全線牽引用電量與再生能饋裝置吸收量的統(tǒng)計見圖5。

圖5 4—9月再生能饋裝置吸收量統(tǒng)計

節(jié)能率是車站再生電能吸收量與車輛牽引用電量的比值，節(jié)能率反映再生能饋裝置的節(jié)能效果。

經(jīng)分析，正線再生能饋回收電能約占牽引用電量的11%～14%(見圖6)。一般軌道交通再生制動能量可達(dá)牽引制動能量的20%～40%以上[7]。再生能饋裝置投入運(yùn)行后的節(jié)能效果較為顯著。

圖6 4—9月再生能饋裝置節(jié)能率

經(jīng)分析，再生制動電能主要被相鄰車輛和再生能饋裝置吸收。車輛再生制動啟動后短時間內(nèi)回饋電網(wǎng)電能峰值大，車站設(shè)置再生能饋裝置功率有限，不能完全吸收，這也是影響節(jié)能率的重要原因。

2.3 再生制動電能返送城市電網(wǎng)分析

北京地區(qū)地鐵供電系統(tǒng)中壓供電采用10 kV分散供電方式，14號線東段正線設(shè)3個城市電網(wǎng)電源引入開閉所車站，分別是東湖渠、望京南和棗營。4—9月返送城市外電源再生制動電能統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。

表5 開閉所日均返送上級變電所電能統(tǒng)計 kWh

地鐵車輛再生制動回饋電能有短時峰值較大的特點(diǎn)。短時間內(nèi)再生回饋大量電能到交流電網(wǎng)，在用電負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，再生制動反饋電能如不能被本變電所其他負(fù)荷利用，則會反饋至供電分區(qū)內(nèi)被其他用電負(fù)荷利用，如還不能被完全利用則電能被反饋至上級城市電網(wǎng)。

由表5數(shù)據(jù)可知，10 kV分散式供電分區(qū)范圍內(nèi)負(fù)荷用電較平穩(wěn)，對于車輛再生能饋吸收的波動式巨大電能不能在分區(qū)內(nèi)及時消耗，則會反饋至上級城市電網(wǎng)?？梢酝茢啵泄╇姺绞讲捎酶叩燃壍闹袎航涣麟娋W(wǎng)，供電距離更大，供電分區(qū)內(nèi)用電負(fù)荷相對較大，再生制動電能在地鐵系統(tǒng)內(nèi)的再利用率會顯著增加。

3 結(jié)語

以北京地鐵14號線工程為例，對再生能饋裝置在城市軌道交通工程應(yīng)用的技術(shù)方案進(jìn)行介紹，提出并驗證了再生能饋裝置投入地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行前需驗證的幾個重要技術(shù)問題，并得到現(xiàn)場試驗的驗證。統(tǒng)計并分析了實際運(yùn)營的節(jié)能數(shù)據(jù)，結(jié)果表明再生能饋裝置在城市軌道交通工程運(yùn)營過程中的節(jié)能效果十分明顯。

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(編輯：王艷菊)

Application of Energy Feedback Traction Power Supply Device and Analysis on Energy- Conservation Effect for Beijing Subway

Wei Wei1,2Han Zhiwei2Zhang Gang1

(1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044;2. Beijing MTR construction Administration corporation, Beijing 100068)

The paper introduces the power supply system of Beijing Subway Line 14 and raises several important issues about application of energy feedback traction power supply device, such as power system stability, power quality and reverse feeding. The field test results prove that the application of energy feedback traction power supply device can meet the technical requirement. Through the data statistics and analysis of the traction power supply energy and the reverse feeding energy after the formal operation of the Beijing Subway Line 14 for a period of time, the effect of energy conservation is considerable. The application of energy feedback traction power supply device is an effective measure to save energy in urban rail transit.

urban rail transit; regenerative brake; energy feedback; BeijingSubway Line 14

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.024

2016-01-22

2016-04-19

衛(wèi)巍，男，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通牽引供電技術(shù)，wei_tj@126.com

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2014JBM114)；國家科技支撐計劃項目(2013BAG24B01)

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0107-04