中壓逆變回饋裝置在石家莊地鐵中的容量配置方案

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一、引言

城市軌道交通具有站間距離短、車行密度大等特點，在運行過程中伴隨頻繁啟動、制動會產(chǎn)生數(shù)量較大的再生制動能量，可以占到牽引能量的30%左右。其中，20%～80%的再生制動能量通過接觸網(wǎng)(軌)被相鄰車輛吸收，剩余部分主要被車輛吸收電阻以熱量的形式消耗，導(dǎo)致區(qū)間隧道和車站站臺溫度升高，額外增加空調(diào)通風裝置電能消耗，并提高工程整體的建設(shè)和運營費用。且車體制造、控制等技術(shù)的提高加劇車內(nèi)空間的緊張程度，車載吸收電阻散發(fā)的熱量也對其他設(shè)備安全運行產(chǎn)生不利的影響。

因此，利用設(shè)置在車體外的再生制動能量吸收裝置可以提高制動能量的利用率，降低運營負擔，保證車輛安全平穩(wěn)運行。再生制動能量吸收裝置主要有電阻吸收型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型等類型。其中，逆變回饋型裝置節(jié)能效果好，能量直接回饋至電網(wǎng)，不需儲能元件，對環(huán)境溫度影響小。因此，在大功率室內(nèi)安裝的情況下多采用此方案。近年來，逆變回饋型再生制動能量裝置已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通中。

二、逆變回饋型裝置方案介紹

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置利用高頻大功率晶閘管三相逆變器吸收車輛制動產(chǎn)生的能量，并逆變轉(zhuǎn)換為交流電源，再經(jīng)能饋變壓器回饋至交流側(cè)(中壓或低壓母線)。該裝置自動監(jiān)測直流母線電壓，當制動能量抬升直流電壓并超過設(shè)定值時，利用PWM脈沖信號立即開啟逆變器并從直流母線吸收電流，在回饋電能的同時也穩(wěn)定直流電壓。

該裝置主要由晶閘管逆變器、能饋變壓器、直流開關(guān)設(shè)備、交流開關(guān)設(shè)備、調(diào)節(jié)控制設(shè)備、傳感器和微機控制單元等電氣設(shè)備組成。

根據(jù)制動能量回饋位置的不同，將逆變回饋裝置分為兩類：回饋至400V母線的逆變電阻混合型、回饋至中壓母線的逆變型。

(一)回饋至400V母線

這類再生制動能量吸收裝置由逆變裝置和電阻吸收裝置組成。當制動能量抬升直流電壓超過設(shè)定值時，裝置啟動工作，首相將制動能量逆變回饋至車站400V低壓配電系統(tǒng)供車站動力、照明燈設(shè)備利用，以及通過動力變壓器向中壓側(cè)回饋。當因400V母線負荷容量小而吸收功率不夠時，吸收電阻投入工作，多余的能量由吸收電阻消耗。該裝置綜合逆變和吸收電阻的優(yōu)點，且逆變回饋至400V低壓系統(tǒng)，可以一定程度避免對系統(tǒng)的諧波影響。但再生制動能量利用率相對較低，環(huán)控系統(tǒng)仍要增加額外的電能消耗，且低壓側(cè)設(shè)備額定容量較小，回饋的能量容易造成設(shè)備的損耗。具體原理如圖1所示。

圖1 低壓逆變回饋裝置原理示意圖

該裝置是逆變與電阻雙模式吸收設(shè)備，逆變優(yōu)先投入工作，若制動能量過大，400V母線難以吸收，則再用電阻吸收。這種特點使得裝置可以克服運營低峰、出入庫、高速制動燈特定環(huán)境下引發(fā)的脈沖尖峰，保證400V系統(tǒng)的機電設(shè)備安全平穩(wěn)運行。目前，這種裝置在北京9號線、重慶1號線和3號線已有成功應(yīng)用的案例。

(二)回饋至中壓母線

相較于低壓母線，中壓母線容量更大、系統(tǒng)更穩(wěn)定，可以吸收更多再生制動能量且不需要配置吸收電阻。這類裝置的逆變單元通過斷路器與直流母線連接，另一端通過能饋變壓器與中壓母線連接。裝置監(jiān)測交、直流電壓的變化，若再生制動能量抬升直流側(cè)電壓高于設(shè)定值，并綜合直流電流極性等參數(shù)，然后將逆變回饋裝置投入工作，最終將制動能量回饋至中壓側(cè)，將電壓保持在設(shè)定值以下。雖然會將含有較高諧波的電能注入到中壓側(cè)，但利用PWM脈沖控制技術(shù)以及相應(yīng)電感濾波裝置可以有效降低諧波含量，有效消除對電網(wǎng)的不利影響。

且該型裝置再生能量利用率高、對環(huán)境要求較低，適合于大功率室內(nèi)安裝。具體原理如圖2所示。

圖2 中壓逆變回饋裝置原理示意圖

該裝置不需要吸收電阻配合，直接將再生制動能量回饋至負荷容量較大的中壓側(cè)，因此不要增加空調(diào)通風設(shè)備，在提高制動能量利用率的同時也降低相關(guān)建設(shè)和運營成本。近來，這種裝置在北京8號線、15號線已成功應(yīng)用。

綜上所述，低壓逆變回饋裝置對電網(wǎng)沖擊小，但再生制動能量利用率相對較低，且對環(huán)境要求較高；中壓逆變回饋裝置再生制動量利用率高，且不需額外的環(huán)控設(shè)備投資，但會產(chǎn)生較多諧波。近年來，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，注入諧波問題已得到有效緩解和控制，中壓逆變回饋裝置逐漸成為市場主流產(chǎn)品。因此，在石家莊地鐵2號線中也主要對這種裝置進行應(yīng)用調(diào)研和技術(shù)分析。

三、中壓逆變回饋裝置的仿真分析

石家莊地鐵2號線全長19.16km,正線共設(shè)置8座牽引所。全線采用110/35kV兩級電壓集中供電方式，并通過DC1500V接觸網(wǎng)對車輛供電。全線高峰小時行車密度設(shè)置為初期12對/h、近期21對/h、遠期30對/h.

為評估中壓逆變回饋裝置的有效性和經(jīng)濟性，在正線8個牽引所各設(shè)置一套該裝置，包括嘉華站、塔談南站、東崗頭站、大戲院站、長安公園站、運河橋站和西古城站。具體配置如圖3所示。

圖3石家莊地鐵2號線正線8座牽引所示意圖

目前，DC1500V牽引制式的中壓逆變回饋裝置主流所采用容量多是2MW。因此，仿真時將所有裝置容量都設(shè)置為2MW，啟動電壓設(shè)置為1730V。利用PSCAD軟件搭建牽引所和中壓逆變回饋裝置的瞬時模型，并在初期、近期、遠期三種工況下進行仿真，并統(tǒng)計各個所2MW以下及以上的再生制動電能。每天再生電能統(tǒng)計如表1所示。

表1 各牽引所三種工況下的每天再生電能統(tǒng)計表(kWh)

由表1可知，中壓逆變回饋裝置潛在的經(jīng)濟效益非常大。其中，2MW以下的再生電能占到總再生電能的72%，其余再生制動能量由于中壓逆變回饋裝置容量的限制不能被吸收，從而會抬升直流電壓。而各個牽引所仿真時最大網(wǎng)壓統(tǒng)計如表2所示。

表2 三種工況下，各個牽引所得最大網(wǎng)壓值(kV)

從表2可以看出，2MW以上不能及時被中壓逆變回饋裝置吸收的能量抬升網(wǎng)壓，使得嘉華站網(wǎng)壓在初期和遠期工況下，超出規(guī)定值DC1800V，從而會導(dǎo)致機車和牽引所內(nèi)的機電設(shè)備受損，不利于運營安全。從表1可以看到作為邊站的嘉華站、西古城站2MW以上的電能較多，對抬升網(wǎng)壓有較大影響。因此，調(diào)整兩站中壓逆變回饋裝置容量的配置方案，將其容量設(shè)置為3MW，并繼續(xù)仿真。則新容量配置方案下的各個牽引所每天再生電能統(tǒng)計如圖4所示。

圖4 各牽引所三種工況下的每天再生電能統(tǒng)計圖(kWh)

新容量配置方案下，各個牽引所最大網(wǎng)壓值統(tǒng)計如表3所示。

表3 三種工況下，各個牽引所得最大網(wǎng)壓值(kV)

表3顯示出，在中壓逆變回饋裝置新容量配置方案下，邊站的裝置有效吸收了部分的2MW以上的再生制動能量，使得牽引所網(wǎng)壓可以保持在DC1800V以下，保障車輛和牽引所內(nèi)設(shè)備的安全平穩(wěn)運行。且全線網(wǎng)壓低壓DC1800V，車輛可以取消車載電阻。

同時結(jié)合表1和圖4，可以看出中壓逆變回饋裝置經(jīng)濟效益和社會效益非常大。在三種工況下，該裝置在初期回饋電能1.74萬度/天(637萬度/年)，近期回饋電能1.61萬度/天(590萬度/年)，遠期回饋電能1.71萬度/天(624萬度/年)?？梢钥闯?，中壓逆變回饋裝置每天可回饋的電能大于1.6萬度，經(jīng)濟效果良好。

因此，采用新容量配置方案既可以有效利用再生制動能量，節(jié)約能源，又可以將全線牽引所網(wǎng)壓維持在DC1800V以下。

四、結(jié)論

中壓逆變回饋裝置因中壓母線負荷容量大，不需要配置吸收電阻，直接將列車再生制動直流電能逆變轉(zhuǎn)換為交流電能回饋到中壓側(cè)，供其他機電設(shè)備實時消耗。由仿真結(jié)果可知該裝置在新的容量配置方案下，可以保證列車和牽引變電所內(nèi)的機電設(shè)備安全運行，也有效再利用制動能量，節(jié)能效果顯著。且電力電子技術(shù)的發(fā)展，會降低設(shè)備的造價并有效控制諧波含量，更好的推動中壓逆變回饋裝置運用在工程實踐中。

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