城市軌道交通再生制動技術(shù)及其對電網(wǎng)的影響

田 華 陳玉瓊

城市軌道交通再生制動技術(shù)及其對電網(wǎng)的影響

田 華 陳玉瓊

在城市軌道交通中，由于列車質(zhì)量大、速度快、起停頻繁，因此在進(jìn)站制動過程中會產(chǎn)生巨大的能量。再生制動能量利用技術(shù)在不斷發(fā)展，目前列車再生制動能量吸收方式主要有電阻耗能、電容儲能、飛輪儲能和逆變回饋四種，本文介紹了這四種制動能量吸收方式的技術(shù)及特點，并從電能質(zhì)量、電能計量、繼電保護(hù)等方面分析了能饋式再生制動技術(shù)對電網(wǎng)的影響，為電網(wǎng)應(yīng)對逆變回饋能量的評估提供基礎(chǔ)。

概述

隨著城市的發(fā)展，大中型城市交通問題愈發(fā)嚴(yán)重，而地鐵作為一種交通工具在這種情況下顯得尤為重要。在城市軌道交通中，由于站間距較短，一般為1000～3000m，列車啟動、制動狀態(tài)切換頻繁，為了保證列車乘坐的舒適性，列車在加速啟動、減速制動以及平穩(wěn)制動等方面應(yīng)具備良好性能。列車在減速制動過程中，由于重量大、速度快、制動距離短等特點，會有大量的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量而消耗。列車上普遍裝有電阻耗能設(shè)備，但由于列車空間有限，所裝設(shè)電阻不能夠?qū)⒃偕苿幽芰咳肯?，因此剩余部分能量仍需通過機(jī)械制動補(bǔ)充。在列車牽引變電站，由于采用二極管將交流電壓整流為直流電壓，因此為單向供電方式。當(dāng)列車將再生制動能量逆變反饋給直流牽引網(wǎng)時，如果能量不能及時被利用，會使得牽引網(wǎng)電壓升高，對列車用電設(shè)備造成危害，例如北京某條地鐵線，采用DC750V供電系統(tǒng)，當(dāng)再生制動逆變回饋時，牽引網(wǎng)電壓最高達(dá)到了1000V。由于站間距離以及發(fā)車間隔不同，再生制動產(chǎn)生的電能有10%～80%可被吸收再利用，剩余的能量將經(jīng)過電阻，以熱能的形式消耗，從而導(dǎo)致隧道和站臺溫度的升高，也使得站內(nèi)環(huán)空系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重。因此，對列車制動再生能量吸收裝置的研究和應(yīng)用，對降低列車重量、提高列車性能、減少系統(tǒng)投資等方面都有很大的幫助。本文主要完成了兩個工作：①分析對比四種列車再生制動能量吸收裝置的特點及技術(shù)；②通過三個方面分析回饋電能對電網(wǎng)的影響。

再生制動能量吸收技術(shù)

在城市軌道交通中，列車制動通常分為機(jī)械制動和電制動兩種，電制動又包括電阻制動和再生制動兩種，列車制動時，電阻制動和再生制動往往結(jié)合使用：采用再生制動技術(shù)將列車機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生的電能如果不能夠及時被列車設(shè)備或者附近列車所消耗，則使用電阻制動作為補(bǔ)充將電能以熱量的形式消耗。采用電阻消耗電能雖然可靠，但是不經(jīng)濟(jì)，同時會產(chǎn)生大量的熱量，使得溫度升高。

為了吸收直流牽引網(wǎng)上因再生制動而累積的電量，國內(nèi)外通常在列車牽引變電所直流母線上安裝能量吸收裝置，主要有電阻耗能裝置、電容儲能裝置、飛輪儲能裝置以及逆變回饋裝置。當(dāng)列車進(jìn)站制動而產(chǎn)生的電能不能及時被車站輔助用電設(shè)備或者附近列車所消耗時，直流母線上的能量吸收裝置則投入使用，吸收多余電量，維持牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定，提高再生制動能量的利用率。例如英國倫敦地鐵、日本沖繩地鐵等線路，都安裝了再生制動能量吸收裝置。

電阻耗能型

電阻耗能型再生制動能量吸收裝置利用吸收電阻和IGBT斬波器相結(jié)合的穩(wěn)壓方案，根據(jù)直流牽引網(wǎng)電壓的大小調(diào)節(jié)IGBT斬波器的導(dǎo)通比，以此來控制吸收電阻的功率，將多余電能通過吸收電阻消耗，從而將直流牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要由吸收電阻、IGBT斬波器、濾波器、二極管、斷路器以及控制模塊等元器件組成。在裝置的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)，主要缺點就是將制動產(chǎn)生的電能以熱能的形式而消耗，造成能源的浪費及溫度升高等問題。當(dāng)城市軌道交通采用這種設(shè)備時，消耗電阻需要獨立放置，并且需要額外增加通風(fēng)設(shè)備，保證良好的通風(fēng)性能。

電容或者飛輪儲能型

電容儲能裝置與飛輪儲能裝置，它們在結(jié)構(gòu)組成、工作原理等方面都非常相似，最大的不同之處就是所用的儲能元件，因此本文以飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置為例進(jìn)行介紹。

飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置通過利用IGBT逆變器將從列車再生制動產(chǎn)生的多余電能快速存儲到旋轉(zhuǎn)的飛輪中，當(dāng)附近有列車經(jīng)過需要電能的時候，該儲能裝置將所存電能傳輸給列車，從而實現(xiàn)能量的重復(fù)利用。該能量吸收裝置主要包括飛輪機(jī)、IGBT斬波器、斷路器、隔離開關(guān)及控制模塊等元器件。飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置的優(yōu)點是可以快速吸收直流牽引網(wǎng)上多余電量，電量重復(fù)利用率高，同時也減少了耗能電阻的比例，但是主要的缺點是飛輪電機(jī)占地面積較大，大容量的裝置成本較高，很多問題仍在繼續(xù)研究過程中，因此該類裝置應(yīng)用線路目前較少。

逆變回饋型

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置通過逆變器將牽引網(wǎng)直流逆變?yōu)榻涣?，反饋至交流網(wǎng)絡(luò)。裝置中的逆變器是由電力電子元件組成的大功率三相逆變器，其直流側(cè)與供電系統(tǒng)中的直流母線相連，交流側(cè)與供電系統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)相連。當(dāng)再生制動時牽引變電所直流母線上電壓超過正常范圍時，逆變器開始工作，將直流電流逆變成交流電流，調(diào)壓并反饋至系統(tǒng)交流電力網(wǎng)絡(luò)，從而保證直流母線上電壓的穩(wěn)定。逆變回饋裝置主要包括晶閘管、變壓器、斷路器、電抗器等元器件。該逆變吸收裝置的優(yōu)點是用可以充分吸收利用列車再生制動產(chǎn)生的電能，減少再生制動能量的浪費，還可以減少耗能電阻的比例，從而降低投資，其缺點是可能引起交流側(cè)電網(wǎng)質(zhì)量的降低。在這種能量吸收裝置中，由于電能直接逆變回饋給了交流電力網(wǎng)絡(luò)，因此不需要額外配置儲存能量的元件，也不會造成隧道和站臺處溫度的明顯上升?；谝陨蟽?yōu)點，逆變回饋型再生制動能量吸收裝置已經(jīng)在很多地鐵線路中得到了實際應(yīng)用。

再生制動對電網(wǎng)的影響

對電能質(zhì)量的影響

逆變回饋式能量吸收裝置，由于通過電力電子元件將直流電逆變成交流電，并反饋至交流電網(wǎng)，因此會對交流電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來一定的影響，根據(jù)逆變器元件工作特性，交流側(cè)電網(wǎng)通常會出現(xiàn)電壓波動與閃變、諧波增多等問題。

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，由于供電區(qū)間列車數(shù)量不確定，列車在加速、惰性、制動等運行狀態(tài)下，速度變化快、幅度大，所需電能也相差很大，如果牽引變電所加設(shè)再生制動能量逆變反饋裝置，將使得交流側(cè)電網(wǎng)負(fù)荷波動更加劇烈。負(fù)荷的不穩(wěn)定將會導(dǎo)致電壓的隨機(jī)波動次數(shù)的增多以及電壓閃變的頻率升高。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12326－2008《電能質(zhì)量電壓波動與閃變》中，對電壓波動限值和閃變限值的規(guī)定如表1和表2所示。

表1 電壓波動限值

表2 閃變限值

當(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動、閃變或者諧波出現(xiàn)并超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時，系統(tǒng)可以通過靜止無功補(bǔ)償器或者快速電壓調(diào)節(jié)器等方法提高電能質(zhì)量。

在電網(wǎng)中，諧波出現(xiàn)的主要原因是變流器，變流器主要有三種：變頻器、逆變器和整流器。在逆變回饋型再生制動能量吸收裝置中，逆變器一側(cè)接直流母線，一側(cè)接交流電網(wǎng)，直流電流轉(zhuǎn)變成交流電流并在交流三相之間循環(huán)交換，從而在交流側(cè)產(chǎn)生大量諧波，但是諧波的次數(shù)及諧波的特性具有一定的規(guī)律，因此這種諧波也叫作特征諧波。對于普通逆變器而言，如果交流側(cè)三相特性相同互相對稱，且逆變器每周期有X個觸發(fā)脈沖，則產(chǎn)生的諧波次數(shù)為kX±1（k為正整數(shù)），諧波含量則受控制角和換相角的影響。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GT/T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中，對電網(wǎng)中畸變率和諧波限值都做出了詳細(xì)規(guī)定，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 畸變率及諧波限值

為了減少交流電網(wǎng)中的諧波含量，通?？梢圆捎眉釉O(shè)濾波器或者調(diào)諧補(bǔ)償?shù)却胧?，并且采用基于PWM技術(shù)的逆變器會減少諧波的產(chǎn)生，也是現(xiàn)在很多科研單位重點研究的課題。

對電能計量的影響

由于采用了逆變回饋裝置，列車制動產(chǎn)生的電能便可以向交流側(cè)流動，因此在對電能計量時，需要計算有功功率的雙向流動量，所以使用可以同時考慮雙向流動并計算費用的策略和儀器。常見的計量設(shè)備只能夠考慮單向，不能識別雙向流動有功功率的流出或者流入，從而無法滿足核算計量要求。另外一點，列車再生制動產(chǎn)生的經(jīng)過逆變回饋給交流電網(wǎng)絡(luò)的電能與列車運行所消耗的電能不只是正負(fù)之別，因為逆變回饋的交流電含有較大的諧波，電價與正常電價不同，因此在計量設(shè)備對反饋的有功功率計量時，還應(yīng)根據(jù)國家規(guī)定對價錢進(jìn)行核算，因此逆變回饋對電能計量設(shè)備的功能特性提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。

在電能逆變回饋過程中，向交流側(cè)輸入的基波功率為有效功率，諧波功率為無效功率，也稱為有害功率。傳統(tǒng)常見的電能計量設(shè)備可以對實際電能進(jìn)行準(zhǔn)確測量，也就是基波電能和諧波電能的綜合，通常是基波電能含量與各次諧波電能含量的矢量和。如果逆變回饋系統(tǒng)仍然采用這種計量方式，反饋側(cè)不但對諧波進(jìn)行了計量，并且不能夠說明諧波的流入對電網(wǎng)其他用戶的影響，因此這種方法和設(shè)備不合理。

為了避免以上所述逆變回饋中諧波對計量的影響，我們采用基波電能表與低通濾波器相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，從而可以將反饋電能中的高次諧波進(jìn)行濾除，實現(xiàn)對反饋電能基波含量的計量，并且計量設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝費用較少，但其缺點是不能夠反映出諧波電能對交流電網(wǎng)絡(luò)的影響。如果將工頻電能表和寬頻帶功率電能表相結(jié)合，則不僅能夠檢測諧波電能的流向，還可以同時對基波電能的測量。由于最近幾年，智能電表技術(shù)逐漸成熟，價格也下降很多，我們可以通過在智能電表并結(jié)合頻譜分析的策略來對基波電能和諧波電能分別進(jìn)行計量。

對繼電保護(hù)的影響

城市軌道交通中，列車的頻繁起停會造成供電系統(tǒng)中大幅度的沖擊電流的頻繁出現(xiàn)，為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，因此給供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置提出了更高的要求。逆變回饋裝置的投入使用，使得功率的流向成為雙向流動，從而使得繼電保護(hù)裝置更為復(fù)雜。

當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況時，繼電保護(hù)裝置動作是否正確和及時，對供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性起著重要作用。由于逆變反饋裝置的存在，能量的流動具有雙向性，這就會對部分具有方向性的繼電保護(hù)裝置造成影響，導(dǎo)致誤動作或者不動作。在電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)電壓等級大于或者等于110kV以及其他電壓等級的主保護(hù)的線路保護(hù)中，具有方向性的繼電保護(hù)設(shè)備會有很多，因此對這些設(shè)備動作的方向有嚴(yán)格要求。當(dāng)列車再生制動逆變反饋至交流電網(wǎng)的過程中，如果繼電保護(hù)設(shè)備動作不正確，有可能會給整個供電系統(tǒng)帶來很大的危險。同時，電能逆變回饋時所產(chǎn)生的諧波也是繼電保護(hù)裝置應(yīng)該考慮的問題。

結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市軌道交通正在快速發(fā)展，列車再生制動產(chǎn)生的能量不容忽視，本文對目前國內(nèi)外較常用的能量吸收裝置進(jìn)行了介紹，并對各種裝置的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比。根據(jù)逆變回饋裝置的特點，通過三個方面分析了該裝置的投入使用對電網(wǎng)的影響，并且提出了應(yīng)對措施和改進(jìn)方法，為電網(wǎng)應(yīng)對逆變回饋能量的評估提供了基礎(chǔ)。

田 華1陳玉瓊2

1.無錫地鐵建設(shè)分公司；2.無錫地鐵運營分公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.001