一種無軌架線車輛制動安全解決方案的設(shè)計

閻志偉

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高效高產(chǎn)的礦井近些年得到迅猛發(fā)展， 防爆柴油機(jī)驅(qū)動的無軌膠輪運(yùn)輸車輛在煤礦中被大量投入使用，總數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)超6000 輛。車輛使用礦用防爆柴油機(jī)目前主要使用機(jī)械泵供油， 經(jīng)防爆改造后的柴油機(jī)油耗高、 效率低，而且尾氣和噪聲污染嚴(yán)重，由于煤礦井下空間密閉狹小，非常不利于污染物擴(kuò)散，從而嚴(yán)重危害井下工作人員身心健康[1]。在此基礎(chǔ)上，借鑒高鐵的模式，采用電機(jī)和柴油機(jī)牽引方式的雙驅(qū)車輛。 該運(yùn)行系統(tǒng)將架線接觸網(wǎng)鋪設(shè)于煤礦輔運(yùn)巷道中，當(dāng)雙驅(qū)架線車輛運(yùn)行至此巷道時，將集電弓與接觸網(wǎng)貼合受電， 車輛將采用電機(jī)驅(qū)動模式運(yùn)行，大大降低巷道里的有害尾氣排放，對礦井的工作環(huán)境改善有著重大作用。 然而，目前無軌膠輪車輛的制動方式主要為機(jī)械濕式制動，制動效率較低，尤其是長距離下坡時，運(yùn)行過程中可能頻繁地起、制動，制動過程產(chǎn)生的能量主要以摩擦發(fā)熱的形式消耗[2]，所以會造成車輛制動器摩擦片損壞嚴(yán)重，存在著較大安全隱患，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 再生電能利用裝置技術(shù)選擇

目前再生電能利用裝置主要有以下幾種類型： 電阻消耗型；電容儲能型；逆變回饋型等。 表1 對常用再生電能利用裝置技術(shù)進(jìn)行比較分析[3]。

綜合表1 分析：電阻吸收和電阻-逆變吸收技術(shù)并不能真正實現(xiàn)電能的再利用，且電阻裝置發(fā)熱量高，浪費(fèi)能源嚴(yán)重。

表1 再生電能利用裝置技術(shù)比較

電容儲能是以超級電容為儲能介質(zhì)的牽引電能儲能裝置，既可節(jié)能、又可起到穩(wěn)壓的作用，目前在歐洲部分城市的軌道交通中有采用，維護(hù)工作量少，但投資相對較高，且技術(shù)基本集中在國外公司手中。

逆變回饋型技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用比較成熟， 已有多家供應(yīng)商可以提供逆變回饋型再生電能利用裝置并具有一定的研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)實力[4]。

考慮到無軌架線車輛運(yùn)行時存在接觸網(wǎng)僅靠當(dāng)無軌架線車輛在斜井坡道重載運(yùn)行時處于再生制動狀態(tài)，會產(chǎn)生很大的能量，因此，車輛運(yùn)行中產(chǎn)生的多余能量不應(yīng)該僅僅以制動器摩擦發(fā)熱的方式進(jìn)行消耗， 而應(yīng)該在架線車輛的接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)中設(shè)計能量回饋利用裝置，綜合比較，本次設(shè)計采用逆變回饋型再生電能利用方案，從而變害為利。

2 回饋方案的設(shè)計

如圖1 所示，在某架線巷道設(shè)置A、B、C 三座牽引變電所。 牽引變電所A 為地面所，設(shè)置在井口房附近；牽引變電B、C 所為井下所，其中B 所設(shè)置在2-2 煤輔運(yùn)大巷交叉口，C 所設(shè)置在離B 所3km 處。 從圖1 分析可知，2號輔運(yùn)平硐為2.8km 長距離連續(xù)下坡路段， 無軌架線車輛電制動產(chǎn)生的能量的主要集中在該路段， 因此再生電能利用裝置設(shè)置在A、B 所比較合適。

逆變回饋通常分低壓能饋型 （將電能回饋至低壓0.4kV 動力照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）和中壓能饋型（將電能回饋至10kV）。 根據(jù)本項目工況，在牽引所A、B 的之間的供電區(qū)間內(nèi)，如果發(fā)生兩個最大工況的車輛運(yùn)行制動的情況，瞬時制動功率將達(dá)到2.1MW，低壓能饋型設(shè)備目前單套設(shè)備容量可達(dá)1.2MW， 不能滿足本項目的要求，且能量回饋到0.4kV 低壓電網(wǎng)可能會導(dǎo)致網(wǎng)壓存在較大波動，進(jìn)而影響0.4kV 低壓電網(wǎng)上設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。中壓能饋型設(shè)備相對于低壓能饋型設(shè)備具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，容量可以達(dá)到4MW，10kV 系統(tǒng)的容量要遠(yuǎn)大于0.4kV 系統(tǒng)，因此中壓能饋裝置相對于低壓能饋裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。因此逆變回饋方案選擇中壓能饋型較為合理。

按照最大工況，雙邊供電模式，各所一半進(jìn)行回饋估算，A 所額定回饋容量800kW，短時回饋容量1600kW；B 所額定回饋容量1600kW，短時回饋容量3000kW。 本次設(shè)計主要做了三種方案比選。

圖1 牽引變電所分布示意圖

2.1 牽引/回饋雙向變流（方案1）

整套系統(tǒng)直流側(cè)通過DC1500V 開關(guān)柜接入接觸網(wǎng)，再接入隔離開關(guān)柜、 牽引回饋雙向變流器柜和整流變壓器， 交流端通過整流變壓器原邊連接到12kV 中壓開關(guān)柜，最后接入中壓供電網(wǎng)，原理如圖2 所示。

該方案利用多電平整流/逆變技術(shù)，整流、回饋裝置二合一，系統(tǒng)簡單可靠， 是城市地鐵、輕軌變流技術(shù)的發(fā)展方向，輸出波形平滑、諧波含量低、機(jī)組效率高、占地少，系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用最低[5]，已有產(chǎn)品投入市場， 即將在寧波、長沙、烏魯木齊等地鐵工程中投入使用。

圖2 牽引/回饋雙向變流原理圖

2.2 整流加單獨(dú)回饋（方案2）

即采用回饋柜及回饋?zhàn)儔浩骰仞佒?0kV 側(cè)方案， 整套系統(tǒng)直流側(cè)通過DC1500V 開關(guān)柜接入接觸網(wǎng)， 再接入隔離開關(guān)柜、 回饋?zhàn)兞髌鞴窈突仞佔(zhàn)儔浩鳎?交流端通過變壓器連接到12kV 中壓開關(guān)柜，最后接入中壓供電網(wǎng)。

地面牽引變電所A所： 額定回饋容量800kW； 短時回饋容量1600kW；短時回饋時間30s，周期120s，原理如圖3 所示。

圖3 單獨(dú)回饋原理圖

2.3 回饋至整流變壓器二次側(cè)（方案3）

方案整流系統(tǒng)配置如方案2， 回饋接入點(diǎn)在在整流變壓器的二次側(cè)，原理如圖4 所示。

圖4 回饋至整流變壓器二次側(cè)原理圖

3 設(shè)計方案對比分析和選擇

根據(jù)上述的三種設(shè)計方案， 進(jìn)行各自優(yōu)缺點(diǎn)對比分析如下：

3.1 牽引/回饋雙向變流方案

優(yōu)點(diǎn)： 牽引回饋功能合二為一，無需另外單獨(dú)加裝回饋裝置， 需要設(shè)備及占地均有很大節(jié)約，降低投資成本。 牽引時通過PWM 變流器整流，穩(wěn)壓效果好，接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定，電壓波動小[6]。缺點(diǎn)：牽引回饋功能合二為一，對裝置可靠性要求高。

3.2 整流加單獨(dú)回饋方案

優(yōu)點(diǎn)：牽引回饋功能獨(dú)立，無相互干擾，系統(tǒng)可靠性高。 缺點(diǎn)：設(shè)備及占地較多，投資成本大。

3.3 回饋至整流變壓器二次側(cè)方案

優(yōu)點(diǎn)：利用原整流變，不再單獨(dú)增加中壓變壓器及中壓開關(guān)柜， 提高系統(tǒng)安全性且成本相對較低。 裝置體積小，便于安裝，放置。缺點(diǎn)：二極管整流器與回饋裝置之間存在固有環(huán)流；回饋能量受限于牽引變?nèi)萘?，?dāng)回饋出線故障時，容易對整流系統(tǒng)造成影響[7]。針對本項目，整流系統(tǒng)同時對上行和下行牽引網(wǎng)絡(luò)供電，如果回饋系統(tǒng)故障，可能會同時影響上行和下行雙向通行。

根據(jù)以上論述， 考慮到實際應(yīng)用于上行和下行兩個雙向， 且該系統(tǒng)架線車動力源， 可靠性和穩(wěn)定性尤為重要。因此采用方案1 和方案2 結(jié)合的辦法，即二極管整流加雙向變流的方案。

4 能饋系統(tǒng)設(shè)計介紹

工作系統(tǒng)原理示意圖如圖5 所示， 等效電路模型如圖6 所示，能饋系統(tǒng)主要由隔離開關(guān)柜、牽引/回饋雙向變流器柜及整流變壓器柜組成， 雙向變流器位于直流接觸網(wǎng)和AC10kV 之間，裝置采用基于PWM 控制的雙向變流器， 既可用來將車輛運(yùn)行過程中多余制動能量轉(zhuǎn)換后回饋到10kV 電網(wǎng)，也可以牽引整流器運(yùn)行，向直流電網(wǎng)提供牽引供能[8]。

圖5 工作系統(tǒng)原理圖

圖6 系統(tǒng)等效電路模型

車輛主要分為以下3 種工作狀態(tài)。

4.1 牽引狀態(tài)

車輛牽引運(yùn)行時，由整流器通過接觸網(wǎng)向車輛供電，能饋裝置不投入工作。

變電所出口電壓：Us=Uo-It×Rs

車輛變頻器電壓：

當(dāng)列車牽引時會使直流網(wǎng)電壓降低，待機(jī)狀態(tài)下雙向變流器檢測到直流端口電壓≤牽引電壓閾值時，裝置將立刻打開脈沖進(jìn)行牽引控制，直流網(wǎng)電壓也會維持穩(wěn)定。

4.2 回饋狀態(tài)

車輛電驅(qū)制動時，牽引電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，通過接觸網(wǎng)將制動能量反饋到變電所， 由能饋裝置吸收后回饋到10kV 電網(wǎng)，整流器不投入工作。

變電所出口電壓：Us=1700V（使用能饋裝置時）

車輛變頻器電壓：Ut=Us+Ib×（R1+R2）+Ib×Rt

當(dāng)列車制動時會使直流網(wǎng)電壓升高， 雙向變流器檢測到直流端口電壓≥回饋電壓閾值時， 裝置將立刻打開脈沖進(jìn)行回饋控制，將多余制動能量轉(zhuǎn)換后回饋到10kV電網(wǎng)，保持直流網(wǎng)電壓穩(wěn)定[9-10]。

4.3 待機(jī)狀態(tài)

雙向變流器工作于回饋或牽引過程中實時檢測直流電流，當(dāng)列車制動或牽引過程中直流電流≤待機(jī)電流時，持續(xù)5s 后裝置封鎖脈沖轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)（待機(jī)電流下的回饋能量小于變流器自身損耗，不需要進(jìn)行回饋）

本能量回饋裝置通過檢測直流母線電壓來控制回饋裝置工作， 可將車輛運(yùn)行過程中產(chǎn)生的多余能量由直流電逆變?yōu)榻涣麟姡仞佒?0kV 交流電網(wǎng)。

按最大運(yùn)行工況時考慮能量回饋容量： 額定回饋容量800kW；短時回饋容量1600kW；短時回饋時間30s，周期120s。 裝置回饋電能時，回饋至10kV 交流電網(wǎng)的電能功率因數(shù)接近于1。

雙向變流器的開關(guān)頻率為1500Hz， 開關(guān)周期666.7μs，啟動后處于待機(jī)狀態(tài)，實時檢測雙向變流器直流端口電壓， 當(dāng)檢測到雙向變流器直流端口電壓大于回饋閾值或小于牽引閾值時， 能夠在1 個開關(guān)周期 （即666.7μs）內(nèi)打開脈沖進(jìn)行回饋或牽引運(yùn)行，保持接觸網(wǎng)網(wǎng)電壓穩(wěn)定[11]。

5 系統(tǒng)試驗驗證

煤礦變電A 所雙向變流器在現(xiàn)場回饋功能測試中，通過調(diào)節(jié)車輛的輸出速率來測試雙向變流器的直流電壓超調(diào)。 測試結(jié)果如圖7 所示，由圖分析可見：雙向變流器回饋閾值為1700V， 車輛按照5MW/s 的速度出功率使直流電壓快速升高，從0 到短時運(yùn)行滿功率（2MW）過程中，直流母線電壓最大超調(diào)為1740V， 直流電壓超調(diào)量為2.35%，小于一般要求的5%，通過控制很快恢復(fù)到1700V。

圖7 煤礦現(xiàn)場直流母線電壓動態(tài)超調(diào)測試結(jié)果

另外，系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場試驗運(yùn)行，雖然采用了牽引/回饋雙向變流器設(shè)計，且運(yùn)用了比較先進(jìn)的控制算法，可大大減小架線車輛上的變頻器出現(xiàn)過壓風(fēng)險， 但受現(xiàn)場環(huán)境和弓網(wǎng)接觸性能時而不良的影響， 偶爾會出現(xiàn)無法及時吸收車輛多余能量的情況， 此時接觸網(wǎng)壓會迅速上升超過車輛變頻器的過壓保護(hù)設(shè)定值， 因此架線車上還應(yīng)該配置過壓吸收電阻[12]，用于迅速吸收回饋過程中的瞬時過電壓， 防止車輛變頻器回饋時出現(xiàn)過壓保護(hù)而造成停機(jī)。

6 結(jié)論

綜合來看，此種能饋系統(tǒng)的設(shè)計方式，可收集無軌膠

輪運(yùn)輸車輛運(yùn)行中產(chǎn)生的多余能量， 進(jìn)而回饋到高壓電

網(wǎng)用來供其他設(shè)備使用， 以便使直流牽引網(wǎng)電壓維持在

穩(wěn)定的范圍， 達(dá)到滿足車輛重載情況下的上坡牽引和下

坡回饋運(yùn)行的需求， 對于解決無軌架線車輛在長距離的坡道上運(yùn)行時制動系統(tǒng)容易發(fā)熱失效的安全問題起著重要意義。