地鐵再生電能逆變回饋裝置的閾值設置研究

徐榮欣

（廈門軌道交通集團，福建 廈門361000）

1 概述

地鐵再生電能是指電客車在制動時將機械能通過牽引電機和變流單元傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)上，給與其他用電設備使用的電能。軌道交通電客車輛每天在線路上頻繁制動，理論上能實現(xiàn)50%左右的再利用[1]，這些能量如何吸收利用是目前地鐵牽引供電行業(yè)研究的熱點問題。再生電能逆變回饋裝置是目前采用比較廣泛的工程方案，它能夠把這部分電能吸收到地鐵中壓35kV 或者低壓400V 交流系統(tǒng)中去。相比傳統(tǒng)的制動電阻方式，不僅可以有效控制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，也能重復利用這些再生電能達到節(jié)能目的，國內(nèi)外各種地鐵，很多試驗性安裝了一臺或者幾臺的再生能吸收利用裝置。廈門地鐵2 號線設置了一套中壓再生能回饋裝置系統(tǒng)，在正線全部16 個牽引變電所均有安裝，并且與其他地鐵不同的是，撤除了全部車載制動電阻，使得再生電能的吸收利用完全依賴再生能回饋裝置。如何在這種工況下從牽引供電系統(tǒng)角度利用好這套設備以取得最佳效能，同時保證接觸網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定，提供足夠車輛制動力，有必要進行一些研究。

2 再生能回饋裝置原理分析

圖1 能饋裝置組成

再生能回饋裝置（以下簡稱能饋裝置）主要由直流隔離開關柜、變流器柜和回饋變壓器柜組成，其中直流隔離開關柜和變流器柜并柜安裝，其組成如圖1。

裝置直流側通過直流開關柜以并聯(lián)的方式接入牽引變電所的直流母線，裝置交流側通過回饋變壓器和35kV 開關柜接入到35kV 母線，實時檢測直流母線的電壓，當母線電壓達到回饋啟動閾值時，經(jīng)過內(nèi)部控制電壓環(huán)計算得出回饋電流指令信號，再通過電流閉環(huán)和脈沖寬度調制后，驅動主電路絕緣柵雙極性晶閘管(IGBT)輸出得到期望回饋。接觸網(wǎng)上電能經(jīng)變流器柜逆變?yōu)?050V交流電傳輸?shù)交仞佔儔浩鞯蛪簜龋龎簽?5kV交流電輸送回中壓環(huán)網(wǎng)中，實現(xiàn)再生電能吸收。

3 有能饋裝置、無制動電阻的牽引供電系統(tǒng)中電能流動分析

裝有能饋裝置的牽引供電系統(tǒng)的原理如圖2 所示。

圖2 電能流動示意圖

其可以等效為圖3 的電路圖。

圖3 等效電路圖

通過上圖可以看出，在不考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)損耗的條件下，當系統(tǒng)中無車啟動空氣制動時，任何時候整個牽引供電系統(tǒng)中電功率處于平衡狀態(tài)，其表達式為：

其中n1表示同時在取流狀態(tài)的電客車數(shù)量，n2表示同時在再生制動狀態(tài)的電客車數(shù)量，n3表示同時在整流出力狀態(tài)的整流機組數(shù)量，n4表示同時在回饋狀態(tài)的能饋裝置數(shù)量。Pm表示單個電客車取流功率，Pg表示單個電客車再生制動功率，Pz表示單臺整流機組整流功率，Pc表示單臺能饋裝置回饋功率。

系統(tǒng)中電客車總取流負荷電功率表示為：

4 牽引供電系統(tǒng)中電功率的暫態(tài)分析

4.1 當系統(tǒng)中處于電制動狀態(tài)的電客車數(shù)量減少或者取流狀態(tài)的電客車數(shù)量增多時，電客車再生電能輸出功率Pg大于電客車取流負荷功率Pm。此時電制動電客車中的電機轉子扭矩不足，發(fā)電機轉速上升抬升兩端電壓，引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，此時Pg＞Pm+Pc。

4.2 能饋裝置控制器在檢測到接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升到能饋啟動閾值Uo時，通過控制IGBT 工作，將逆變裝置投入直流母線，直流系統(tǒng)中額外的Pg輸入到35kV系統(tǒng)中。電制動工作狀態(tài)電機轉速恢復，兩端電壓恢復，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓隨之恢復。此時Pg=Pm+Pc。

4.3 當系統(tǒng)中處于電制動狀態(tài)的電客車數(shù)量增多或者取流狀態(tài)的電客車數(shù)量減少時，Pg＜Pm。能饋裝置控制器在檢測到回饋電流為0 時，控制IGBT關斷逆變裝置退出運行，此時Pg=0，缺少的電功率由整流機組補充，此時Pg=Pm+Pz。

通過分析上述暫態(tài)過程可以發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)處于Pg＞Pm+Pc狀態(tài)時，如果能饋裝置沒有適時投入直流母線，那么接觸網(wǎng)網(wǎng)壓將繼續(xù)會快速升高，達到電客車空氣制動介入閾值，導致電客車進行空氣制動，車輛動能被白白浪費在閘瓦輪對的摩擦內(nèi)能上，這個情形應該避免。同時，當系統(tǒng)處于Pg=Pm+Pc狀態(tài)時，再生電功率分別流向電客車取流電動機和能饋裝置。

其中取流電動機的損耗與其獲得的動能的比是個固定值，不會因為電功率是來自再生電能或者整流機組而改變。而能饋裝置的損耗則與通過它的電功率有正比關系。所以應盡量使Pm盡量大，Pc盡量小，以減少系統(tǒng)電功率損耗。

綜上所述，能饋裝置的啟動時機，是直接影響到再生能利用率的關鍵。也就是說應選擇合理的啟動閾值，保證接觸網(wǎng)網(wǎng)壓低于電客車空氣制動介入閾值的同時，盡量減少再生電能流向能饋裝置。

5 實際驗證

以廈門地鐵2 號線為例，其車輛空氣制動啟動值為1890V。接觸網(wǎng)空載電壓為直流1700V。正線共有16 個牽引變電所，每個牽引變電所都安裝了一套2.5MW的能饋裝置。初始啟動電壓閾值站平均為1722。試驗中對正線全部16 臺同時進行了多次閾值調整，記錄閾值調整后的能饋回饋電量和車載系統(tǒng)空氣制動介入次數(shù)。試驗結果如表1：

表1 啟動閾值調整結果

圖4 啟動閾值與日均回饋電量趨勢

通過觀察表1 結果我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著啟動閾值的升高，能饋日均回饋電量呈現(xiàn)出下降趨勢，在1780V時，日均回饋電量趨于穩(wěn)定。整個過程中平均啟動電壓從1722V 至1787V 之間，車輛空氣制動均未介入。

節(jié)約損耗計算：能饋裝置損耗包括自身損耗與循環(huán)損耗，約占6%，按初始回饋啟動值1722V 計算，通過調整到1787V，減少了466kW·h/天的損耗，一年可節(jié)約170206kW·h。

6 結論

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，再生電能逆變回饋裝置能夠有效控制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，利用多余再生電能，其使用前景必將越來越廣。本次研究闡明了安裝能饋裝置無車載制動電阻的1500V直流牽引供電系統(tǒng)中的電能流向原理，并就此提出了能饋裝置啟動電壓閾值的調整方法，并作了相應現(xiàn)場實際驗證。明確提出在不出現(xiàn)車輛空氣制動情況的基礎上，能饋啟動電壓越高節(jié)能效果越好的結論，為今后能饋裝置在其他線路上運用提供了一定依據(jù)。