城市軌道交通制動能量協(xié)同吸收技術(shù)應(yīng)用研究

白錫彬

0 引言

我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，北京、上海、廣州、深圳等大城市及一些中等城市大力發(fā)展地鐵、輕軌等城市軌道交通項目。城市軌道交通具有運量大、行車速度快、舒適性好等優(yōu)點，由于采用電力牽引，不僅直接污染排放小，而且在同等運力情況下相對公共汽車等其他交通方式更加節(jié)能。隨著城市軌道交通開通線路逐漸增多，其能源消耗越來越大，逐漸引起了人們的重視。隨著環(huán)境污染的加劇和國家節(jié)能減排政策的出臺，解決好城市軌道交通能耗問題，促進行業(yè)良好發(fā)展，構(gòu)建更加綠色智能的城市軌道交通體系具有重要意義。

隨著行業(yè)研究的逐步深入，城市軌道交通運營成本中的電能消耗往往占據(jù)了運營能耗的一半以上。牽引供電系統(tǒng)作為城市軌道交通重要組成部分，承擔(dān)著提供電能的作用。由于大多數(shù)城市軌道交通線路站間距較小，車輛需要頻繁啟動、制動，在這過程中消耗了大量的能量，一般可達(dá)到總牽引電能消耗的20%～40%。傳統(tǒng)的機械制動是通過設(shè)置在隧道內(nèi)或車載的制動電阻將電能以熱能的形式消耗掉，這樣不但造成能源的浪費，部分區(qū)段制動電阻還會產(chǎn)生噪聲等二次污染，隧道內(nèi)為保持溫度也要為制動電阻單獨加裝風(fēng)扇等散熱設(shè)備，給維護維修帶來負(fù)擔(dān)。如何解決制動能量浪費問題成為國內(nèi)外軌道交通行業(yè)研究的熱點。

目前，國內(nèi)主流的解決方案是應(yīng)用大功率電力電子技術(shù)，在沿線變電所合理設(shè)置再生制動能量吸收裝置，當(dāng)車輛產(chǎn)生的再生制動能量不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時，接觸網(wǎng)的電壓很快上升，當(dāng)網(wǎng)壓上升到一定程度后，將列車的制動能量回饋到交流中壓環(huán)網(wǎng)，維持直流牽引網(wǎng)壓不超限值，最大限度地發(fā)揮電制動性能，同時避免列車再生制動能量在制動電阻上的消耗。目前在行業(yè)內(nèi)逐漸達(dá)成共識，在新線的變電所內(nèi)安裝能饋裝置，可以取消車載制動電阻和相應(yīng)的斬波裝置，從而降低線路建設(shè)成本和列車運營成本。

1 傳統(tǒng)制動能量吸收技術(shù)

目前常用的制動能量吸收方法為“恒壓吸收”，圖1 所示為傳統(tǒng)的恒壓吸收曲線，A點為吸收裝置最大功率點，②段曲線為恒功率曲線。由此可見，在中壓能饋型再生制動能量回饋裝置（簡稱“中壓能饋裝置”）容量范圍內(nèi)，直流電壓被控制在U1[1]以下。

圖1 恒壓吸收曲線

恒壓吸收方案控制相對簡單，有利于維持網(wǎng)壓恒定，但是由于列車短時制動功率峰值較大，需要能饋裝置的容量相應(yīng)較大，增加了設(shè)備成本；單個車站能量在很短的時間內(nèi)集中返回，造成中壓環(huán)網(wǎng)網(wǎng)壓抬高，部分能量未在地鐵系統(tǒng)內(nèi)部消納而直接返回到電力系統(tǒng)其他用戶端，無法為地鐵公司帶來直接的經(jīng)濟效益。

2 制動能量協(xié)同吸收技術(shù)方案

為了降低系統(tǒng)運營成本，提高再生制動能量利用率，研究在傳統(tǒng)“恒壓吸收”方案的基礎(chǔ)上，采用基于“變壓吸收”的列車再生制動能量分布式協(xié)同吸收方案。該方案是借助“虛擬內(nèi)阻”的概念，在列車制動時，隨著制動功率增大，通過控制裝置直流側(cè)等效內(nèi)阻，使各變電所中壓能饋裝置吸收電壓在一定范圍內(nèi)線性升高，從而觸發(fā)相鄰站中壓能饋裝置提前投入工作，使得列車進站時的再生制動峰值功率能夠被多個相鄰站的中壓能饋裝置共同吸收，進而減小對單個站的功率沖擊，有利于再生制動能量在地鐵系統(tǒng)內(nèi)部更好地被利用，降低電能反送城市電網(wǎng)的概率。該方案系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)框圖

在地鐵建設(shè)初期，為使回饋至兩段母線的能量盡可能相等，將相鄰變電所中壓能饋裝置交替連接至兩段中壓母線上，另一端接至直流牽引網(wǎng)DC 750 V/1 500 V[2]。通過安裝在饋線上的電流傳感器將能饋裝置的負(fù)荷電流信號傳送至控制單元，控制單元通過電流值計算能饋裝置負(fù)荷率，從而控制虛擬電阻r的大小及給定持續(xù)時間。

當(dāng)列車進行制動停車時，直流系統(tǒng)網(wǎng)壓升高，當(dāng)網(wǎng)壓升高到一定限制值U1時，能饋裝置啟動，進入逆變工作區(qū)，將列車制動能量回饋至中壓環(huán)網(wǎng)。圖3 所示為分步式協(xié)同吸收曲線，①段曲線為恒壓吸收曲線，當(dāng)吸收電流達(dá)到限制值I1時，由控制器發(fā)出指令給定虛擬電阻r，通過輸出外特性虛擬阻抗r，就近變電所中壓能饋裝置直流電壓在一定范圍內(nèi)線性升高，從而觸發(fā)相鄰站中壓能饋裝置也投入工作，使得列車制動時的再生制動峰值功率能夠被多個相鄰站的中壓能饋裝置共同吸收，如②段曲線所示[1]；當(dāng)本站能饋裝置功率達(dá)到A點吸收裝置最大功率點時，將按照③段恒功率曲線運行。通過控制能量回饋裝置的運行曲線，使回饋至兩段母線的能量盡可能相等，使再生制動能量在地鐵系統(tǒng)內(nèi)部更好地被利用，以降低電能反送城市電網(wǎng)的概率[1]?？刂栖浖鞒倘鐖D4 所示。

圖3 協(xié)同吸收曲線

圖4 控制軟件流程

3 工程實施

在系統(tǒng)中設(shè)置協(xié)同控制器，控制器通過光纖與各站中壓能饋裝置通信，能饋裝置通過人工或自動方式獲取線路運營信息。內(nèi)部軟件根據(jù)線路實際運營信息計算各站中壓能饋裝置吸收功率，將啟/停門限控制電壓參數(shù)下發(fā)至各站，從而實現(xiàn)對各站吸收功率進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)框圖見圖5。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

單個站中壓能饋設(shè)備主要包括能饋變壓器、逆變柜、隔離開關(guān)柜等，如圖6 所示。

圖6 單站中壓能饋裝置系統(tǒng)圖

在現(xiàn)場設(shè)備安裝完成后對設(shè)備的保護定值、閉鎖功能進行校驗，并對綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能進行驗證。其中核心設(shè)備逆變柜的試驗主要包括絕緣電阻、交流工頻耐壓、閉鎖與保護等試驗。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證，在設(shè)備啟動、機車牽引、機車制動等特殊工況下，裝置運行穩(wěn)定，試驗波形如圖7 所示。

通過對工程各牽引變電所每日牽引電量和每日回饋電量的統(tǒng)計，各站節(jié)能（回饋電能）情況如圖8 所示。

圖7 試驗波形

圖8 節(jié)能效果柱狀圖

4 結(jié)語

從現(xiàn)場試驗波形及節(jié)能效果柱狀圖可以看出，能量回饋裝置采用協(xié)同吸收技術(shù)后運行穩(wěn)定，可充分發(fā)揮列車再生制動能力、減少機械制動投入的頻率，節(jié)能效果明顯。但由于受站間距離、線路坡度、發(fā)車間隔等多種因素影響，各變電所節(jié)能效果差距較大，下一步將從整個供電系統(tǒng)層面綜合分析影響節(jié)能的各種因素，研究節(jié)能指標(biāo)的評估方法。