基于逆變型能量回饋系統(tǒng)的地鐵保護配置方案設(shè)計研究

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵運營已然由少數(shù)幾條線路轉(zhuǎn)向成網(wǎng)運行。隨著城市軌道交通需求的不斷增大，地鐵站間距離不斷縮小，行車密度不斷增大，地鐵車輛需要不斷在牽引啟動和減速制動工況之間切換，這樣的運行特點使得機車既會消耗大量的牽引電能，又會在制動過程中產(chǎn)生大量的制動能量回饋。對于地鐵車輛運行在減速制動工況下產(chǎn)生的再生制動能量，如果不能及時被車載制動電阻或同時運行的其他列車吸收時，會對直流母線電壓的穩(wěn)定產(chǎn)生沖擊。因此，如何對地鐵車輛再生制動能量加以有效利用成為國內(nèi)外研究的重點。

當前，日本、歐美等地區(qū)研究較早，已有再生制動裝置成功運用的經(jīng)驗[1]。而國內(nèi)已建設(shè)的地鐵線路中，采用的再生制動回饋裝置主要有三類：儲能設(shè)備型、電阻耗能型和逆變回饋型。其中，儲能設(shè)備型裝置主要分為飛輪儲能型和電容儲能型兩種，當?shù)罔F車輛處于啟動牽引或制動工況時，可利用安裝在車站的儲能設(shè)備型裝置對能量進行相應(yīng)的吸收或釋放，從而有效改善牽引網(wǎng)直流電壓質(zhì)量[2]，但這兩種儲能設(shè)備型裝置目前應(yīng)用程度較低，尚未有成熟的國內(nèi)廠家可以生產(chǎn)制造。電阻耗能型裝置依靠IGBT與制動電阻共同作用，將制動產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為熱能[3]，它在國內(nèi)的早期地鐵線路中應(yīng)用較為廣泛，但由于電阻耗能型裝置在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱，在造成資源浪費的同時還給隧道內(nèi)通風排熱系統(tǒng)造成負擔，并存在裝置使用壽命短等隱患。逆變回饋型裝置主要由開關(guān)柜、三相變流器柜、隔離變壓器組成，一旦牽引網(wǎng)電壓超過逆變器控制回路設(shè)定閾值，回饋型裝置便即刻投入系統(tǒng)，并將直流電網(wǎng)中電流逆變?yōu)?0 Hz交流電，并反饋到中壓交流電網(wǎng)中，從而實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓[4]。

綜上，基于再生制動逆變型能量回饋的方案憑借其具有能量雙向流動的優(yōu)勢得到了業(yè)內(nèi)廣泛的推崇，該方案可將地鐵車輛制動產(chǎn)生的能量進行回收再利用，有效解決了制動能量浪費且減輕了通風空調(diào)對隧道內(nèi)溫升排放的負擔[5]。但是，隨著逆變型能量回饋系統(tǒng)并入供電網(wǎng)絡(luò)，能量的反向輸送對既有供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了新的影響，例如反饋的能量會造成供電網(wǎng)絡(luò)電壓的抬升，從而威脅到供電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。逆變型能量回饋系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用實際上也對供電系統(tǒng)的保護配置方案提出了新的要求[6-7]，所以合理地設(shè)計逆變型能量回饋系統(tǒng)的地鐵保護配置方案很有必要。

本文首先對典型逆變回饋系統(tǒng)基本原理進行分析，并在此基礎(chǔ)上建立了逆變回饋系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)牽引網(wǎng)電壓的仿真結(jié)果改進了既有地鐵交直流系統(tǒng)保護配置方案，并且確立了新方案下繼電保護的范圍，增加了逆變器保護裝置，從而保障地鐵供電網(wǎng)絡(luò)的安全與可靠，有效解決了能量的反向輸送對既有供電網(wǎng)絡(luò)的影響。

1 逆變回饋系統(tǒng)的基本原理

逆變回饋系統(tǒng)采用能量回饋方式，通過控制大功率逆變器的工作狀態(tài)，將直流牽引網(wǎng)上的再生制動能量逆變反饋到交流電網(wǎng)中[8-9]。該系統(tǒng)包括隔離開關(guān)、回饋變流器、隔離變壓器等功能部件，其中作為核心功能部件的回饋變流器由電力電子器件IGBT、控制電路與濾波器等構(gòu)成[10]。機車再生制動時可通過逆變回饋系統(tǒng)將多余電能傳遞給交流側(cè)的電網(wǎng)中，從而確保整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

實現(xiàn)再生制動電能回饋至交流供電網(wǎng)絡(luò)的主要思路是根據(jù)直流牽引網(wǎng)電壓、電流等狀態(tài)量的變化，利用回饋裝置的控制系統(tǒng)判定列車是否處于制動工況，當車輛制動返送的電能導致直流側(cè)牽引網(wǎng)壓超過閾值時，立刻向供電系統(tǒng)中投入再生電能回饋裝置，從而將列車再生制動電能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)中壓工頻交流電供給本站或相鄰車站的用電負荷[11]。

典型逆變型能量回饋系統(tǒng)接線圖如圖1所示。當檢測裝置監(jiān)測到DC 1 500 V母線電壓大于設(shè)定閾值時，將逆變回饋裝置投入系統(tǒng)，機車產(chǎn)生的再生電流通過圖1中虛線路徑回饋至中壓交流供電網(wǎng)，最終達到母線電壓、電流相對穩(wěn)定和回收能量的目的。

圖1 典型逆變型能量回饋系統(tǒng)接線圖Fig.1 Diagram of typical inverse energy feedback system

2 牽引及逆變回饋系統(tǒng)建模及仿真分析

2.1 逆變回饋系統(tǒng)建模

現(xiàn)有的地鐵牽引供電系統(tǒng)中，牽引網(wǎng)電壓在地鐵列車制動情況下很容易迅速升高，甚至有可能超過牽引網(wǎng)網(wǎng)壓允許波動的范圍，這給城市軌道交通帶來了很大的安全隱患。再生制動能量回饋系統(tǒng)中的核心部分為大功率逆變器，本文采用三相電壓型PWM逆變器[12]，將地鐵機車再生制動時產(chǎn)生的電能經(jīng)PWM變流器逆變回到交流電網(wǎng)，供其它負載使用。該能量回饋系統(tǒng)不僅能夠保持直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，還能同時解決電能的浪費以及隧道內(nèi)通風散熱等問題。

逆變回饋系統(tǒng)裝置的組成模塊如圖2所示，該系統(tǒng)主要分為主電路和控制電路兩部分，其中主電路的主要組成部分為回饋變流器、逆變器驅(qū)動模塊、LCL濾波器和隔離變壓器，控制電路采用SVPWM脈沖生成策略。

圖2 逆變回饋裝置示意圖Fig.2 Schematic of inverter feedback device

圖3為逆變回饋系統(tǒng)的主電路仿真模型，其中，Udc為直流側(cè)電壓，其主要參數(shù)如表1所示。

圖3 地鐵逆變回饋系統(tǒng)主電路模型Fig.3 Main circuit model of subway inverter feedback system

表1 主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters

逆變回饋系統(tǒng)控制電路采用SVPWM矢量控制方法，電壓和電流采用雙環(huán)PI控制方式（電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)），非工作狀態(tài)下，傳感器對直流牽引網(wǎng)電壓進行實時檢測，當傳感器檢測到電壓超過設(shè)定閾值（1 680 V）時，電壓信號將觸發(fā)逆變器工作，對直流牽引網(wǎng)電壓進行調(diào)節(jié)[13]。當傳感器檢測到電壓低于閾值后，傳感器信號消失，逆變回饋裝置停止運行，等待下一次電壓信號的來臨。逆變回饋系統(tǒng)的控制電路仿真模型如圖4所示。

圖4 地鐵逆變回饋系統(tǒng)控制電路模型Fig.4 Control circuit model of subway inverter feedback system

2.2 牽引供電系統(tǒng)建模

為了簡化建模過程，對機車和牽引變電站進行簡化處理，將機車用受控源進行替換，將牽引變電站利用24脈波整流模塊進行替換[3]。由于是直流供電，牽引網(wǎng)和鋼軌利用電阻代替。牽引供電系統(tǒng)在Simulink中的等效仿真模型如圖5所示。其中Rw為接觸網(wǎng)等效電阻，R為鋼軌等效電阻，Rg為過渡電阻，Rd為大地等效電阻。

圖5 牽引供電系統(tǒng)等效仿真模型Fig.5 Equivalent simulation model of traction power supply system

2.3 仿真分析

為模擬地鐵動車組制動時的狀態(tài)，仿真中做如下假設(shè)：1）地鐵動車組在制動過程中以恒定加速度減速；2）一個供電區(qū)間內(nèi)只有一輛機車運行。

仿真時設(shè)定最大速度為45 km∕h，對應(yīng)轉(zhuǎn)速1 800 r∕min。逆變回饋系統(tǒng)投入前后直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓波形如圖6所示，直流牽引網(wǎng)電流波形如圖7 所示。其中，Ud1∕Id1和 Ud2∕Id2分別為逆變回饋裝置投入前后直流牽引網(wǎng)的電壓∕電流波形。

圖6 逆變回饋裝置工作前后牽引網(wǎng)電壓波形對比Fig.6 Comparison diagram of traction network voltage waveforms before and after operation of inverter feedback device

圖7 逆變回饋裝置工作前后牽引網(wǎng)電流波形對比Fig.7 Comparison diagram of traction network current waveforms before and after operation of inverter feedback device

由圖6可以看出，t=1.0 s時，地鐵車輛開始進入制動工況，此時電動機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)，為地鐵車輛的制動提供制動力矩，并將多余的電能返送至牽引網(wǎng)，這導致牽引網(wǎng)壓迅速抬升，其中Ud1峰值攀升至2 550 V附近，然后逐漸穩(wěn)定在2 300 V附近。由于仿真中沒有接入其他機車負載，此時多余的能量不能消耗或吸收。但在投入逆變回饋裝置后，當牽引網(wǎng)電壓Ud2迅速升高并超過1 680 V的閾值時，電壓傳感器檢測到直流牽引網(wǎng)電壓變化，觸發(fā)逆變回饋裝置進入逆變工作狀態(tài)，立即將直流側(cè)的能量回饋到高壓交流電網(wǎng)中，成功降低網(wǎng)壓Ud2，并可穩(wěn)定在閾值1 680 V附近。與此同時，由圖7可看出，投入逆變回饋裝置后也可有效降低直流側(cè)牽引網(wǎng)的回流電流Id2，從而保證直流牽引網(wǎng)的安全及穩(wěn)定性。

3 交直流側(cè)保護配置方案及影響分析

目前國內(nèi)現(xiàn)有地鐵牽引供電系統(tǒng)主要采用直流牽引供電系統(tǒng)，由交流側(cè)和直流側(cè)組成，其中交流側(cè)主要元件為牽引變壓器（traction trans?former）及整流器（rectifier），直流側(cè)主要包含饋線回路。而現(xiàn)有地鐵牽引供電系統(tǒng)的繼電保護配置方案存在著“拒動”和“誤動”的潛在風險，因此，如何對現(xiàn)有的繼電保護配置方案進行改進成為國內(nèi)外學者的關(guān)注重點。本節(jié)以地鐵直流牽引供電系統(tǒng)為研究對象，對交、直流側(cè)保護配置方案進行分析。

3.1 交流側(cè)保護配置方案及影響分析

根據(jù)目前典型的地鐵繼電保護裝置的特點，交流側(cè)牽引網(wǎng)主要選用的保護裝置為電流速斷保護和過電流保護，其保護裝置均不具備判別電流方向的功能，交流側(cè)保護配置方案如圖8所示。

圖8 典型交流側(cè)護配置方案Fig.8 Typical protection configuration scheme of AC-side

當逆變回饋的能量達到一定的量級，會造成整個地鐵中壓系統(tǒng)潮流的劇烈變化，嚴重影響地鐵供電交流側(cè)保護裝置的可靠運行。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，再生制動回饋的電能具有間歇性強、瞬時功率大的特點，一旦牽引變壓器容量達到4 MV·A，變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流難免造成交流側(cè)保護裝置誤動，影響牽引供電系統(tǒng)的正常供電[14]。因此，當逆變回饋裝置并入中壓系統(tǒng)后，需要對逆變回饋瞬時最大功率、間隔時間等因素綜合分析，分析是否存在引發(fā)交流系統(tǒng)保護誤動的風險。

3.2 直流側(cè)保護配置方案及影響分析

現(xiàn)有的地鐵直流保護配置方案有大電流脫扣保護、電流增量（ΔI）保護、熱力過負荷保護等多種保護方式[14]，直流側(cè)保護配置方案如圖9所示。

圖9 典型直流側(cè)保護配置方案Fig.9 Typical protection configuration scheme of DC-side

由于逆變回饋裝置中主要通過采集直流母線電壓的大小來判斷車輛是否進入制動工況以及是否啟動逆變回饋裝置，在直流系統(tǒng)這一側(cè)逆變回路的饋線與其它饋線回路相對獨立，且整流器目前并不具備逆變反向輸送的功能，因此逆變回饋對直流系統(tǒng)既有保護配置影響不大?？紤]到逆變回饋裝置的并柜（開關(guān)柜并行連接方式）安裝策略，故需對直流系統(tǒng)的框架保護重新布置，降低由于逆變裝置出現(xiàn)的框架故障導致直流牽引系統(tǒng)退出運行的風險。

由于地鐵直流側(cè)保護配置方案的配合狀態(tài)互不影響，高效的保護配合機制相對匱乏。因此在牽引供電線路末端發(fā)生短路故障時，短路電流大小與機車啟動電流相近，容易導致地鐵繼電保護系統(tǒng)拒動；而當牽引供電系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，容易導致地鐵繼電保護系統(tǒng)誤動[12，15-16]。

4 能量返送下的保護配置方案改進

能量的反向輸送對既有供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了新的影響，對供電系統(tǒng)的保護配置方案提出了新的要求。本節(jié)主要對既有地鐵交直流系統(tǒng)保護配置方案進行改進。

根據(jù)某地鐵線路仿真計算的結(jié)果，再生逆變回饋能量波形如圖10所示，車輛制動產(chǎn)生的瞬時最大功率約4 MW，因此折算到35 kV中壓側(cè)，每相電流約64 A。35 kV交流系統(tǒng)設(shè)置的保護參數(shù)為：相CT變比為400∶1；相電流整定值為1.25 A[17]。因此，車輛制動在每相二次側(cè)產(chǎn)生的電流約為 64∕400=0.16 A，遠小于整定值 1.25 A。因此，逆變回饋電流數(shù)量級不會對交流側(cè)電流保護發(fā)生影響，從而導致保護裝置誤動。

圖10 某地鐵站再生逆變回饋能量波形Fig.10 Feedback energy waveform on a subway Station

但直流系統(tǒng)需根據(jù)再生逆變裝置并柜特點，對既有的框架電流保護范圍進行調(diào)整。即：

1）1#框架電流元件保護范圍為整流器柜與負極柜，電流元件的跳閘范圍為交直流側(cè)斷路器；

2）2#框架電流元件保護范圍為進線柜與饋線柜（包括再生逆變的饋線柜），電流元件跳閘范圍為直流側(cè)所有斷路器并且聯(lián)跳交流側(cè)斷路器；

3）增加3#框架，電流元件保護范圍為再生功率柜與控制柜，電流元件跳閘范圍為再生裝置的交直流側(cè)斷路器，如圖11所示。

圖11 框架電流保護范圍劃分Fig.11 Frame current protection range

5 結(jié)論

本文首先分析了逆變回饋系統(tǒng)的原理及建立了逆變回饋系統(tǒng)的Matlab∕Simulink仿真模型，并對既有地鐵交直流系統(tǒng)保護配置方案進行改進，重新劃分了繼電保護范圍，增加了逆變器保護裝置，提出了一種基于逆變型能量回饋系統(tǒng)的地鐵保護配置方案，從而保障地鐵供電網(wǎng)絡(luò)的安全與可靠。本文主要得出了以下結(jié)論：

1）逆變回饋裝置監(jiān)測到網(wǎng)壓變化能快速地將直流牽引網(wǎng)上的能量逆變到中壓環(huán)網(wǎng)，電壓下降，使其穩(wěn)定在某個閾值，最終達到母線電壓、電流相對穩(wěn)定和回收能量的目的。

2）逆變回饋系統(tǒng)并入地鐵中壓系統(tǒng)后對交流側(cè)中壓保護配置方案不會產(chǎn)生影響。

3）直流側(cè)保護配置方案應(yīng)根據(jù)逆變回饋系統(tǒng)的拼柜特點對框架保護的電流元件進行重新劃分，降低逆變回饋系統(tǒng)框架故障對直流牽引系統(tǒng)的影響。