再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)應(yīng)用研究

陳旭

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510310）

0.引言

伴隨著城市軌道交通的高速發(fā)展及運(yùn)營里程的急劇增加，對(duì)電能的需求快速增長。城市軌道交通列車運(yùn)營時(shí)需要頻繁起動(dòng)和制動(dòng)，也提高了對(duì)電能質(zhì)量的要求。當(dāng)列車起動(dòng)時(shí)，車輛從接觸網(wǎng)（軌）吸收了大量的電能，實(shí)現(xiàn)高速加速。當(dāng)列車進(jìn)站制動(dòng)剎車時(shí)，列車采用電制動(dòng)為主的制動(dòng)剎車方式，其制動(dòng)剎車產(chǎn)生的電能占車輛牽引電能的比例約為30%～40%，這部分再生制動(dòng)電能除少部分能被相鄰加速車輛吸收外，其余大部分的能量需要被吸收消耗掉，以維持直流牽引系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，否則直流牽引系統(tǒng)電壓過高會(huì)引起相關(guān)設(shè)備損壞，并且影響列車制動(dòng)效果。如何合理的利用好這部分剎車能量，對(duì)城市軌道交通牽引系統(tǒng)節(jié)能降耗將是一個(gè)巨大的貢獻(xiàn)。

1.再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的再生制動(dòng)能量吸收方式主要采用電阻消耗型方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功能單一，僅僅通過列車電阻和能饋電阻發(fā)熱將列車制動(dòng)能量消耗，并沒有對(duì)制動(dòng)電能回收利用。同時(shí)電阻會(huì)增加設(shè)備房和以及車重，電阻發(fā)熱環(huán)境溫度升高又加重通風(fēng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步引起能源浪費(fèi)。最后電阻本身發(fā)熱量大，需要維護(hù)的頻率及本身的老化程度也會(huì)加快，不符合目前節(jié)能環(huán)保的理念。目前新型再生制動(dòng)能量回饋方案主要有3種：飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)、逆變回饋系統(tǒng)。飛輪和電容儲(chǔ)能型設(shè)備的節(jié)能效果很好，缺點(diǎn)是要設(shè)置巨大的電容器，并組合轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械飛輪裝置作為儲(chǔ)能部件，設(shè)備成本很高，不利于安裝維護(hù)且存儲(chǔ)電量有限。而逆變回饋型方案有成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、維護(hù)量小等顯著優(yōu)點(diǎn)。從城市軌道交通節(jié)能環(huán)保的理念考慮，再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置的使用是地鐵建設(shè)供電牽引制動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)主流選擇，下面簡(jiǎn)單介紹再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置的構(gòu)成、工作原理。

再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置由隔離開關(guān)柜、變流器柜和變壓器柜等組成，如圖1所示。隔離開關(guān)柜用來實(shí)現(xiàn)回饋裝置與直流牽引網(wǎng)的電氣隔離，保證設(shè)備維護(hù)的安全。變流器柜主要由大功率電力電子器件IGBT、控制裝置等組織，實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，完成再生制動(dòng)能量的回饋，是整套裝置的核心。變壓器柜主要是將電壓升壓并接入至33kV中壓系統(tǒng)。

圖1 再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置組成示意圖

2.再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置原理

再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)為三相電流型逆變電源，工作原理如圖2所示。在系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)下，能饋裝置變流器將實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線電壓，根據(jù)設(shè)定參數(shù)的情況采取相應(yīng)的工況。車輛制動(dòng)時(shí)，列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生電能首先由相鄰的列車吸收使用，其次由能饋裝置反饋到中壓電網(wǎng)供給其他負(fù)荷，最后由車載電阻吸收。能量逆變回饋裝置根據(jù)直流牽引網(wǎng)回饋電流的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的吸收功率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓的功能，實(shí)現(xiàn)列車再生電能的二次利用，達(dá)到節(jié)能的目的。能饋系統(tǒng)的控制電路主要由電流調(diào)節(jié)子系統(tǒng)和PWM發(fā)生器組成?？刂齐娐肥褂肧PWM控制策略，調(diào)壓控制器采用數(shù)字式PI控制，能根據(jù)需要實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值?？刂齐娐凡捎梅答?修正的模型，把逆變后的交流電通過電流測(cè)量將三相電流反饋回來，與設(shè)定的參考電流信號(hào)進(jìn)行比較，所得的誤差信號(hào)再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，新信號(hào)繼續(xù)輸入PWM發(fā)生器，用來控制PWM發(fā)生器的調(diào)制正弦波的幅值。PWM發(fā)生器產(chǎn)生的PWM波又來控制逆變電路開關(guān)器件IGBT的開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能[1]。

圖2 再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)原理示意圖

3.再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置應(yīng)用研究

某地鐵線路設(shè)置有7套再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置（以下簡(jiǎn)稱能饋裝置），可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回饋利用，達(dá)到節(jié)能效果的同時(shí)，也可以有效將直流電壓穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)合適的數(shù)值。通過研究線路能饋裝置的應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)，量化分析和驗(yàn)證再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置的節(jié)能效果，同時(shí)研究對(duì)全線再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)置，達(dá)到提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)回饋電量最大化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)備管理方式，提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

3.1 列車制動(dòng)電量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)2020年某日列車正常運(yùn)行一天的能耗數(shù)據(jù)記錄，全天產(chǎn)生制動(dòng)電量為4500kW·h，車載制動(dòng)電阻消耗電量為360kW·h。按全線上線12輛列車估算，即全線列車產(chǎn)生的制動(dòng)電量為4500×12=54000kW·h，全線列車車載制動(dòng)電阻消耗電量為4320kW·h，全線能饋裝置日均回饋電量為8762kW·h。據(jù)此可分析出列車產(chǎn)生的制動(dòng)電量，約有16%被能饋裝置回饋至供電系統(tǒng)，8%被車載電阻消耗，最后剩余的76%被相鄰的在牽引狀態(tài)的列車吸收。

3.2 全線能饋裝置電量數(shù)據(jù)分析

某地鐵線路采用了7套許繼集團(tuán)有限公司提供的2MW再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置。全線能饋裝置電壓回饋閥值統(tǒng)一設(shè)置為1720V，統(tǒng)計(jì)2020年1月至6月電量數(shù)據(jù)，分析各站能饋裝置運(yùn)行情況如表1所示，其中A站、C站、D站、E站、F站五個(gè)站點(diǎn)日均電量均超過1000kW·h，B站、G站能饋裝置回饋電量明顯較少。從全線電量數(shù)據(jù)上分析，全線能饋裝置日均回饋電量為8762kW·h，如表1所示。

表1 全線各站日均回饋電量/kW?h

3.3 能饋裝置參數(shù)設(shè)置原則

列車剎車制動(dòng)時(shí)，接觸軌電壓升高，超過能饋裝置投入閥值時(shí)，裝置進(jìn)入回饋運(yùn)行，將制動(dòng)能量逆變回饋至33kV中壓環(huán)網(wǎng)。能饋裝置主要通過設(shè)置回饋電壓數(shù)值，以控制裝置是否投入回饋運(yùn)行狀態(tài)，能饋裝置投入閥值的不同，制動(dòng)能量的回饋效果也不一樣。其設(shè)置原則為：回饋電壓閥值需大于接觸軌空載電壓（1650V～1690V），同時(shí)考慮一定的裕度，防止能饋裝置與整流器形成功率循環(huán)。同時(shí)，回饋電壓閥值應(yīng)小于車載電阻啟動(dòng)電壓（1800V），同時(shí)考慮一定裕度，否則能饋裝置將無法投入。因此，回饋電壓可設(shè)置范圍為1700V～1780V[2]。

3.4 能饋電量差異原因及解決思路

上文表1得知，其中A站、C站、D站、E站、F站五個(gè)站點(diǎn)日均電量均超過1000 kW·h，B站、G站能饋裝置回饋電量明顯較少。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前某線七臺(tái)能饋裝置均設(shè)置為1720V，可保證能饋裝置正常運(yùn)行。能饋裝置主要功能是將列車產(chǎn)生的制動(dòng)電量回饋至供電系統(tǒng)，達(dá)到能量再次利用的目的。各線路行車間隔、線路坡度數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行速度曲線等因素，會(huì)影響列車在線上運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)次數(shù)和制動(dòng)時(shí)間，從而影響制動(dòng)電量的大小。同時(shí)，列車在各個(gè)區(qū)間的運(yùn)行速度、制動(dòng)次數(shù)、制動(dòng)時(shí)間各有不同，全線制動(dòng)電量在各個(gè)區(qū)間的分布并不均勻。因此，全線能饋裝置設(shè)置為同一啟動(dòng)電壓閥值時(shí)，無法通過裝置之間的配合，將區(qū)間制動(dòng)電量盡可能回饋利用。當(dāng)兩臺(tái)能饋裝置相距較近、或能饋裝置所在站點(diǎn)附近制動(dòng)電量偏少時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)能饋裝置回饋效率不一致的問題。因此，能饋裝置啟動(dòng)電壓閥值的設(shè)置，應(yīng)充分考慮全線各個(gè)區(qū)間列車的制動(dòng)情況，根據(jù)列車在各個(gè)區(qū)間制動(dòng)的情況特點(diǎn)，通過差異化的電壓閥值設(shè)置，實(shí)現(xiàn)相鄰兩臺(tái)能饋裝置互相配合，確保能饋裝置正常運(yùn)行的同時(shí)，達(dá)到回饋電量最大化[3]。

3.5 能饋裝置電壓?jiǎn)?dòng)閥值優(yōu)化測(cè)試

首先，測(cè)試當(dāng)全線能饋裝置全部退出后，日均車載電阻能耗由4300kW·h增加到11500kW·h左右。其次，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及上述某線制動(dòng)電量分布的初步研究情況，按能量回饋少的站點(diǎn)調(diào)低裝置電壓?jiǎn)?dòng)閥值，使回饋能量分布均勻，各站裝置都以較高功率運(yùn)行，提高回饋能量。2020年7月1日至8日對(duì)全線7套能饋裝置分別設(shè)置8組不同的啟動(dòng)閥值，研究確定能饋裝置電壓?jiǎn)?dòng)閥值整定方案，達(dá)到回饋電量最大化目的。不同定值調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 不同定值調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表2中調(diào)試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)定值逐漸減小到第五到第八組時(shí)，全線各站能饋裝置回饋電量達(dá)到最大值11800kW·h左右，車載電阻能耗也降低到2800kW·h左右，說明能饋裝置已基本達(dá)到最大回饋效率，車載電阻損耗也基本達(dá)到最低損耗。單從節(jié)能來講5～8組共四組的定值都復(fù)合節(jié)能最優(yōu)化的要求。繼續(xù)深入分析這幾組定值發(fā)現(xiàn)，第6、7組定值不滿足能饋裝置參數(shù)設(shè)置原則即回饋電壓定值可設(shè)置范圍為1700V～1780V的要求。第8組定值中C、D站電壓定值降到1700V后能饋裝置在滿負(fù)荷運(yùn)行，而相鄰站能饋裝置啟動(dòng)減少，導(dǎo)致全線各站間能饋裝置的啟動(dòng)或使用不均衡[4]。

因此，綜合考慮定值組5為最優(yōu)整定值方案，能饋裝置效率大，列車電阻損耗小，并且兼顧了定值安全和站間能量回饋盡量均勻分配的原則。全線能饋裝置投入前，日均車載電阻能耗為11500kW·h左右，即每天有11500度的電能被浪費(fèi)掉。能饋投入后按定值組1設(shè)置，每天回饋電量為8700kW·h左右，仍有4300kW·h左右的電能被車載電阻消耗浪費(fèi)掉。按定值組5設(shè)置，每天回饋電量增加為11800kW·h左右，被車載電阻消耗浪費(fèi)掉的電能降低到2800kW·h左右，定值組的調(diào)整讓每天有約1500kW·h的電能被重新利用，預(yù)計(jì)全年電量節(jié)省約54萬kW·h，增加經(jīng)濟(jì)效益約30萬元，節(jié)能效果較為顯著。

4.結(jié)語

應(yīng)用研究結(jié)果表明，逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量的吸收利用以及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，能夠解決實(shí)際工程問題。但原設(shè)計(jì)采用的統(tǒng)一回饋啟動(dòng)電壓值導(dǎo)致某些站點(diǎn)的能饋裝置回饋電量較低，運(yùn)行效率低下，對(duì)各站能饋裝置采取差異化的回饋啟動(dòng)電壓值，能顯著提高回饋電量，降低車載電阻消耗量，提升能饋裝置的運(yùn)行效率。再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置將在城市軌道交通中發(fā)揮重要作用，現(xiàn)場(chǎng)使用過程中不斷完善提升其性能，能夠切實(shí)降低地鐵運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。今后將進(jìn)一步研究其合理安裝布置及與列車運(yùn)行模式相結(jié)合，真正做到不啟動(dòng)列車消耗電阻，所有制動(dòng)能量均被二次利用起來，對(duì)地鐵運(yùn)維人員具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。