中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置在地鐵中的運(yùn)用探索

李欣

［重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120］

0 前言

當(dāng)前地鐵中廣泛應(yīng)用的車型是變頻調(diào)壓車，這種車型的制動(dòng)方式一般為電制動(dòng)或者空氣制動(dòng)，當(dāng)車輛開始制動(dòng)時(shí)，散發(fā)出來的制動(dòng)能量會(huì)直接導(dǎo)致直流電網(wǎng)中電壓的升高，為了解決這種問題，就要在電網(wǎng)中安裝再生制動(dòng)裝置。隨著社會(huì)中各行各業(yè)的環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在交通軌道中的牽引變電所中設(shè)置該裝置的設(shè)計(jì)越來越普遍，其目的是為了減少城市中軌道交通對(duì)于電能的浪費(fèi)，二次利用其中的能源，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 中壓能饋裝置應(yīng)用到地鐵中的意義

為了合理地利用地鐵中變頻調(diào)壓車制動(dòng)時(shí)候產(chǎn)生的電能，中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置就應(yīng)運(yùn)而生，該裝置可以對(duì)變頻調(diào)壓車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多余電能進(jìn)行重新利用，把制動(dòng)過程中產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變，抬升電壓后回饋至電網(wǎng)中二次進(jìn)行利用，以達(dá)到節(jié)能的目的，并且該裝置不需要另外配置儲(chǔ)能的設(shè)備和吸收電阻的設(shè)備。

地鐵中車輛在進(jìn)站使用電制動(dòng)剎車的時(shí)候，在制動(dòng)的過程中會(huì)向接觸軌的直流母線反饋一部分能量，如果這一部分反饋的能量不能被地鐵站中其他的車輛或其他的用電設(shè)備完全消化的話，很容易就會(huì)造成直流電網(wǎng)中電壓的抬升，從而影響到其他車輛的電制動(dòng)。所以，中壓能饋型再生電能制動(dòng)裝置就是為了解決這個(gè)問題所研發(fā)的，因此在地鐵車站中每個(gè)牽引站都要設(shè)置一套再生制動(dòng)裝置，用于把車輛在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的多余能量進(jìn)行消耗，或通過逆變，升壓回饋到電網(wǎng)之中，確保不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓的變化對(duì)其他列車的電制動(dòng)功能產(chǎn)生影響，并且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛在制動(dòng)的過程中產(chǎn)生的多余電能進(jìn)行二次利用。在除了早晚高峰的時(shí)間段之外，地鐵當(dāng)中的列車發(fā)車密度比較低時(shí)，再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量利用率就比較低，為了限制電網(wǎng)中電壓的抬升，減少列車制動(dòng)帶來的閘瓦磨損和粉塵的污染，傳統(tǒng)的做法是在車站中的變電所或在列車上裝設(shè)電阻制動(dòng)裝置，這種裝置不僅特別笨重，而且還十分地浪費(fèi)能源，并且這種裝置散發(fā)出的熱能還會(huì)使隧道內(nèi)的溫度升高，增加環(huán)控設(shè)備消耗的能量，所以中壓能饋再生電能利用裝置的研發(fā)就是為了解決這些問題，該裝置在地鐵中應(yīng)用的作用完美體現(xiàn)了交通軌道行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[1]。

2 中壓能饋裝置的構(gòu)成

2.1 物理構(gòu)成

該裝置的整體包含6 大部分，分別為開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、能饋低壓柜、變流器軌、負(fù)極開關(guān)柜。其中能窺低壓柜、變壓器、變流器柜是該設(shè)備中的核心組件。通常來說交直流電網(wǎng)的接口使用的是直流1500V 的開關(guān)柜。該裝置的能窺變壓器的功能是把10kV 或35kV 的交流電壓轉(zhuǎn)變成500V 的交流電壓，該組件采用的一般是軸向雙分裂的變壓器。改組件的目的是和變流器實(shí)現(xiàn)輸入電壓等級(jí)匹配，在實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)匹配的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)變壓器兩端邊繞組之間的相互隔離。能饋低壓柜的內(nèi)部包含兩臺(tái)斷路器和相應(yīng)的預(yù)充電電路，斷路器的主要作用是保護(hù)每個(gè)變流器支路，防止發(fā)生短路和過流的現(xiàn)象。能饋?zhàn)兞髌鞴袷窃撗b置整個(gè)構(gòu)成中的核心，其中包含著兩臺(tái)大功率的脈寬調(diào)制整流器。每臺(tái)調(diào)制整流器的輸出電壓為750V，可以在直流側(cè)使用并聯(lián)或串聯(lián)的連接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)750V 和1500V 這兩種不同的供電制式的完美兼容。變流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念是采用功率組件的設(shè)計(jì)理念，所以可以做到快速地維護(hù)和維修，該組件容量的大小可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置[2]，如圖1 所示。

圖1 中壓能饋裝置的物理構(gòu)成

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置的主回路主要是使用電子器件IGBT 來構(gòu)成三相逆變器，把逆變器的直流側(cè)和車站中的牽引變電所中的直流母線相連接，逆變器的交流側(cè)通過變壓器和10kV 的中壓網(wǎng)絡(luò)相連接。當(dāng)車輛發(fā)生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的直流電壓超過預(yù)先規(guī)定的數(shù)值的時(shí)候，逆變器就會(huì)啟動(dòng)，把多余的電流從直流母線中吸收，再把直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電回饋到10kV 的母線中，如圖2所示。

圖2 中壓能饋裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

3 中壓能饋裝置的工作原理

該裝置中的核心是大功率的逆變器，逆變器是基于脈寬調(diào)制技術(shù)的角度研發(fā)出來的一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中主要的電路是由一臺(tái)三相逆變器和一個(gè)交流電感組成的。逆變柜是由4 個(gè)不同的逆變單元組成的，每個(gè)逆變單元又是由4 個(gè)不同的NPC 模塊通過并聯(lián)的連接方式組成的，其中每個(gè)NPC 模塊使用的是三電平三相逆變電路，和二電平相比，有更好的電能質(zhì)量和兼容性以及更低的損耗。

基于脈寬調(diào)制技術(shù)，逆變器可實(shí)現(xiàn)三相交流電的有效輸出，并可保證幅值、相位等的可控制性。如圖3 所示，Ua、Ub、Uc均為逆變器的交流電輸出端口。圖中L 為交流電感，在其作用下，逆變器、電網(wǎng)兩者間的電流傳輸可得到充分緩沖。電源電壓（ea、eb、ec）與逆變器電壓（Ua、Ub、Uc）的差值與電感L 相關(guān)聯(lián)，對(duì)具體的電流量級(jí)起到?jīng)Q定作用[3]。

圖3 中壓能饋裝置的電路

如圖3 所示，控制逆變器的傳輸功率是基于電壓和交流電感一定的情況下，控制電壓的大小和相位，從而實(shí)現(xiàn)控制電流的大小和相位。逆變器的核心是控制交流電流，如果想實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流Ia、Ib、Ic 的控制，就要對(duì)逆變器輸出Ua、Ub、Uc 的相位和幅值進(jìn)行控制，其中需要注意的是，Ua、Ub、Uc 的幅值和相位是以電網(wǎng)中的電壓Ea、Eb、Ec為基準(zhǔn)的，所以作為Ua、Ub、Uc的控制參照，必須精確地檢測(cè)電網(wǎng)中的Ea、Eb、Ec的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的穩(wěn)定輸出和電網(wǎng)中電壓的同步。該裝置的其他功能比如說并聯(lián)控制等都是以交流電的電流控制為基礎(chǔ)的。

4 中壓能饋裝置在地鐵中的運(yùn)用

4.1 實(shí)例運(yùn)用方案

以某城市地鐵二號(hào)線的中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置應(yīng)用的方案為例子，如圖4 所示，在已經(jīng)有的24 脈波整流機(jī)組中的交直流的母線上直接接入再生制動(dòng)電能利用裝置。

圖4 中壓能饋裝置在某城市二號(hào)線的應(yīng)用方案

該裝置在某城市中的地鐵運(yùn)行方式可以分為4 種：①裝置的正極進(jìn)線的開關(guān)和電動(dòng)隔離的開關(guān)、入網(wǎng)的電動(dòng)隔離開關(guān)、負(fù)極的電動(dòng)隔離開關(guān)合閘，讓正極的接觸網(wǎng)和負(fù)極走行軌帶點(diǎn)。然后進(jìn)行越區(qū)的電動(dòng)隔離開關(guān)分閘，使相鄰的兩個(gè)變電所構(gòu)成雙邊供電。②使用變電所內(nèi)的一套牽引整流機(jī)組，另一套整流機(jī)組退出供電。③使用該供電區(qū)段相鄰的牽引變電所進(jìn)行單邊供電，這是在一個(gè)牽引變電所退出運(yùn)行的情況下使用的運(yùn)行方式。④在一個(gè)牽引變電所退出運(yùn)行的情況下，由該供電區(qū)其他相鄰的牽引變電所進(jìn)行雙邊供電。

牽引變電所的整流機(jī)組的參數(shù)如圖4 所示，每座牽引變電所設(shè)置兩套12 脈波的整流機(jī)組并聯(lián)，整流器和整流變壓器組成一套整流機(jī)組。整流變壓器的單次側(cè)繞組分別移相±7.5，兩套整流機(jī)組通過并聯(lián)的連接方式構(gòu)成24 脈波整流。

在該城市的二號(hào)線的使用中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置三個(gè)月的電能回饋數(shù)據(jù)中，單日最高的回饋電能為2570kW·h時(shí)，三個(gè)月累計(jì)回饋電能總值為143443kW·h，每天平均回饋的電能數(shù)值為1765kW·h。用該變電所輸出的總電能除以該裝置回饋的電能可以得知，該裝置在三個(gè)月之內(nèi)的節(jié)能率為18%，由此得知，在該城市的二號(hào)線中，利用中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置在三個(gè)月之內(nèi)節(jié)省了18%的電能，所以該裝置在地鐵中運(yùn)用后的節(jié)能效果是非常明顯的，該裝置在為地鐵站中的列車提供牽引電能的同時(shí)還可以減少直流電壓的波動(dòng)，提高整個(gè)地鐵站中的供電品質(zhì)，由于該裝置的工作是處在無功補(bǔ)償狀態(tài)，所以可以做到對(duì)交流中壓電網(wǎng)的無功補(bǔ)償，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。所以推薦該裝置應(yīng)用到各個(gè)城市的地鐵站中。

4.2 中壓能饋裝置在地鐵中的工作過程

中壓能饋裝置的核心功能就是能量的回饋功能、整流功能、穩(wěn)定電壓功能。該裝置的具體工作過程如圖5 所示，該裝置除了有上述的能量回饋功能，穩(wěn)定電壓功能之外，還具備著采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等功能[4]。

圖5 該裝置系統(tǒng)的工作過程

在地鐵中應(yīng)用中壓能饋裝置的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)在該裝置的主回路的線路接觸器KX1 上把兩個(gè)預(yù)充接觸器以并聯(lián)的方式接入電路中，保證每個(gè)預(yù)充接觸器在串聯(lián)的時(shí)候可以有不同的分壓電阻。在正極的隔離開關(guān)和直流的斷路器在合閘的狀態(tài)的時(shí)候，預(yù)充接觸器KX2 才能夠進(jìn)行合閘操作。當(dāng)一個(gè)預(yù)充接觸器KX2 是合閘狀態(tài)的時(shí)候，開始檢測(cè)直流母線的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)先的設(shè)定數(shù)值的時(shí)候，預(yù)充接觸器KX3 才可以進(jìn)行合閘操作，當(dāng)MX3處于合閘狀態(tài)的時(shí)候，對(duì)直流母線的電壓第二次開始檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到更高的預(yù)先設(shè)定的數(shù)值的時(shí)候，線路接觸器KX1 才可以進(jìn)行合閘的操作。而且在分閘的時(shí)候，預(yù)充接觸器KX2 和預(yù)充接觸器KX3 只有在線路接觸器KX1 合閘之后才能進(jìn)行分閘的操作。

當(dāng)?shù)罔F中的列車進(jìn)入到正線之后，正線上的所有牽引站中安裝的中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置會(huì)和整流機(jī)組同時(shí)進(jìn)行工作，發(fā)揮自身的牽引作用，并且同時(shí)還會(huì)對(duì)1500V 的電網(wǎng)傳輸電能，為其提供相對(duì)應(yīng)的牽引能力，列車再把接收到的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。當(dāng)列車使用電制動(dòng)的時(shí)候，在啟動(dòng)或停車的同時(shí)，列車的動(dòng)能一定會(huì)有相應(yīng)的變化，這個(gè)時(shí)候該裝置就可以把列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換回饋至電網(wǎng)中。與此同時(shí)，該裝置可以在回饋電能的同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中電壓的抬升幅度，如果達(dá)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，就把這部分的能量回饋到地鐵站中的動(dòng)力照明側(cè)，在回饋電能的時(shí)候，遵循的是能量守恒定律，當(dāng)電網(wǎng)當(dāng)中的電壓降低到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值的時(shí)候該裝置會(huì)停止自身的回饋功能，并且進(jìn)入到待機(jī)的狀態(tài)，等下一次列車進(jìn)站再開啟回饋功能。

4.3 該裝置在應(yīng)用過程的保護(hù)系統(tǒng)

該裝置的保護(hù)系統(tǒng)可以分為兩大類，一是內(nèi)部的保護(hù)，二是外部的保護(hù)。內(nèi)部保護(hù)的重點(diǎn)是對(duì)逆變器進(jìn)行保護(hù)，所以在地鐵的應(yīng)用中，在裝置的內(nèi)部配備了交流電壓的過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)、直流電壓的過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)、其他功率模塊的過熱保護(hù)和過流保護(hù)、充電接觸器的故障保護(hù)和對(duì)風(fēng)機(jī)接觸器的故障保護(hù)裝置。對(duì)于能饋系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)配備了低壓斷路器的故障保護(hù)、散熱方面的故障保護(hù)、能饋系統(tǒng)的支路框架的保護(hù)、開關(guān)柜出現(xiàn)異常分?jǐn)嗟乇Ｗo(hù)、變壓器的鐵芯保護(hù)等保護(hù)系統(tǒng)。這些內(nèi)部的保護(hù)主要是對(duì)其中的過壓、過流、溫度等這些可調(diào)的數(shù)值。一些跳閘保護(hù)需要逆變器柜之外的開關(guān)柜去執(zhí)行保護(hù)，也就是外部保護(hù)。外部保護(hù)顧名思義是設(shè)置在逆變柜外部的保護(hù)或者是開關(guān)柜上自帶的保護(hù)，其中12kV 的開關(guān)柜的自身保護(hù)設(shè)置有電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序電流保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等。1500V 的開關(guān)柜的自身保護(hù)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)配置上去掉了逆流保護(hù)，并且可以對(duì)能饋低壓柜設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)，短延時(shí)保護(hù)、脫扣保護(hù)。

4.4 該裝置在地鐵開通前的調(diào)試

中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置在要在地鐵開通之前和列車一起進(jìn)行調(diào)試，主要是驗(yàn)證該裝置是否能在車輛進(jìn)站進(jìn)行電制動(dòng)時(shí)對(duì)接觸軌的電壓做好控制。實(shí)際的調(diào)試方法可以在試運(yùn)行期間對(duì)中壓能饋裝置地直流側(cè)的母線電壓和并網(wǎng)中的電流進(jìn)行錄波，并且要跟隨著車輛的調(diào)試而更改其中設(shè)置的數(shù)值。在錄波的過程中可以把兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分為兩個(gè)通道來進(jìn)行操作，通道一為直流母線的電壓信號(hào)，通道二為并網(wǎng)中的電流信號(hào)。然后把兩個(gè)通道中的信號(hào)合并到一起和車輛的運(yùn)行情況進(jìn)行綜合的考量，從而調(diào)試出適合當(dāng)前狀況的設(shè)置。

在地鐵中列車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，該裝置處于吸收能量的運(yùn)行狀態(tài)，從列車的制動(dòng)開始到制動(dòng)結(jié)束，要保證整個(gè)過程中的接觸軌的母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)的速度延遲可控，從無到額定的電流輸出的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)當(dāng)小于1s，并且在車輛的全階段制動(dòng)過程中對(duì)電流的變化可以做到實(shí)時(shí)跟蹤。

5 結(jié)論

綜上所述，中壓能饋型再生制動(dòng)裝置可以有效地把列車制動(dòng)的電能，通過逆變器的轉(zhuǎn)換進(jìn)行抬升電壓然后回饋至電網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)電能的二次利用，達(dá)到節(jié)能的目的。本文從該裝置的物理組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)以及工作的具體原理闡述了該裝置的基本構(gòu)成，分析了其在地鐵中的具體運(yùn)用，希望能給有關(guān)人士帶來啟發(fā)。