地鐵1 500 V混合型制動能量吸收裝置

余 龍

0 引言

不帶有車載制動電阻的地鐵車輛在啟動再生制動時會產生大量的再生電能返送到直流電網，如果電能不被及時吸收（包括地面裝置吸收和其他在線車輛吸收），再生能量將累積于直流供電網絡中，使線網電壓迅速上升，危害線網中的設備、車輛的安全和壽命，嚴重時破壞系統絕緣，引發故障，同時也會影響車輛再生制動功能的發揮，造成機械制動的閘瓦（或制動盤）消耗量增大。

為了解決上述問題，多年來國內外提出并實踐了很多辦法，主要有地面電阻消耗、逆變回饋、電容儲能、飛輪儲能等。其中電阻消耗方式因設備簡單，造價低廉，技術可靠，得到了廣泛應用，但是該方案只能通過發熱將再生能量“燒”掉，浪費了大量電能。電容儲能和飛輪儲能方式由于核心設備技術復雜、造價過于昂貴，所以工程應用相當少。逆變回饋方式將再生能量逆變為交流電，回饋到交流系統中再利用，是非常合理的再生能量處理方式，但是由于技術和造價上的原因，多年來該類裝置的研制和應用進展緩慢。

在國內地鐵建設方興未艾的形勢下，開發技術先進且又造價合理的再生能量處理設備具有重要意義。

1 系統描述[1]

電阻+逆變混合型制動能量吸收方案是基于目前國內外技術水平提出的一種技術應用創新方案。該方案在保證列車再生制動可靠進行的前提下，實現了再生電能的回收利用，結合了電阻的可靠性和逆變的先進性，且設備造價大幅低于純逆變型、電容型和飛輪型裝置。

當列車再生制動時，電壓升高到需要外部設備來吸收時，電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置（以下簡稱混合型裝置）啟動。逆變器率先投入，將再生電能逆變成三相交流電并饋入車站 400 V配電網，由動力照明負荷利用。當列車制動能量較大，再生能量超出逆變器容量時（表現為線網電壓升高至某一限值），電阻投入，與逆變器共同吸收再生能量；當再生能量下降至逆變器吸收范圍內時（表現為線網電壓下降到某一限值），電阻退出，仍由逆變器獨自吸收再生能量。當線網電壓下降至無需外部設備吸收再生電能時，混合型裝置系統停止吸收。裝置根據再生能量的大小自動調節吸收電流的大小，維持線網電壓恒定。線路上無車輛制動或制動能量不超過吸收啟動值時，裝置不啟動。在制動能量吸收的過程中，逆變器始終工作，而電阻只是作為逆變器的功率補充，在逆變器達到容量最大值后才啟動，絕大部分制動能量由逆變器回饋至AC 400 V電網，實現了大部分能量的回收。裝置功能概念圖如圖1所示。

圖1 系統功能概念圖

2 系統原理

2.1 系統主接線

混合型裝置系統圖如圖2所示。該系統由逆變部分和電阻部分2部分組成。整個裝置通過1 500 V直流開關接入變電所直流牽引系統。

圖2 系統主接線示意圖

混合型裝置的總容量根據直流線網中列車運行情況以及直流系統的各種運行模式計算確定，需滿足列車再生制動的要求。為了保證400 V電網設備的安全，逆變部分最大容量不能超過配電變壓器的容量，其余容量則由電阻來補充。

2.1.1 逆變部分

逆變部分主要由輸入輸出開關、逆變器及測量、控制電路、變壓器等設備組成。該部分的功能：

（1）在控制系統判斷直流母線上的再生能量達到限值時準確投入吸收，并根據再生能量的大小調節相應的吸收容量，維持直流母線電壓穩定。

（2）將再生電能逆變為與400 V電網的頻率、相位同步的交流電，單向流入400 V電網且不引起400 V母線電壓高過系統最高允許運行電壓。

（3）為了逆變器與電網的安全，同時匹配逆變器輸出電壓與電網電壓，在逆變器輸出側與400 V配電系統之間設置一變壓器，兼作隔離和變壓作用。

2.1.2 電阻部分

電阻部分主要由輸入開關及濾波電路、斬波電路及測量、控制電路、消耗電阻等設備組成。該部分的功能：

（1）在控制系統判斷直流母線上的再生能量超過逆變吸收限值時準確投入吸收，并根據再生能量的大小調節相應的吸收容量，維持直流母線電壓穩定。

（2）在正常運行情況下，電阻部分只能在人工設定的功率范圍之上工作，作為逆變部分的補充，以保證制動能量最大程度地被逆變器吸收；在逆變器故障，減少吸收功率或退出的情況下，電阻部分能自動增大吸收功率的范圍，最大程度地維持線網電壓的穩定。

2.2 控制原理

2.2.1 逆變與電阻吸收方式的切換與控制

當車輛進入制動工況，向直流電網回饋電能時，引起直流電網的變化。控制系統根據電壓以及電流的變化得出車輛處于制動工況并且直流電網電壓上升達到第一預設值時，首先向逆變裝置發出回饋過程開始信號，并且以該值作為逆變回饋的電壓基準值，當電壓進一步上升時，逆變回饋裝置以實際的直流電網電壓與該基準值的差值控制輸出電流，直到輸出電流達到逆變回饋裝置的最大容許輸出電流。此時，如果直流電網電壓進一步上升并達到第二預設值，則啟動電阻吸收單元，使直流電網電壓穩定在第二預設值。隨著車輛制動過程的進行，車輛再生制動輸出電流逐漸下降，電網電壓也將隨之下降，當該電壓低于第二預設值后，電阻吸收單元退出工作，此時逆變吸收單元進行回饋直至電網電壓低于第一預設值，逆變單元退出回饋過程。

2.2.2 逆變電能調制輸出控制

逆變吸收裝置的控制為電壓環與電流環的雙閉環控制系統。整個控制系統由母線信號給定裝置、電壓調節器、電流調節器、PWM信號生成部分、逆變單元、相電流檢測電路、同步信號生成及母線電壓采集電路組成。

控制系統實時檢測直流母線電壓值，當電壓值高于某一設定值時，裝置投入工作。計算直流母線電壓檢測值與設定值之差，其值輸入電壓調節器進行一定的控制運算；電壓調節器的輸出作為電流環的給定信號，并計算其值與檢測到的輸出電流之差，再經過電流調節器的控制運算，電流調節環節的輸出直接送給 PWM 信號生成部分，其生成的PWM波送給逆變單元。

計算逆變系統在輸出側（400 V電網側）取得實際電流信號與系統給定的電流信號之差，將電流差值作為整個系統的調制信號，從而使系統形成電流閉環控制。系統對外呈現電流源特性。

載波移相、多單元并聯、PWM調制等技術的采用使逆變器的效率、設備安全、諧波含量等指標得到極大提高。本課題研制的逆變器在型式試驗中測得電流諧波含量小于3%，功率因數大于0.96（含隔離變壓器），變流效率高于92%。

3 試驗情況[2]

地鐵 1 500 V混合型制動能量吸收裝置自2008年 5月開始進行設計和設備生產，于 2009年底完成了設備試驗，開始進行設備在地鐵線路上的掛網試驗工作。先后進行了裝置空載試驗、負載試驗、車輛運行試驗等多項試驗項目。其中車輛運行試驗是在地鐵夜間正常運營收車以后，調用了一列地鐵列車在牽引所供電范圍內的線路上多次往返運行，在不同速度下采取不同級數的制動，模擬列車正常制動和極端制動時的工況。

試驗結果如下：

（1）混合型裝置掛網后，裝置本身、變電所1 500 V牽引系統和400 V配電系統均運行正常。

（2）列車再生制動啟動正常，制動過程平穩。

（3）逆變電流輸入變電所400 V配電母線，400 V配電系統運行正常，無明顯閃變出現，母線電壓畸變小，總諧波含量（THD%）滿足國家標準要求（國家標準GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》規定不大于5%）。

圖3 制動前機車速度為90 km/h，制動檔100%情況下的再生電流變化圖

圖4 逆變時AC 400 V側線電壓波形及電流諧波值圖

（4）裝置電阻部分的投入、退出正確可靠。當逆變器容量增加到一定值后，電阻部分幾乎不啟動，再生電能幾乎完全由逆變器回收到400 V交流電網中。

（5）400 V交流電網進線總開關處（動力變壓器低壓側）電流明顯變化，電能表顯示有反向電能流過，表明電能經動力變壓器，從低壓側（400 V）流向中壓側（33 kV），中壓系統運行未見異常。

試驗證明：電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置應用于地鐵供電系統是可行的；在保證列車再生制動平穩可靠的同時，將再生電能逆變為交流電安全注入了400 V交流電網；400 V配電系統可將逆變電能吸收利用，超過吸收能力的多余電能經動力變壓器注入了中壓電網；該方案實現了再生能量回收利用，全過程安全可靠。

4 結論

電阻+逆變混合型制動能量吸收方式是解決地鐵制動能量吸收問題的一種有益探索。

電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置將電阻與中小容量逆變器結合，在保證列車正常進行制動的前提下以較合理的設備投資實現了大部分再生電能的回收利用。該裝置將電阻消耗方式的簡單可靠、投資低廉與逆變回饋的節能減排優勢有機結合起來，可實現以合理投資創造最大經濟效益的目的，不失為地鐵再生能量處理的一種好的選擇。

[1]湖南恒信電氣有限公司，北京市地鐵運營有限公司車輛廠，中鐵電氣化勘察設計研究院，等.HXXS2NB/380V型電阻-逆變混合型再生制動能量吸收裝置科技成果鑒定資料[G].湘潭，2008.

[2]湖南恒信電氣有限公司，中鐵電氣化勘測設計研究院等.電阻-逆變混合型再生制動能量吸收裝置掛網試驗報告[R].廣州，重慶2010.2～2010.8.

[3]池耀田.城軌交通系統儲能器的發展[J].都市快軌交通，2005，18（3）.

[4]黃艦，等.1 500 V城軌系統再生制動能量的儲存利用[J].都市快軌交通，2010，23（3）.

[5]王雪迪，楊中平.超級電容在城市軌道交通中改善電網電壓的研究[J].電氣傳動，2009，39（3）.

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