城市軌道交通混合逆變裝置的應用

馮艷艷 孫才勤

(1.廣州市地下鐵道總公司,510380,廣州;2.中鐵電氣化勘測設計院有限公司,510400,廣州∥第一作者,助理工程師)

城市軌道交通混合逆變裝置的應用

馮艷艷1孫才勤2

(1.廣州市地下鐵道總公司,510380,廣州;2.中鐵電氣化勘測設計院有限公司,510400,廣州∥第一作者,助理工程師)

城市軌道交通的運行列車制動時會產生電能。再生電能的處理有電容儲能或飛輪儲能、逆變回饋法、混合逆變法等幾種方案。根據我國的工業水平,提出了能夠盡量利用再生電能的混合逆變方案。對混合逆變的原理和構成作了詳細的介紹。

再生制動;能量利用;混合逆變裝置

First-author's addressGuangzhou Metro Corporation,510380,Guanzhou,China

1 再生制動能量的產生

城市軌道交通列車普遍采用直-交變壓變頻的傳動方式和再生制動方式。當列車在進站或坡道上制動時,其電動機轉換為發電機,產生大量再生電能。這些電能通過列車變頻傳動裝置回饋到直流電網。軌道交通整流設備采用的是二極管整流器,只能向直流電網單向供電,整流器的反向阻斷作用使能量不能返回到上級電網,只能滯留于直流電網中。因此,當列車制動時,再生制動能量向直流電網充電,如果沒有其他列車吸收,將會使直流電網電壓升高。

2 再生制動能量的處理

傳統的處理方法是:在電網上的再生制動能量不能完全被吸收時,列車啟動自身攜帶的電阻吸收裝置,由吸收電阻將大部分能量以發熱的方式消耗掉。這樣,絕大部分制動能量將被車輛制動電阻所吸收,電網電壓得到穩定。但是,車輛自帶制動電阻有很多弊端。

再生制動能量處理的新型方法是:將列車制動電阻移到牽引變電所,在直流母線上設置再生制動能量吸收裝置,并且將發熱電阻設置在地面;當列車產生的再生制動能量不能完全被其它車輛吸收時,牽引變電所直流母線上的再生制動能量吸收裝置立即投入工作,吸收多余的再生電流。這樣,使車輛再生電流持續穩定,以最大限度地發揮電制動性能,同時實現了將再生電能引出隧道處理的目的,避免了隧道內和地下車站內熱量積累。

3 再生制動能量的利用

3.1 電容儲能或飛輪儲能

這兩種方法主要采用逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機中儲存起來。當供電區間內有列車起動或加速需要取流時,該類裝置將所儲存的電能釋放到直流母線供列車使用。

3.2 逆變回饋法

該方法主要采用電力電子器件構成大功率三相逆變器;逆變器的直流側與牽引變電所中的直流母線相連,交流側接到交流電網上;當再生制動使直流母線電壓超過規定值時,逆變器啟動并從直流母線吸收電流,將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網。

3.3 混合逆變法

根據目前國內城市軌道交通的普遍技術條件,采用電阻加逆變混合吸收模式的設備,是既可靠又能最大程度實現節能的方案。它將再生能量逆變成400 V三相交流電能回饋至400 V配電系統,實現電能再利用;同時考慮到400 V配電系統的容量,在再生能量較大、超過一定安全容量的情況下,利用電阻吸收超出的那部分能量,確保車輛制動的安全穩定和400 V配電系統的安全。

4 混合逆變系統

4.1 系統結構及功能

混合逆變包括吸收電阻和逆變兩大部分。系統結構如圖1所示。

制動能量電阻加逆變混合吸收裝置直接接于1500 V直流母線上。當車輛再生電制動且制動能量不能被其它車輛或其它用電設備吸收時,裝置啟動,吸收系統中多余的再生能量。

當再生能量不大于逆變器設定的吸收功率時,再生能量完全由逆變器吸收。當再生能量大于逆變器設定的吸收功率時,啟動電阻部分,吸收逆變器不能吸收的那部分能量;直到系統中再生能量下降至逆變器吸收范圍內時,關閉電阻部分,完全由逆變部分吸收再生能量。當系統中制動能量下降至低于設定值時,裝置停止吸收電流。

混合逆變裝置的逆變部分將制動再生能量逆變為與400 V電網電壓同頻、同相的交流電送回400 V電網,供400 V配電系統設備使用。電阻部分吸收的能量轉變成熱量散發。

混合逆變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。當車輛處于起動、加速、惰行、停站,或線網無車輛運行時,裝置不投入工作。

圖1 混合逆變系統結構圖

4.2 逆變部分

逆變吸收裝置的控制系統為電壓環與電流環的雙閉環控制。控制系統由母線給定、電壓調節器、電流調節器、脈寬調制(PWM)信號生成、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等組成。

控制系統實時檢測母線電壓值,當母線電壓值高于某一設定值時裝置投入工作。母線檢測值與母線設定值的差值輸入電壓調節器,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,其值與檢測到的輸出電流相減,再經過電流調節器控制運算。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。

逆變系統在輸出側(電網側)取得實際電流信號,與系統給定的電流信號相減,其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,送入電網的是電流。

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。

4.3 吸收電阻部分

電阻部分采用斬波器和吸收電阻配合,根據再生制動時線網電壓的變化狀況調節斬波器導通比,從而改變吸收功率,將線網電壓恒定在某一設定值范圍內。吸收電阻將吸收的電能轉換為熱能散發到空氣中,實現制動能量的吸收和消耗。

正常情況下,電阻部分只能在人工設定的功率范圍之上工作,以保證制動能量最大程度地被逆變器吸收;在逆變器故障的情況下,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。

4.4 系統保護功能要求

除本裝置所在的直流饋線開關柜設有大電流脫扣保護、低電壓閉鎖過電流保護之外,裝置內部還應具有過壓、過流、過載、過熱、短路、接地、欠壓等保護。

直流側過電壓包括雷擊過電壓、操作過電壓和來自地鐵車輛上的過電壓。當網壓超過DC 1900 V時,封鎖斬波器驅動脈沖,向綜合自動化系統發出報警信號;當網壓超過DC 2000 V時,設備停止工作,給出過壓信號,斷開接觸器及相應直流饋線的快速斷路器。

在斬波器預測溫度最高的元件散熱器或銅母排上設置溫度傳感器元件,用于監視元件散熱器或銅母排的溫度。當出現過載過熱時,設備應降功率運行;如果故障仍未消除,應封鎖斬波器;如果故障循環多次仍不能消除,則斷開接觸器,發出過載或某部位過熱報警信號。

短路保護分為斬波器前短路保護和斬波器后短路保護。發生斬波器前、后的短路故障,均由相應直流饋線保護跳開饋線快速斷路器,切除故障。當短路點發生在斬波器之后,設備首先關斷斬波器,同時向直流饋線開關柜發出相應支路短路保護跳閘信號;如短路點發生在斬波器之前,則由直流開關柜內的斷路器本體大電流脫扣保護或饋線保護動作跳閘,跳開饋線快速斷路器,切除故障。當斬波器內部發生過流、短路、接地故障時,裝置內保護應迅速向對應直流斷路器發出故障跳閘信號。

以上故障必須經人工判斷處理后,設備才能再投入工作。

當牽引網壓低于設備工作電壓時,設備中各相斬波器自動關斷,發出網壓欠壓信號;當牽引網壓恢復后,設備自動投入工作。

設備應具有對控制電源的監視功能,當直流控制電源發生故障時,應迅速切斷接觸器,發出故障報警信號。

5 結語

本文描述的是在現有條件下對車輛再生制動產生的電能的最佳利用方案。但該方案還是通過電阻消耗了一部分電能,沒有完全將再生制動能量利用起來。建議在技術發展成熟后采用更好的純逆變方法,將車輛制動時產生的電能完全利用起來,以最大限度地達到節能減排的目標。

[1]陳國呈.PWM逆變技術及應用[M].北京:中國電力出版社,2008.

Application of Hybrid Inverter Equipment in Urban Rail Transit

Feng Yanyan,Sun Caiqin

Urban rail transit trains will produce electricity when take braking,there are several treatment programs for renewable energy,such as flywheen return,hybrid inverter etc.According to China's industrial level,the article describes how to make full use of the renewable energy,then introduces the hybrid inverter program and its composition of working principles in detail.

regenerative brake;renewable energy;hybrid inverter equipment

U 260.35

2009-12-23)