能饋式牽引供電裝置在軌道交通領域的應用

陳德勝 劉志剛 張 鋼

(1.北京交通大學電氣工程學院 北京 100044;2.北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

能饋式牽引供電裝置在軌道交通領域的應用

陳德勝1，2劉志剛1張 鋼1

(1.北京交通大學電氣工程學院 北京 100044;2.北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

通過對國內外列車再生制動能量吸收技術對比分析，得出能饋式牽引供電裝置是當前解決列車再生制動能量問題的較優措施。給出能饋式牽引供電裝置在北京地鐵10號線二期工程的應用設計方案，并進行現場試驗和應用效果分析。對能饋式牽引供電裝置在城市軌道交通中的適應性進行分析，為進一步工程推廣應用提出建議。

城市軌道交通;列車;能量回饋;再生制動;北京地鐵10號線二期工程

根據國家有關部委頒布的《中國節能技術大綱》的精神，城市軌道交通領域需大力推廣應用節能技術及產品。能饋式牽引供電裝置可以有效地吸收利用地鐵車輛的再生制動能量，降低地鐵電能消耗，降低運營成本，達到減少能耗的目的［1］。研究并逐步推廣應用能饋式牽引供電裝置，是未來軌道交通踐行節能要求的重要措施之一。

1 列車制動能量利用方式分析

根據能量處理方式的不同，將列車再生制動能量吸收裝置分為3類:能量消耗型、能量儲存型、能量回饋型［2］。

1.1 能量消耗型

能量消耗型是指利用電阻吸收裝置，將列車的再生制動能量消耗掉，從而抑制接觸網網壓的飆升。電阻吸收裝置會造成能量的浪費，還由于電阻的發熱量大，對規劃、景觀、散熱、防雨等方面的要求比較高。目前，北京地鐵昌平線、亦莊線等線路設置了電阻吸收裝置。

1.2 能量儲存型

能量儲存型主要包括電容儲能吸收裝置和飛輪儲能吸收裝置。

1.2.1 電容儲能吸收裝置

電容儲能吸收裝置是用超級電容將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節能和穩定網壓的作用［3］。電容儲能吸收裝置的技術原理較佳，但國內企業暫無生產供貨能力，進口設備不成熟，技術有待完善和提高，建設成本高，國內尚無成功的工程應用實例。北京地鐵5號線曾設置了4套電容儲能吸收裝置，但一直未投入運行。

1.2.2 飛輪儲能吸收裝置

飛輪儲能吸收裝置是利用高速旋轉的飛輪，將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節能和穩定網壓的作用。飛輪儲能吸收裝置的技術原理也較佳，但國內企業暫無生產供貨能力，進口設備不成熟，技術有待完善和提高，建設成本高，國內尚無成功的工程應用實例。

1.3 能量逆變型

能量逆變型是利用電力電子變流器，將列車制動能量逆變為交流電能回饋到交流電網，供其他設備再利用。根據交流電網的電壓等級，能量逆變型又分為中壓逆變型(35 kV或10 kV)和低壓逆變型(380 V)，其中能饋式牽引供電裝置屬于中壓逆變型。中壓電網容量更大、更穩定，對于能量的流動和分配利用更有利。此外，能饋式牽引供電裝置還具備參與牽引供電、維持網壓穩定以及無功補償的特點，且接口簡單、工程實施容易，所以是未來的發展趨勢。

綜上所述，結合目前地鐵的工程特點和相關技術的發展方向，從技術先進性、合理性、經濟性、可實施性、知識產權等方面綜合比較，能饋式牽引供電裝置具有自主知識產權、功能齊全、工程可實施性強等優點，是近期城軌工程建設的一個選擇方向。

2 北京地鐵應用方案及效果分析

2.1 應用方案

2.1.1 目標需求

基于列車制動能量吸收、與列車信號控制系統匹配、與列車電制動措施匹配等因素，從節約能源的角度考慮，北京地鐵10號線二期工程在十里河、西釣魚臺兩個車站設置了能饋式牽引供電裝置。主要功能定位:吸收列車再生制動能量并回饋至中壓電網，達到節約能源的目的;保證列車再生制動能力的發揮，減少輪軌磨耗。

2.1.2 技術方案

1)容量計算與選擇方案:根據牽引仿真計算，當行車間隔為3 min時，十里河站制動能量的有效功率為775 kW，西釣魚臺站制動能量的有效功率為778 kW;兩站的制動能量瞬時功率峰值約為1 500 kW，圖1所示為單列車正常運行單向全程電壓及電流曲線。因此，選配了2 000 kW的能饋式牽引供電裝置。

圖1 單列車正常運行單向全程電壓及電流曲線

2)接線方案:能饋式牽引供電裝置中壓側通過中壓饋線開關H1接入10 kV電網，直流側正極與直流進線開關Z1連接，負極與隔離開關G1連接，最終能饋式牽引供電裝置與兩套牽引整流機組構成并聯關系，如圖2所示。

3)運行方式:在正常運行時，交直流側所有開關處于合閘位，能饋式牽引供電裝置投入運行。當能饋式牽引供電裝置內部發生任何故障時，能饋式牽引供電裝置退出運行。當兩套牽引整流機組中的任何一組退出運行時，能饋式牽引供電裝置同時也退出運行。

4)保護方案:能饋式牽引供電裝置設置了電壓失步、過電流、過負荷、過熱、短路、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)故障、溫度等保護，所有保護信息上傳電力監控系統，并聯跳中壓饋線開關，與之連接的中壓饋線開關增設了失壓跳閘保護。能饋式牽引供電裝置在設置了框架泄露保護，動作時可聯跳中壓饋線開關和直流進線開關。

圖2 系統接線

2.2 應用效果分析

以十里河站為例，對試驗測試數據進行分析，驗證能饋式牽引供電裝置的實施效果，圖3所示的是設備所在試驗區段的情況。

圖3 試驗區段情況

設備主要技術參數［4］如下:系統容量2 MW，交流電壓10 kV，直流電壓750～1 000 V，功率因數大于0.99，變流器效率大于98%，電流諧波畸變小于3%。

圖4所示為能饋式牽引供電裝置未投入時，列車上一個牽引逆變器的直流電壓、直流電流及車速之間的變化曲線?？梢钥闯?，列車牽引時直流電壓跌落明顯，列車制動時直流電壓迅速飆升到980 V，電制動被切除，列車再生制動失效。圖5所示為能饋式牽引供電裝置投入工作后對應的波形。可以看出，列車制動時牽引逆變器直流電流為負值(最大為－700 A左右)，直流牽引網電壓被有效抑制在920 V以下，使列車再生制動能力得到有效發揮。

表1所示為2013年9月1日—17日十里河能饋式牽引供電裝置回饋電能以及宋家莊開閉所反送10 kV電網的電能數據。其中，定義反送率=(宋家莊反送電能/十里河回饋電能)×100%。根據表1數據，這段時間能饋式牽引供電裝置單日最高回饋電能為2 161 kW·h，宋家莊向城市電網單日最高反送電能為277 kW·h，反送率最高為15.63%。由此可見，能饋式牽引供電裝置回饋的再生制動能量絕大部分可以在地鐵內部消耗掉，有小部分會被反送到城市電網。

圖4 設備未投入時電壓、電流、速度曲線

圖5 設備投入后電壓、電流、速度曲線

表1 節能數據

3 進一步應用思考

列車具有啟動時消耗大量電能，制動時再生大量電能的特點，因此直流牽引系統在最大運行方式下，當多列車同時啟動時，牽引網網壓存在較大跌落的情況;當多列車制動時，牽引網網壓存在驟升的可能性。能饋式牽引供電裝置的正向整流、反向逆變回饋正好與列車的各項特性相匹配、相吻合。

雖然具有較好的特性匹配之處，但在具體工程推廣應用時，還需進一步進行研究分析，體現針對性和目標性。

3.1 功能定位適應性分析

3.1.1 制動能量吸收

制動能量吸收是能饋式牽引供電裝置的首要功能。能饋式牽引供電裝置可以將列車制動能量逆變回饋至交流中壓網絡，通過中壓網絡再分配、再利用，起到顯著的節能效果。此外，由于列車制動能量能夠快速、有效地吸收，可以進一步改善列車的制動停車效果，減少列車的閘瓦磨耗，提高列車的停車精度。

3.1.2 牽引整流功能

當能饋式牽引供電裝置開放正向牽引整流功能時，可以實現牽引整流機組的效果。當開放牽引整流功能后，相當于增加了一套牽引整流機組，擴大了牽引變電所的牽引供電容量，可以進一步優化牽引變電所的布點及容量配置方案。另外，當開放牽引整流功能后，可以進一步改善牽引網的網壓水平，抑制牽引網網壓的跌落，提高供電品質。

3.2 系統匹配性分析

結合能饋式牽引供電裝置的各項功能，在城市軌道交通工程應用中可以采取不同的方案。

3.2.1 三機組方案

在設置兩套12脈波牽引整流機組的基礎上，增設一套能饋式牽引供電裝置，與另外兩套牽引整流機組構成并聯關系，如圖6所示(北京地鐵10號線采用的是該方案)。

該方案在傳統兩套牽引整流機組基礎上增設了能饋式牽引供電裝置，牽引供電的可靠性進一步加強，容量進一步擴大，可以有效優化牽引變電所的布點及容量配置，使正向牽引整流、反向逆變回饋的功能充分體現。事實上，若采取該方案，可以適當降低兩套牽引整流機組的容量配置。

3.2.2 兩機組方案

設置一套牽引整流機組、一套能饋式牽引供電裝置，如圖7所示。

圖6 三機組應用方案

圖7 兩機組應用方案

該方案減少了一套牽引整流機組，建設投資降低，同時能保證牽引整流功能及逆變回饋功能，系統及設備配置進一步優化。若采取該方案，需要關注牽引整流機組及能饋式牽引供電裝置的容量配置，建議結合雙邊供電、大雙邊供電的容量需求，加大兩套機組的容量配置，提高機組的過載能力。

4 結語

能饋式牽引供電裝置能夠將列車制動能量回饋到交流電網再利用，同時兼有牽引整流、穩壓、無功補償等功能，應用前景廣闊。通過對能饋式牽引供電裝置不同功能的適應性分析可知，在今后的城市軌道交通工程建設中，可以根據不同的目標需求，適時開放相應的功能，梳理與其他牽引設備之間的關系，從系統配置的角度出發整合牽引設備配置，達到系統、設備、功能方面的最優配置。

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Application Analysis of Energy Feedback Type Traction Power Supply Device in Urban Rail Transit Field

Chen Desheng Liu Zhigang Zhang Gang
(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044;2.Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:By comparing domestic and international regenerative braking energy absorption technologies of the subway train，it was concluded that the energy feedback traction power supply device is a good measure to solve the current issue of train regenerative braking energy.This article introduces the application design scheme of energy feedback traction power supply device which is used in the Beijing subway line 10 and the field test and application effect analysis.The adaptability of energy feedback traction power supply device on urban mass transit is analyzed for further engineering promotion and application.

Key words:urban rail transit;train;energy feedback;regenerative brake;the second stage project of Beijing subway Line 10

U231.8;U260.4+9

A

1672-6073(2014)01-0111-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.027

收稿日期:2013-12-21

2014-01-01

作者簡介:陳德勝，男，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通牽引供電技術，chends@buedri.com

中央高?；究蒲袠I務費專項基金(2014JBM114)

(編輯:郭 潔)