再生制動能量回饋裝置在地鐵中的研究及應用

杜金輝

【摘 要】再生制動能量回饋裝置是實現地鐵供電系統節能、低碳的重要技術創新，回饋裝置在實現地鐵車輛能量回饋的同時，也向供電系統提供無功功率補償。本文針對再生制動能量回饋方式的各種不同類型進行了分析，并提出繼電保護裝置、供電系統電壓在回饋裝置運行過程中所產生的不利因素的解決方案。

【關鍵詞】再生制動能量回饋裝置；并網方式；分類和應用

城市軌道交通相對于其他交通方式而言，具有安全、舒適、快速、運量大和節能環保等特點，但是伴隨路網規模的擴大和客運量的劇增，城市軌道交通能源消耗總量也大幅增長，尤其是牽引供電所消耗的能源占到總消耗量的30%-40%。在國家節能減排政策的推動下，如何提高供電系統電能利用效率、降低供電總能耗成為研究的熱點。

1 能量回饋裝置的分類和應用

由于軌道交通站距短，車輛頻繁起停，車輛制動時有大量的動能以再生制動方式轉換為電能返送到直流接觸網上，為了充分利用這部分制動能量，國內外提出了許多再生制動能量利用方案，大致分為三類：

1.1 能耗型

能耗型再生制動能量利用裝置采用DC/DC斬波器和能耗電阻，將不能被相鄰車輛吸收利用的多余制動能量消耗到電阻上，從而維持直流電壓的穩定。

1.2 逆變回饋型

逆變回饋型采用DC/AC逆變器和隔離變壓器將車輛制動產生的直流電能轉換為交流電能，饋入交流電網達到再次利用的目的。逆變回饋型再生制動能量利用裝置能夠最大程度實現車輛制動能量的再利用，可作為無功補償設備和牽引整流器來使用，提高設備的利用效率。

1.3 儲能型

儲能型再生制動能量利用裝置采用雙向DC/DC變流器和超級電容（或者飛輪）將車輛制動時的能量存儲起來，待車輛牽引時釋放出來。根據儲能介質不同可分為超級電容儲能型和飛輪儲能型，飛輪儲能型技術難度大、功率小、成本高。超級電容儲能型再生制動能量利用裝置僅與直流系統相連，不存在電能倒送問題，得到了國內外廣泛研究和應用。

2 并網方式對能量回饋的影響和分析

目前，國內外對于DC1500/DC750V制式地鐵供電系統，根據逆變回饋系統并網電壓等級不同，可分為中壓并網（35kV/10 kV）和低壓并網（400V）兩種方案。

2.1 獨立回路中壓并網（35kV/10 kV）

獨立回路中壓并網整套系統包括回饋變流器、隔離變壓器和開關柜。地鐵制動時供電系統直流母線上的制動能量經過回饋變壓器、隔離變壓器轉換為交流電饋入AC35 kV/10 kV電網，達到節能目的。這種方式適用于中壓采用集中供電方式的地鐵線路，由于集中供電方式中壓網絡的容量大，有能力消耗掉回饋產生的瞬時功率，容易解決電能倒送的問題。回饋能量的沖擊不會對中壓電網造成重大影響，還可以使這部分能量在自己的中壓網絡中重新優化分布使用，這種并網方式可以最大程度的回饋機車制動能量。

2.2 共用整流變壓器并網（1180V/590V）

共用整流變壓器并網方案采用地鐵制動能量經回饋變流器、隔離變壓器轉換為AC1.18 kV/0.59 kV，再通過整流變壓器將制動能量回饋至中壓網絡。該方案將制動能量直接回饋至整流變壓器1180V側，間接回饋至35kV電網。這種方式也適用于中壓采用集中供電方式的地鐵線路。該方式中回饋系統與牽引系統共用整流變壓器，由于整流變壓器支持一側低壓繞組和高壓繞組單獨運行，且過載能力達300%/1min，因此這種方案也可以較大程度的回饋制動能量，并且無需采用昂貴的中壓變壓器及中壓開關柜，投資成本低。

2.3 低壓并網（400V）

低壓并網方案通過回饋變流器和變壓器的轉換，將制動能量回饋至400V低壓配電系統，供車站動力與照明系統使用，剩余能量通過400V配電變壓器回饋至中壓電網。該方案可在一定范圍內利用制動回饋能量，且回饋電壓等級低，變壓器和開關柜實現相對簡單，成本低。但400V低壓配電網容量遠小于回饋能量的尖峰潮流，這將抬高低壓系統電壓至非正常值，甚至使得低壓系統停止工作。因此在低壓系統電壓被抬高到一定程度后，就必須啟動地面電阻消耗多余能量。

3 再生制動能量回饋裝置在地鐵中的應用

3.1 工作原理及工作過程

為了盡量減少再生能饋裝置對既有線路運行的影響，將車輛再生制動電能的回饋通路與既有牽引變電所整流通路分離，再生能饋裝置交流側通過中壓開關柜接入軌道交通供電系統的中壓交流供電網絡，直流側通過直流開關柜連接直流牽引網正極、通過能饋直流柜連接直流牽引網負極。

在列車正常發車起動及運行時，再生能饋裝置不工作，二極管整流機組工作，向直流牽引電網饋能，給車輛提供牽引電能，此時電能轉化為車輛的動能。當車輛采用電制動時，列車的動能轉化為電能，回饋到直流牽引電網，這些能量將引起直流電網電壓升高。再生制動電能利用系統檢測到直流網壓升高到設定值，確定列車處于制動狀態時，回饋功能開始啟動，將這部分制動能量回饋到中壓交流電網中，此過程中二極管整流機組反向截止，停止工作。當制動能量回饋完畢，直流網壓降到設定值時，再生制動電能利用系統停止回饋功能轉入待機態，等待執行下一次回饋任務。

3.2 能量回饋系統不影響繼電保護裝置的實施方案

裝置設置單獨的回饋通路，與既有牽引變電所內的整流通路分離，回饋通路的繼電保護基本獨立于其他供電系統，設備正常運行時，依靠封鎖脈沖、自身內部斷路器、能量回饋支路上中壓開關柜及直流開關柜實現能量回饋支路的保護，不影響其他繼保裝置的工作；當再生能饋裝置故障時，通過裝置自身輸出分閘信號，依據故障級別分斷中壓能饋支路或直流開關柜，從而切除能量回饋支路，在此過程中不聯跳其他中壓開關和直流開關、也不影響其他繼保工作；當再生能饋裝置對應開關柜分斷或母線失壓時，裝置采用同步信號檢測、判斷母線側頻率、幅值變化，能夠在200ms內響應故障，并封鎖脈沖，退出運行，不影響母聯備自投（國標在2s內）及其他繼保裝置的正常工作。裝置在投入時間的涌流變化率因直流側限流電抗器及控制器中的di/dt控制，不大于正常機車啟動時的電流變化率。

3.3 能量回饋系統不影響供電系統電壓升高的實施方

針對直流母線系統，再生能饋裝置在正常運營時，采用電壓外環控制，可在裝置功率范圍內穩定直流母線電壓，不會引起直流母線電壓升高。電壓外環作為控制外環，通過測量逆變器實際輸出的直流電壓，與設定的穩定電壓值比較，進行閉環控制，并給出電流內環的有功電流給定值，使得整套裝置能夠按照設定的穩壓值進行輸出，在額定功率范圍內，達到穩定直流母線電壓的目的。裝置在直流側設置較大的支撐電容，能夠穩定直流輸出電壓，并設置有直流側過壓保護的硬件電路及軟件保護，在自身產生過壓時，能快速斷開直流側的快速斷路器，不會引起供電系統電壓升高，不會影響車輛正常運行及系統正常工作。

4 結語

目前國內外均已開展了地鐵再生制動能量回饋吸收裝置的研究，并且已經將該技術和產品應用到了實際工況。隨著國內對地鐵節能、環保要求，以及回饋裝置產品的逐步應用，地鐵能量回饋技術以及其帶來的經濟效益和作用效果必將逐步得到驗證和顯現。

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[責任編輯：田吉捷]