城市軌道交通供電系統中壓能饋裝置應用分析

劉 斌

（中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，天津 300250）

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城市軌道交通供電系統中壓能饋裝置應用分析

劉 斌

（中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，天津 300250）

城市軌道交通供電系統中車輛再生制動產生的電能利用問題已引起廣泛關注與重視。為了降低隧道洞體和車站內溫度并對能量進行回收利用以達到節能的目的，在變電所內設置再生電能利用裝置已成為各方的共識。但目前幾種再生電能利用技術均存在一定的局限性，筆者對各種再生電能利用技術進行分析對比后，認為在城市軌道交通供電系統中使用中壓能饋裝置具有明顯優勢。

軌道交通；再生電能利用；中壓能饋

在城市軌道交通工程中，直-交變壓變頻的傳動方式已經普遍采用。車輛在運行過程中，由于站間距一般較短，列車起制動頻繁，因此要求起動加速度和制動減速度大，制動平穩并具有良好的起動和制動性能。從能量相互轉換的角度看，制動能量是相當可觀的［1］。

傳統的車載電阻雖然可以將列車再生制動產生的電能消耗掉，但帶來隧道洞體和站臺溫度上升，增加環控系統的負擔，造成能源浪費，同時在地鐵隧道的封閉系統里存在粉塵污染及車輛自重大等問題，這與節能環保的主題相悖［2］。因此，再生電能利用技術的研究已引起廣泛關注與重視。同時，研究再生電能利用裝置具有重要意義，符合國家節能減排、低碳環保政策。

1 城市軌道交通供電系統介紹

城市軌道交通供電一般是采用10kV或35kV交流電供電，通過整流變壓器、二十四脈波整流器組成的整流機組把三相交流電整流為 1500V或者750V的直流電，并通過接觸網或者接觸軌為軌道交通車輛提供電能。城市軌道交通供電系統主要由以下幾部分構成：

外部電源，通常為城市電網提供的 10kV或35kV交流電；中壓環網，軌道交通內部10kV或35kV供電網絡，通常采用雙環網，牽引動力照明混合供電網絡。

牽引供電系統，通常為1500V或750V直流電，可采用接觸網或接觸軌為機車供電；通過鋼軌回流。

以北京某地鐵線為例，供電系統采用 10kV分散供電方式，10kV環網采用雙環網，牽引動力照明混合供電網絡，DC 1500V接觸網供電。地鐵牽引供電系統如圖1所示。

圖1　地鐵牽引供電系統示意圖

其中，牽引供電系統主要由整流機組、直流正負極開關設備、饋線、接觸網隔離開關、接觸網、鋼軌、回流電纜、均流電纜和鋼軌電位限制裝置等組成。每座牽引變電所設兩套整流機組（整流變壓器－整流器單元），牽引降壓混合變電所10kV側采用單母線分段接線，兩套整流機組并聯接在同一段10kV母線上，牽引變電所DC 1500V側母線采用單母線加備用母線接線方式，正線每座牽引變電所饋出4回DC 1500V電源向左、右線接觸網的左右臂供電，牽引變電所出口設越區供電隔離開關。

再生電能利用裝置均接入DC 1500V母線，當車輛再生制動產生電能時，通過DC 1500V母線把電能傳送給再生電能利用裝置。

2 相關技術對比

2.1再生電能利用技術方案比較

目前再生電能利用裝置主要有以下幾種技術方向：電阻消耗型；電容儲能型；飛輪儲能型；逆變回饋型。

表1　再生電能利用裝置技術比較

綜合以上分析，電阻消耗型裝置并不能真正實現電能的再利用，僅僅是便于熱能的集中處理。雖然在北京、天津、重慶等城市均有應用，但電阻裝置的發熱量高，通常需要設置在地面風亭附近，而電阻裝置的噪聲非常大，目前已有多處居民反映電阻室噪音擾民現象。因此電阻消耗型裝置目前在新建線路中已基本不再采用。

電容儲能是以超級電容為儲能介質的牽引電能儲能裝置，既可節能、又可起到穩壓的作用，目前在歐洲部分城市的軌道交通中有采用，維護工作量少，但投資相對較高。北京地鐵5號線采用了4套西門子的電容儲能裝置，但由于設備故障率高、售后服務不到位等原因，目前并沒有投入使用。目前國內已有多家供貨商完成了電容儲能裝置的樣機研制，并在車輛段的試車線開展了掛網試驗，正在尋求地鐵正線牽引變電所的掛網試驗和應用。

飛輪儲能技術目前在紐約地鐵、香港城巴、巴黎地鐵等軌道交通的部分變電所和歐美一些電力公司有應用，具有占地面積較小，擴展方便，且維護工作量不大的優點，但核心技術難以掌握，投資非常高，約為100萬美元/MW。2014年掌握飛輪儲能技術的美國Kentic Traction公司已被國內某公司收購，飛輪儲能裝置也正在國產化進程中。若飛輪儲能裝置的國產化進程順利，該設備成本有望大幅降低。

飛輪儲能型和電容儲能型裝置目前尚未在地鐵正線變電所有成功的應用業績，主要有兩個原因：①儲能設備投資相對較高；②進口設備技術服務不到位；且電容及飛輪儲能裝置國產化進程相對滯后。

逆變回饋方案又分為低壓能饋型（逆變方式是將電能反饋至動力照明網絡 400V系統）和中壓能饋型（逆變方式是將電能反饋至10kV或35kV中壓環網）。

逆變回饋型技術在日本、新加坡均有應用，國內部分多家企業和高校均在進行技術方案改進的工程化研制，并取得了一定的成果。北京地鐵9號線完成低壓逆變+電阻型再生電能利用裝置科研。2013年，北京10號線二期和14號線西段分別選取了2座正線牽引變電所對中壓能饋裝置進行了掛網試運行。自兩條線路開通以來，設備工作穩定，應用效果良好。截至目前，14號線中、東段已全線采用了中壓能饋型再生裝置。由于國內市場已有多家供貨商可以提供逆變回饋型再生電能利用裝置并具有一定的研發、制造、生產、配套服務實力，因此，若軌道交通采用逆變回饋型再生電能利用裝置，技術服務可以得到有效的保證。

綜合比較，逆變回饋型再生電能利用方案更適合中國國情，對逆變回饋型技術在軌道交通供電系統中的應用進行試驗和應用，統計和分析測試數據，研究和完善技術方案，對今后的推廣可以提供有效的理論依據和技術支持。

2.2逆變回饋型技術方案比較

不論是低壓能饋型還是中壓能饋型，逆變回饋型設備均以 IGBT作為核心元器件，技術原理是類似的，而 IGBT的耐受電流也成為制約逆變回饋型設備容量的最主要的因素。

1）容量比較

低壓能饋型設備由于反饋電能至 400V系統，而 IGBT能夠通過的電流是有限制的，因此容量難以做大，根據市場調研情況，目前單套設備容量可達1.2MW。

根據牽引供電系統模擬，一列8節編組，6動2拖的 A行車在正常制動時產生的瞬時功率約為8MW，而在整個制動過程中（按20s考慮）的功率也在4MW左右。

因此若采用低壓能饋型設備，則不僅需要設置逆變型設備，還應在此基礎上增加電阻消耗型設備以消耗掉不能被逆變設備利用的電能。而中壓能饋型設備的容量相對于低壓能饋型設備具有較大的技術優勢。根據市場調研，目前中壓能饋裝置的容量可以達到4MW的水平。

2）對軌道交通設備影響分析

由于列車制動屬于重復性沖擊負載，能量回饋到400V電網很可能會導致400V電網網壓存在較大波動，進而影響400V電網上設備的穩定運行。

相比之下，中壓環網的10kV或35kV系統容量遠遠大于 400V系統，因此中壓能饋裝置相對于低壓能饋裝置的系統穩定性更好。

3 中壓能饋裝置

3.1中壓能饋裝置系統構成

中壓能饋裝置主要由隔離變壓器、逆變器、電抗器、隔離開關組成。

中壓能饋裝置的變壓器是特殊定制的變壓器，為逆變器提供特定相角的交流電壓。

逆變器為中壓能饋裝置的核心部分，實現再生制動電能的回饋。逆變器主要由電力電子功率模塊、控制單元、濾波器等組成［3］。

3.2中壓能饋裝置基本功能

中壓能饋裝置主要具有以下功能：

1）回饋再生制動產生的電能，實現節能減排。

2）具有穩定直流電壓的功能，可以減小直流紋波，提高供電質量。

3）具有一定的無功補償功能。

3.3中壓能饋裝置基本工作原理

中壓能饋裝置的核心部分即逆變器，又可以稱作PWM變流器，作為基于PWM脈寬調制的功率變換裝置，逆變器可以在電網電壓和系統電感固定的情況下，通過調整逆變器電壓的相角和大小來控制流過逆變器電流的相角和大小。基本工作原理如圖2所示。

在電網電壓ea和交流電感L一定的情況下，通過控制Ua的大小和相位，就可以控制電流ia的大小和相位，進而控制變流器傳輸功率及功率因數。

圖2　PWM變流器基本工作原理圖

通過對Ua的大小和相位的控制，可以使逆變器工作在整流或者逆變的狀態，也可以控制逆變器發出容性或者感性無功。因此，將該設備接入供電系統中可以實現上面提到的中壓能饋裝置的基本功能。

4 供電系統接入

中壓能饋裝置接入軌道交通供電系統的主接線方案如圖3所示。

圖3　主接線方案

由圖3可見，中壓能饋裝置中壓側通過斷路器接于中壓母線上；直流正極通過直流斷路器接至1500V 正母線上；負極通過電動隔離開關接與1500V負母線上。

目前，中壓能饋裝置已在北京14號線中、東段推廣采用，其中東段已于2014年底開通運營，設備運行穩定，節能效果明顯，驗證了中壓能饋裝置在軌道交通供電系統中的各項基本功能。

經測試，中壓能饋裝置反饋至中壓環網的電能符合國家電能質量GB/T 12325—2008、GB/T 12326 —2008及GB/T 14549—1993等相關標準。

5 結論

經過以上的分析和論述，可以看出中壓能饋裝置在軌道交通供電系統中的應用具有以下優勢：

1）與電阻消耗型和儲能型設備相比，其能量直接回饋到電網的特點，既不要配置儲能元件，也不要吸收電阻，因此對環境溫度影響小。

2）與低壓能饋裝置相比，其設備容量較大，基本可以滿足軌道交通供電系統需求；且其系統穩定性更好，對 400V系統網壓影響較小，更有利于軌道交通低壓設備的安全運行。

綜上所述，在飛輪儲能和電容儲能裝置價格未能大幅降低的時代背景下，中壓能饋裝置在軌道交通供電系統以其價格低廉、設備成熟、大功率的特點，將會在城市軌道交通中發揮重要作用。它的應用能夠節約能源，降低地鐵運營成本，提高經濟效益，同時保證地鐵車輛及變電所設備的安全運行，因此對其進行相關研究具有重要的現實意義。

［1］ 王彥崢，蘇鵬程. 城市軌道交通再生電能回收技術方案的研究［J］. 電氣化鐵道，2004（2）︰37-40.

［2］ 馬琪. 國產地鐵車輛制動系統［J］. 都市快軌交通，2004，17（增刊）︰101-110.

［3］ 馮劍冰. 再生制動能量利用方式的探討［J］. 城市軌道交通研究，2007（5）︰46-48，52.

［4］ 陳勇，劉承志，鄭寧，等. 基于逆變回饋的地鐵再生制動能量吸收的研究［J］. 電氣化鐵道，2011（3）︰36-39.

［5］ 張志學，何多昌，張鐵軍，等. 城市軌道交通牽引供電系統采用 PWM回饋電能方案研究［J］. 鐵路技術創新，2011（5）︰22-25.

劉斌（1986-），男，河北衡水人，碩士研究生，工程師，主要從事城市軌道交通供電系統設計工作。