再生制動逆變回饋裝置在貴陽地鐵中的運用

劉衛

摘 要：該文首先介紹城市軌道交通供電系統設置列車制動能量利用裝置的必要性；其次重點介紹方案之一的再生制動逆變回饋裝置的組成及各部分的作用、設置的保護及運行原理；最后介紹了再生制動逆變回饋裝置在貴陽地鐵中的運用情況。

關鍵詞：地鐵 再生制動 逆變回饋 運用

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0040-03

城市軌道交通車輛牽引電機在列車制動時類似于發電機，實現能量在不同形式之間的轉換，即將列車機械能直接轉化為直流供電系統電力能，該部分轉化過來的電力能稱之為再生制動能量。再生制動能量的產生會不同程度地導致接觸網網壓抬升，嚴重情況下會影響列車的再生制動失效。因此，必須采取一定的途徑將該部分能量消耗掉，將接觸網網壓控制在規定的范圍內。若將該能量加以利用，而不是通過電阻耗能的方式消耗掉，則可在相當程度上降低運營成本，符合國家倡導的節能減排要求，并且可有效減小再生能量對電網的沖擊。

但當前國內城市軌道交通對于該部分能量多采取車載電阻或變電所吸能電阻耗能的形式消耗掉，遠遠達不到節能減排的要求，更是使城市軌道交通線路通風散熱系統載荷增加，造成大量的能源浪費，并使地鐵工程的建設與運營成本增加，亦不符合當前國際國內的能源戰略。所以，對于如何充分高效利用列車的再生制動能量的研究非常有必要。

而在諸多的再生制動能量利用方案中，再生制動逆變回饋裝置可以最大限度利用列車的再生制動能量，不會占用變電所內外的太大空間，亦可有效規避諸如閘瓦制動等對隧道環境的影響，故貴陽地鐵選擇了再生制動逆變回饋裝置方案。

1 再生制動逆變回饋裝置的組成

貴陽地鐵再生制動逆變回饋裝置的一次系統構成主要包括35 kV GIS開關柜、回饋變壓器、低壓開關柜、變流器柜、直流開關柜、負極隔離柜共六大部分。（如圖1）

1.1 回饋變壓器

回饋變壓器采用繞組軸向雙分裂干式變壓器。繞組連接組別為D/y11，y11連接，次邊繞組間具有較低的耦合度。其作用是將列車電制動時產生的再生能量經過逆變、升壓后直接反饋至變電所35 kV中壓網絡。

1.2 低壓開關柜

低壓開關柜主要由兩臺低壓斷路器、交流預充電回路以及三相電流表等構成。連接變流器柜及變壓器，主要是對變流器進行過流及短路保護，同時便于故障處理及設備的分段檢修。斷路器帶有檢測裝置和接點。當系統電流過大時斷路器連鎖微動開關向數據采集裝置發出故障信號，用于報警或跳閘。當一個IGBT支路故障時，發出跳閘信號。

1.3 負極隔離開關柜

負極隔離開關柜是連接變流器直流側負極與變電所直流負母線之間的開關設備，為手動隔離開關，開關柜前部設可鎖住的金屬門。

采用電磁鎖方式實現負極柜中手動隔離開關與DC1500V斷路器和對應的35 kV斷路器之間的閉鎖，只有當DC1500V斷路器和對應的35 kV斷路器均處于分閘位置時，手動隔離開關才能操作，只有當負極手動隔離開關處于合位時，DC1500V斷路器和對應的35 kV斷路器才能合閘。

貴陽地鐵1號線再生制動逆變回饋裝置設置有一套獨立的框架保護，位于負極隔離開關柜內。

1.4 變流器柜

變流器柜主要由逆變器、控制箱等構成。變流器柜的主電路構成原理圖如圖2所示。

（1）SKIIP功率組件。

圖2中包括2臺逆變器，每臺逆變器由6個SKIIP功率組件構成，每相由2個SKIIP功率組件并聯而成。其中，每個SKIIP功率組件包含IGBT智能功率模塊、無感母排、濾波電容、過壓吸收回路等構成，并在結構設計上采用模塊化設計，方便生產和維護維修。IGBT的控制采用脈沖寬度調制（PWM）的方式控制。

（2）放電回路。

每臺逆變器的直流側配備一套放電回路。放電回路由放電接觸器和功率電阻構成，其中放電接觸器型號為CZ28-25G/10，放電電阻型號為LM-PWR1000W200RJ。在變流器柜正常停機或故障停機時，放電接觸器閉合，實現快速放電。可以在60 s內將電容電壓放到36 V以下的安全電壓。

（3）過壓吸收。

每臺逆變器的交流輸入側的相間設置過壓吸收電路。過壓吸收電路由壓敏電阻和快速熔斷器構成，實現對逆變器的過壓防護。壓敏電阻型號為GGY-14-1200V-50KA，快速熔斷器型號為TRD-0.93。

2 保護功能配置

再生制動逆變回饋裝置向35 kV中壓網絡反饋電力能的質量是可以自動控制的，電能質量滿足實用要求并符合標準。偏離標準的越限狀況，再生制動逆變回饋裝置須能監測此偏差并與電網解列，所有電能質量參數（電壓、閃變、頻率、諧波、功率因素）的測量必須在并網點35 kV開關柜上進行。

在運營時間外直流母線電壓超過裝置動作值時設備不誤啟動。

2.1 內部保護

裝置的內部保護設置在變流器柜內，包括交流電網的過壓、欠壓、過流以及直流電網的過壓、欠壓、過流、功率模塊過熱保護、IGBT故障保護、IGBT丟脈沖保護、IGBT觸發異常保護、散熱風機故障保護、變壓器過熱保護、孤島效應保護（能饋系統必須在電網失壓2 s內停止向電網送電）。內部保護動作須由變流器柜兩端直流側及交流側開關柜執行。

2.2 外部保護

外部保護為變流器柜以外各開關柜自身設置的保護。其中，35 kV開關柜采取既有的保護設置，即設有斷路器失靈保護、過負荷保護、過電流保護、零序電流保護、電流速斷保護等；DC1500V直流開關柜的保護和既有的直流饋線柜保護一致。交流低壓柜設置反時限長延時、定時限短延時、速斷保護。

3 再生制動逆變回饋裝置在貴陽地鐵中的應用

再生制動逆變回饋裝置的核心部件即為變流器，變流器采用三相逆變器。三相逆變器由大功率的電力電子器件構成，該逆變器的直流側通過DC1500V直流饋線開關與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流側通過低壓開關、回饋變壓器與35 kV開關柜相連；當列車再生制動能量使直流母線電壓超過設定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收能量，將列車再生制動直流電能逆變成工頻交流電能回饋至交流電網。

貴陽地鐵1號線北段由于受客流的影響，發車間隔較大，這就導致了列車在制動時產生的電力能不能被臨近的車輛有效吸收，白白浪費掉。有資料表明，城市軌道交通列車再生制動產生的反饋能量一般為牽引能量的20%～40%，這些能量除了按一定比例（一般為20%～80%，根據列車運行密度和區間距離的不同而異）被其他相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發熱的方式消耗或被線路上的其他能量吸收裝置吸收。根據經驗，當列車發車密度大于10 min間隔時，列車再生制動能量被鄰近列車吸收的概率幾乎為零。故貴陽地鐵1號線北段在貴陽北站設置了一套再生制動逆變回饋裝置，以充分利用列車制動時產生的電力能。當列車制動且貴陽北站的接觸網網壓升高到再生制動逆變回饋裝置預設的啟動電壓值時，裝置的核心部件三相逆變器通過PWM控制模式啟動逆變電力電子器件IGBT，使逆變器啟動，將直流電逆變為交流電，再通過升壓變壓器與35 kV中壓網絡并網，實現對直流網壓的控制，保證列車的再生制動有效。（如圖3）

4 結語

再生制動逆變回饋裝置相較于其他的再生制動能量吸收或利用方案優點明顯，直接將多余的能量回饋到35 kV中壓網絡。但在變流器的控制、逆變電能并網、諧波污染以及設備的穩定性等諸多技術方面還有待進一步提高，這些也是制約再生制動逆變回饋裝置在城市軌道交通系統中大力推廣的關鍵原因。因此，加大對再生制動逆變回饋裝置的技術攻關對于其推廣意義重大。

參考文獻

[1] 許愛國，謝少軍.城市軌道交通再生制動能量利用技術研究[D].南京航空航天大學，2009.

[2] 北京千駟馭電氣有限公司.貴陽地鐵1號線變流器柜二次原理圖[Z].2016.