再生制動能量回饋系統的能量回饋效率影響因素分析

何禮光 何海華

(廣州ABB微聯牽引設備有限公司,510530,廣州∥第一作者，助理工程師)

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再生制動能量回饋系統的能量回饋效率影響因素分析

何禮光 何海華

(廣州ABB微聯牽引設備有限公司,510530,廣州∥第一作者，助理工程師)

詳細分析了城市軌道交通項目在選取再生能量回饋系統時需要考慮的因素。能量回饋系統的安裝間隔直接影響再生制動能量利用率的高低，列車制動時與能量回饋系統的距離也影響能量回饋效率，能量回饋系統安裝點與軌道的距離也會影響能量回饋效率。

城市軌道交通; 列車再生制動; 能量回饋系統; 回饋效率

Author′s address ABB Microunion Traction Equipment Limited,510530,Guangzhou,China

能量回饋系統(ERS)和儲能系統(ESS)是再生制動能量管理系統(EMS)的兩種主要方式。逆變回饋方式是將能量逆變至中壓或低壓電網,以供給站內設備用電,從而達到能量循環利用的目的。儲能方式主要有蓄電池儲能、超級電容儲能和飛輪儲能等幾種。采用儲能方式可緩沖列車電制動時對直流接觸網的沖擊。在早晚高峰時,線上列車較多,儲能系統可在列車牽引過程釋放能量,防止接觸網電壓下降太快；在列車制動時,將能量儲存,實現能量的循環利用。在采用EMS時,列車不要安裝制動電阻,即可達到輕量化設計的目的。目前ABB集團有限公司針對軌道交通開發的Enviline系列EMS在波蘭、土耳其、美國和澳大利亞均有成熟的應用業績。

1 再生制動能量回饋系統選取因素

城市軌道交通項目在安裝ERS時一般需要綜合考慮EMS的安裝距離、列車的運行間隔、列車運行過程的制動策略、能量管理系統啟動電壓、能量管理系統的功率、電網的吸收能力及投資回報率等因素。

對于新建的線路,可通過提高電網的吸收能力,提高能源利用率。但對已有的線路而言,其電網吸收能力固定,故直流接觸網的阻抗將直接影響再生制動能量傳輸回EMS的效率。而發車的間隔決定了在線運行列車的數量,從而決定了線上有多少能量能夠回饋。合理的安裝距離、制動策略和發車的間隔在兼顧投資回報的前提下,可將能量利用的效率最大化。

本文著重分析EMS安裝距離和列車運行過程的制動策略(列車制動時離EMS的距離)對EMS能量利用率的影響,并給出ABB Enviline系列ERS在波蘭羅茲城軌項目的應用實例。

2 基本技術參數

分析使用的技術參數選取設計運行速度為120 km/h的地鐵B型車,其供電額定電壓為1 500 V,ERS的啟動電壓和停止電壓分別設定在1 670 V和1 850 V(可根據不同城市以及電網的吸收能力進行調整)。具體的參數如表1、表2所示。

表1 ABB Enviline系列ERS技術參數

表2 基本技術參數

選取的地鐵線路共有19座車站。變電站的分布情況如表3所示。發車間隔及預估滿載率見表4。

表3 研究線路的變電站分布情況

表4 發車間隔與預估滿載率

3 仿真分析

3.1 不同ERS安裝方案的能量回饋分析

由于空間的限制,一般只在牽引變電站內安裝ERS,而在未設變電站的普通車站不設置ERS。當每座牽引變電站均安裝ERS時，每個座車站的再生制動總能量及回饋至電網的能量見圖1。當ERS在相隔3～5 km的變電站安裝時，各站ERS的安裝情況見表5，相應的各站能量回饋情況見圖2。經計算，此時制動電阻消耗的能量約占再生制動總能量的10%，回饋至電網的能量約占90%。

圖1 變電站均安裝ERS時每個站點能量回饋情況

站名站點是否安裝ES站點1是站點2否站點3是站點4否站點5是站點6是站點7否站點8否站點9是站點10否站點11是站點12否站點13否站點14是站點15否站點16是站點17否站點18是站點19否

圖2 相隔3～5 km的變電站安裝ERS時每個站點能量回饋情況

從圖1和圖2可以明顯看出,站點4到站點8的回饋能量明顯下降,且回饋電網的能量占總電制動能量的比例從95%下降到90%。當所有變電站均安裝能量回饋系統時,每天回饋的總能量為59.28 MWh,而隔3～5 km變電站安裝時,回饋的總能量為56.24 MWh。按電價0.6元/kWh考慮,一年365 d計算(不考慮工作日與非工作日客流量的差異對能量回饋吸收的影響),則2種安裝方式每年的電價之差約為665 760元。就此線路而言,考慮投資回報率,隔3～5 km變電站安裝ERS方案的經濟效益會更好。

3.2 列車與ERS的距離不同時的電制動能量回饋分析

列車電制動時與ERS的距離(以下簡為“車-ERS距離”)分別為0.5 km、2.0 km、4.0 km的仿真結果分別如圖3～圖5所示。

圖3 車-ERS距離為0.5 km時能量回饋情況

圖4 車-ERS距離為2 km時能量回饋情況

圖5 車-ERS距離為4.0 km時能量回饋情況

當列車電制動時,電網電流突然上升,觸發ERS開始工作；隨著列車速度減小到0,電網電流隨之下降到0,ERS停止工作。

距離ERS 0.5 km時，列車開始電制動。ERS的工作電流與接觸網電流的變化基本一致(如圖3所示)?？梢?，實際通過ERS的能量與線上能被回饋的能量基本一致。但隨著制動時列車與ERS之間距離的增加,由于線路阻抗增加,實際通過ERS的電流相比明顯下降(見圖4～圖5)。最大回饋電流與車-ERS距離的關系如圖6所示。

圖6 最大回饋電流與車-ERS距離的關系

4 ABB Enviline系列ERS在波蘭羅茲項目的應用

ABB聯合研發中心于2013年在波蘭羅茲某城市軌道交通項目(750 V)變電站里安裝了1套ERS。目前該系統運行情況仍然良好。

列車制動時，ERS直流側的電流電壓變化波形如圖7所示。

圖7 ERS直流側的電壓與電流波形

由圖7可見,當電壓高于設定值時(此項目為730 V),ERS開始工作?？杀换仞伒哪芰咳Q于直流母線的電壓。直流母線能承受的電壓越高,則能被ERS獲得的電流就越大。當列車電制動回饋能量時,優先由ERS吸收回饋。從圖7還可以看到,由于電制動產生的能量被其他列車吸收掉了,ERS停止工作兩次。圖8為某段時間內ERS直流側的電流變化情況,可以看出，列車在行進過程中經常會有兩次甚至更多的電制動產生,產生回饋電流,觸發ERS工作。

圖8 某段時間內ERS直流側的電流變化

圖9為電網空載時的ERS交流側電壓波形圖。圖10、圖11為列車制動過程中電網交流側的電壓與電流波形圖。交流側電壓與電流是通過安裝在變壓器二次側的特殊測量裝置獲得的。由圖9可以看出,空載時交流側的電壓為526～527 V。在制動能量回饋過程中,電壓上升超過530 V。在ERS電流最大時,電壓可達550 V。

圖9 空載時ERS交流側電壓波形圖

圖10 制動時ERS交流側的電壓波形(AB相)

圖11 制動時ERS交流側的電流波形(A相)

圖12記錄了ERS安裝在距離軌道大于1 km的位置時2013年10月1日—2014年1月29日期間的能量回饋情況。2013年10月—11月間,平均每天回饋能量為100 kWh。2013年12月,由于室外溫度低,車上的加熱設備均打開工作,故直流母線平均電壓降低,每天能量回饋值降至60 kWh。另外，ERS啟動電壓與制動電阻啟動電壓之間的差值僅為30～40 V。當ERS安裝點距離軌道只有200 m時,兩周內平均每天回饋能量達200 kWh(如圖13所示)。

圖12 ERS距軌道大于1 km時回饋的能量

5 結論

通過對ERS系統的能量回饋因素分析，得到以下結論：

圖13 ERS距離軌道200 m時回饋的能量

(1) ERS的安裝間隔直接影響再生制動能量利用率的高低。

(2) 由于存在線路阻抗,故在電制動時列車與ERS的距離影響再生制動能量的回饋效率。

(3) ABB Enviline系列ERS在波蘭羅茲項目的應用,也說明了ERS安裝點與軌道的距離直接影響回饋能量效率。不過,該項目所在線路比較老舊,電網吸收能力有限,并且列車速度低、載重小,所以回饋的能量總值與國內的線路相比較少。

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Analysis of Factors on Recuperation Efficiency of Regenerated Braking Energy Recuperation System

HE Liguang, HE Haihua

Important factors that influence the selection of rail transit regenerated braking energy recuperation system are analyzed in detail.The installation interval of energy recuperation system will directly influence the utilization efficiency of the regenerated energy produced by train.Conversely,the distance between train braking and energy recuperation system,between the installation point of energy recuperation system and the track will also influence the utilization efficiency.

urban rail transit; train regenerated braking; energy recuperation system; recuperation efficiency

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.06.016

2016-12-09)