一種無軌架線車輛制動安全解決方案的設計

閻志偉

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高效高產的礦井近些年得到迅猛發展， 防爆柴油機驅動的無軌膠輪運輸車輛在煤礦中被大量投入使用，總數已經遠超6000 輛。車輛使用礦用防爆柴油機目前主要使用機械泵供油， 經防爆改造后的柴油機油耗高、 效率低，而且尾氣和噪聲污染嚴重，由于煤礦井下空間密閉狹小，非常不利于污染物擴散，從而嚴重危害井下工作人員身心健康[1]。在此基礎上，借鑒高鐵的模式，采用電機和柴油機牽引方式的雙驅車輛。 該運行系統將架線接觸網鋪設于煤礦輔運巷道中，當雙驅架線車輛運行至此巷道時，將集電弓與接觸網貼合受電， 車輛將采用電機驅動模式運行，大大降低巷道里的有害尾氣排放，對礦井的工作環境改善有著重大作用。 然而，目前無軌膠輪車輛的制動方式主要為機械濕式制動，制動效率較低，尤其是長距離下坡時，運行過程中可能頻繁地起、制動，制動過程產生的能量主要以摩擦發熱的形式消耗[2]，所以會造成車輛制動器摩擦片損壞嚴重，存在著較大安全隱患，是當前迫切需要解決的問題。

1 再生電能利用裝置技術選擇

目前再生電能利用裝置主要有以下幾種類型： 電阻消耗型；電容儲能型；逆變回饋型等。 表1 對常用再生電能利用裝置技術進行比較分析[3]。

綜合表1 分析：電阻吸收和電阻-逆變吸收技術并不能真正實現電能的再利用，且電阻裝置發熱量高，浪費能源嚴重。

表1 再生電能利用裝置技術比較

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，且技術基本集中在國外公司手中。

逆變回饋型技術在國內應用比較成熟， 已有多家供應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、生產、服務實力[4]。

考慮到無軌架線車輛運行時存在接觸網僅靠當無軌架線車輛在斜井坡道重載運行時處于再生制動狀態，會產生很大的能量，因此，車輛運行中產生的多余能量不應該僅僅以制動器摩擦發熱的方式進行消耗， 而應該在架線車輛的接觸網供電系統中設計能量回饋利用裝置，綜合比較，本次設計采用逆變回饋型再生電能利用方案，從而變害為利。

2 回饋方案的設計

如圖1 所示，在某架線巷道設置A、B、C 三座牽引變電所。 牽引變電所A 為地面所，設置在井口房附近；牽引變電B、C 所為井下所，其中B 所設置在2-2 煤輔運大巷交叉口，C 所設置在離B 所3km 處。 從圖1 分析可知，2號輔運平硐為2.8km 長距離連續下坡路段， 無軌架線車輛電制動產生的能量的主要集中在該路段， 因此再生電能利用裝置設置在A、B 所比較合適。

逆變回饋通常分低壓能饋型 （將電能回饋至低壓0.4kV 動力照明網絡系統）和中壓能饋型（將電能回饋至10kV）。 根據本項目工況，在牽引所A、B 的之間的供電區間內，如果發生兩個最大工況的車輛運行制動的情況，瞬時制動功率將達到2.1MW，低壓能饋型設備目前單套設備容量可達1.2MW， 不能滿足本項目的要求，且能量回饋到0.4kV 低壓電網可能會導致網壓存在較大波動，進而影響0.4kV 低壓電網上設備的穩定運行。中壓能饋型設備相對于低壓能饋型設備具有較大的技術優勢，容量可以達到4MW，10kV 系統的容量要遠大于0.4kV 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。因此逆變回饋方案選擇中壓能饋型較為合理。

按照最大工況，雙邊供電模式，各所一半進行回饋估算，A 所額定回饋容量800kW，短時回饋容量1600kW；B 所額定回饋容量1600kW，短時回饋容量3000kW。 本次設計主要做了三種方案比選。

圖1 牽引變電所分布示意圖

2.1 牽引/回饋雙向變流（方案1）

整套系統直流側通過DC1500V 開關柜接入接觸網，再接入隔離開關柜、 牽引回饋雙向變流器柜和整流變壓器， 交流端通過整流變壓器原邊連接到12kV 中壓開關柜，最后接入中壓供電網，原理如圖2 所示。

該方案利用多電平整流/逆變技術，整流、回饋裝置二合一，系統簡單可靠， 是城市地鐵、輕軌變流技術的發展方向，輸出波形平滑、諧波含量低、機組效率高、占地少，系統設備費用最低[5]，已有產品投入市場， 即將在寧波、長沙、烏魯木齊等地鐵工程中投入使用。

圖2 牽引/回饋雙向變流原理圖

2.2 整流加單獨回饋（方案2）

即采用回饋柜及回饋變壓器回饋至10kV 側方案， 整套系統直流側通過DC1500V 開關柜接入接觸網， 再接入隔離開關柜、 回饋變流器柜和回饋變壓器， 交流端通過變壓器連接到12kV 中壓開關柜，最后接入中壓供電網。

地面牽引變電所A所： 額定回饋容量800kW； 短時回饋容量1600kW；短時回饋時間30s，周期120s，原理如圖3 所示。

圖3 單獨回饋原理圖

2.3 回饋至整流變壓器二次側（方案3）

方案整流系統配置如方案2， 回饋接入點在在整流變壓器的二次側，原理如圖4 所示。

圖4 回饋至整流變壓器二次側原理圖

3 設計方案對比分析和選擇

根據上述的三種設計方案， 進行各自優缺點對比分析如下：

3.1 牽引/回饋雙向變流方案

優點： 牽引回饋功能合二為一，無需另外單獨加裝回饋裝置， 需要設備及占地均有很大節約，降低投資成本。 牽引時通過PWM 變流器整流，穩壓效果好，接觸網電壓穩定，電壓波動小[6]。缺點：牽引回饋功能合二為一，對裝置可靠性要求高。

3.2 整流加單獨回饋方案

優點：牽引回饋功能獨立，無相互干擾，系統可靠性高。 缺點：設備及占地較多，投資成本大。

3.3 回饋至整流變壓器二次側方案

優點：利用原整流變，不再單獨增加中壓變壓器及中壓開關柜， 提高系統安全性且成本相對較低。 裝置體積小，便于安裝，放置。缺點：二極管整流器與回饋裝置之間存在固有環流；回饋能量受限于牽引變容量，當回饋出線故障時，容易對整流系統造成影響[7]。針對本項目，整流系統同時對上行和下行牽引網絡供電，如果回饋系統故障，可能會同時影響上行和下行雙向通行。

根據以上論述， 考慮到實際應用于上行和下行兩個雙向， 且該系統架線車動力源， 可靠性和穩定性尤為重要。因此采用方案1 和方案2 結合的辦法，即二極管整流加雙向變流的方案。

4 能饋系統設計介紹

工作系統原理示意圖如圖5 所示， 等效電路模型如圖6 所示，能饋系統主要由隔離開關柜、牽引/回饋雙向變流器柜及整流變壓器柜組成， 雙向變流器位于直流接觸網和AC10kV 之間，裝置采用基于PWM 控制的雙向變流器， 既可用來將車輛運行過程中多余制動能量轉換后回饋到10kV 電網，也可以牽引整流器運行，向直流電網提供牽引供能[8]。

圖5 工作系統原理圖

圖6 系統等效電路模型

車輛主要分為以下3 種工作狀態。

4.1 牽引狀態

車輛牽引運行時，由整流器通過接觸網向車輛供電，能饋裝置不投入工作。

變電所出口電壓：Us=Uo-It×Rs

車輛變頻器電壓：

當列車牽引時會使直流網電壓降低，待機狀態下雙向變流器檢測到直流端口電壓≤牽引電壓閾值時，裝置將立刻打開脈沖進行牽引控制，直流網電壓也會維持穩定。

4.2 回饋狀態

車輛電驅制動時，牽引電機運行在發電機狀態，通過接觸網將制動能量反饋到變電所， 由能饋裝置吸收后回饋到10kV 電網，整流器不投入工作。

變電所出口電壓：Us=1700V（使用能饋裝置時）

車輛變頻器電壓：Ut=Us+Ib×（R1+R2）+Ib×Rt

當列車制動時會使直流網電壓升高， 雙向變流器檢測到直流端口電壓≥回饋電壓閾值時， 裝置將立刻打開脈沖進行回饋控制，將多余制動能量轉換后回饋到10kV電網，保持直流網電壓穩定[9-10]。

4.3 待機狀態

雙向變流器工作于回饋或牽引過程中實時檢測直流電流，當列車制動或牽引過程中直流電流≤待機電流時，持續5s 后裝置封鎖脈沖轉入待機狀態（待機電流下的回饋能量小于變流器自身損耗，不需要進行回饋）

本能量回饋裝置通過檢測直流母線電壓來控制回饋裝置工作， 可將車輛運行過程中產生的多余能量由直流電逆變為交流電，回饋至10kV 交流電網。

按最大運行工況時考慮能量回饋容量： 額定回饋容量800kW；短時回饋容量1600kW；短時回饋時間30s，周期120s。 裝置回饋電能時，回饋至10kV 交流電網的電能功率因數接近于1。

雙向變流器的開關頻率為1500Hz， 開關周期666.7μs，啟動后處于待機狀態，實時檢測雙向變流器直流端口電壓， 當檢測到雙向變流器直流端口電壓大于回饋閾值或小于牽引閾值時， 能夠在1 個開關周期 （即666.7μs）內打開脈沖進行回饋或牽引運行，保持接觸網網電壓穩定[11]。

5 系統試驗驗證

煤礦變電A 所雙向變流器在現場回饋功能測試中，通過調節車輛的輸出速率來測試雙向變流器的直流電壓超調。 測試結果如圖7 所示，由圖分析可見：雙向變流器回饋閾值為1700V， 車輛按照5MW/s 的速度出功率使直流電壓快速升高，從0 到短時運行滿功率（2MW）過程中，直流母線電壓最大超調為1740V， 直流電壓超調量為2.35%，小于一般要求的5%，通過控制很快恢復到1700V。

圖7 煤礦現場直流母線電壓動態超調測試結果

另外，系統經過現場試驗運行，雖然采用了牽引/回饋雙向變流器設計，且運用了比較先進的控制算法，可大大減小架線車輛上的變頻器出現過壓風險， 但受現場環境和弓網接觸性能時而不良的影響， 偶爾會出現無法及時吸收車輛多余能量的情況， 此時接觸網壓會迅速上升超過車輛變頻器的過壓保護設定值， 因此架線車上還應該配置過壓吸收電阻[12]，用于迅速吸收回饋過程中的瞬時過電壓， 防止車輛變頻器回饋時出現過壓保護而造成停機。

6 結論

綜合來看，此種能饋系統的設計方式，可收集無軌膠

輪運輸車輛運行中產生的多余能量， 進而回饋到高壓電

網用來供其他設備使用， 以便使直流牽引網電壓維持在

穩定的范圍， 達到滿足車輛重載情況下的上坡牽引和下

坡回饋運行的需求， 對于解決無軌架線車輛在長距離的坡道上運行時制動系統容易發熱失效的安全問題起著重要意義。