青島地鐵逆變回饋裝置的運行性能與節能效果評估

張 巖，吳建華，張丙建，劉 煒，張 戩，張 浩

0 引言

隨著城市化進程不斷加速，截至2019年年底，全國有40座城市開通運營城市軌道交通線路，共計210條，總里程6 386.9 km。城市軌道交通作為我國重點用能單位之一，除人工成本外，電耗費用在運營費用中占比最高，一般占運營費用的20%以上[1]，其中一半以上電能用于牽引供電。城軌列車在頻繁電制動過程中約產生牽引能耗30%以上的再生制動能量，合理安裝再生能量利用裝置，提高再生能量利用率成為當前研究熱點[2，3]。

現階段，儲能和逆變是實現再生制動能量循環利用的主要方式[4]。文獻[5]研究電阻-逆變型再生制動能量地面吸收裝置在地鐵中的應用，實現了再生制動能量的充分利用。文獻[6]提出了逆變+儲能的新型再生能量吸收裝置，理論上完善了單一再生制動能量利用裝置方案在容量配置上的不足。文獻[7]研究了再生制動能量在并網與儲能之間的分配，通過仿真驗證采用儲能優先的策略能夠有效減小再生制動功率對交流電網的沖擊。文獻[8]根據地鐵逆變裝置的實測數據，驗證了逆變回饋型裝置本身在能量反饋方面的有效性。上述文獻沒有從牽引供電系統的角度對再生能量吸收裝置運行性能進行實測分析，且未考慮不同位置再生制動能量吸收裝置對牽引供電系統電壓、電流及再生制動功率分配的影響。

文獻[9]對逆變回饋裝置在南京地鐵的長期運行情況進行實測分析，得出逆變裝置節能效果良好，可代替地面制動電阻，降低隧道散熱費用支出。文獻[10，11]分析了再生能量回饋裝置的安裝位置對再生制動能量利用率的影響，對實測逆變回饋裝置安裝方案具有一定指導意義。文獻[12]通過對上海地鐵列車運行能耗進行實測分析，研究再生制動能量利用裝置的系統設計。

基于以上再生能量利用裝置研究現狀，本文對青島某地鐵線路含逆變回饋裝置的典型供電區間進行實測分析，對牽引降壓混合所（牽混所）中逆變回饋裝置的直流側、交流測電壓電流進行同步測試，增加主變電所監測點，從裝置級和系統級評估逆變回饋裝置在直流牽引供電系統中的運行性能。

1 測試方案

青島某地鐵線路目前開通運營24個牽引所，其中含牽混所18座，降壓變電所（降壓所）3座，區間所3座。線路長度約為67 km，設置主變電所2座，開閉所1座，共21個車站。采用直流1 500 V接觸軌授流，鋼軌回流。列車類型為4B，2動2拖編組。本次共測試2個含逆變回饋裝置的典型供電分區，分2次進行。該地鐵線路2段典型供電分區供電系統簡圖如圖1所示，牽混所和區間所以字母“T”加順序數字命名，降壓所以“S”加順序數字命名。逆變回饋裝置與牽引負荷不在同側。

圖1 開閉所供電分區供電系統簡圖

測試分為2個階段進行，第1階段測試對牽混所T5和T7的逆變回饋裝置及主變電所2進行測試，第2階段對牽混所T16進行測試。測試期間，主要收集逆變回饋裝置不同啟動電壓下全日負荷過程數據，得到反饋電能和反饋比率、逆變裝置響應時間；測量逆變回饋裝置投切對主變電所返送功率、牽引網網壓等變化的影響，并評估逆變回饋裝置安裝后的節能效果。

2 逆變回饋裝置性能分析

2.1 響應時間

國標規定，逆變回饋裝置響應時間為輸出功率從零到峰值功率所需的時間，其值不應超過1 s[14]。

牽混所T7、T16逆變回饋裝置短時電流分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可以看出，牽混所T7、T16逆變回饋裝置電流在約0.9 s內從0上升至裝置額定電流值1 200 A左右，符合國標要求。

圖2 T7逆變回饋裝置響應時間

圖3 T16逆變回饋裝置響應時間

2.2 控制牽引網網壓效果

以牽混所T16為例，分析該所逆變回饋裝置穩壓效果及啟動電壓影響，其直流側負荷過程曲線如圖4所示。該所逆變回饋裝置工作時間為06：10—22：00，啟動電壓設置為1 770 V。

圖4 T16直流側負荷過程曲線

由圖4可以看出：逆變回饋裝置未工作時，牽引網網壓水平較高，最高可達1 838 V；投入逆變回饋裝置后，牽引網網壓最大值穩定在1 770 V左右，逆變回饋裝置穩壓效果較好。

2.3 裝置利用率

國標規定逆變回饋裝置工作制為矩形間歇工作制，工作周期為120 s。占空比可以反映逆變回饋裝置的利用率，計算方法是以120 s為一個時間窗口，統計120 s內電流的有效值，通過換算得到對應額定功率運行的占空比σ。σ的計算方法如下：

式中：IRMS為120 s內電流的有效值；In為直流側額定電流；Ii為裝置第i秒的電流。

以牽混所T16為例，根據式（1）、式（2）進行計算，得到該牽混所逆變回饋裝置占空比如圖5、表1所示。該所的逆變回饋裝置工作時段為06：10—22：00，當日06：10—17：35啟動電壓為1 740 V，17：35—22：00啟動電壓為1 770 V。

圖5 T16逆變回饋裝置占空比

表1 不同啟動電壓下逆變回饋裝置最大占空比

由圖5可以看出：牽混所T16逆變回饋裝置以額定功率工作，啟動電壓為1 740 V時，該牽混所逆變回饋裝置占空比最高為12.2%，整體占空比水平較高；調整啟動電壓為1 770 V后，整體占空比降低，最大為5.2%。當逆變回饋裝置啟動電壓降低時，逆變回饋裝置啟動次數增加，其占空比提高，因此利用率上升。

由表1可以看出，牽混所T7逆變回饋裝置也均符合占空比變化規律，但牽混所T16啟動電壓為1 740、1 770 V時分別與T7啟動電壓為1 720、1 750 V相比，T16最大占空比均更大。這是由于T7平均空載電壓為1 710 V左右，而T16空載電壓為1 735 V左右，T16空載電壓水平較高且與逆變回饋裝置啟動電壓更接近。

3 主變電所負荷過程分析

該地鐵供電系統主變電所負荷統計如表2所示。其中改變逆變回饋裝置設置的牽混所為T5和T7，均為牽引負荷在Ⅰ段母線的牽混所，其逆變回饋裝置位于Ⅱ段母線。其他牽混所內逆變回饋裝置設置為：主變電所1、2供電分區內逆變回饋裝置啟動電壓為1 750 V，開閉所供電分區內逆變回饋裝置啟動電壓為1 770 V。

表2 主變電所2全日負荷統計

由表2可以看出，主變電所2供電分區內，逆變回饋裝置啟動電壓為1 720 V時比1 750 V時主所Ⅱ段返送電量多。這是因為啟動電壓降低后，逆變回饋裝置反饋電能增加。主所負荷除牽引負荷外，還包括動力照明等負荷變化波動較大的負荷，因此日電度波動較大。

4 節能效果評估

4.1 節能指標

評價節能效果時，既要考慮裝置的節能效果，也應顧及整個系統的節能效果。評價裝置級節能效果時可以將再生制動反饋率ξ作為評價指標：

式中：ti為第i種發車間隔的運營時長；J為全日發車間隔數量；PF為第i種發車間隔下牽引變電所逆變回饋裝置每小時的平均逆變功率；PT為第i種發車間隔下牽引變電所整流機組每小時的平均牽引功率。

評價系統的節能效果時，還應考慮列車發車密度、牽引變電所數量與主所返送功率相關。綜合以上分析，系統節能效果評價應以系統日回饋能量WFr、實際牽引能耗WTr作為考核指標[13]，其計算式為

式中：M1為牽引變電所數量；M2為主變電所數量；PMik為第i種發車間隔，第k個主所每小時的平均返送電量；PFij為第i種發車間隔，第j個牽引變電所每小時平均反饋功率；PTij為第i種發車間隔，第j個牽引變電所每小時平均牽引有功功率。

4.2 節能效果分析

對該線路逆變回饋裝置不同啟動電壓下節能效果進行統計，如表3、表4所示。

表3 逆變回饋裝置不同啟動電壓下裝置級節能效果

根據表3，牽混所T7和T16的再生制動反饋率ξ隨啟動電壓的提高而降低，牽混所T7的ξ最高為24.9%，比T16的ξ最大值46.2%低，與空載電壓水平有關。

當改變T5和T7的逆變回饋裝置設置時，主變電所2供電分區系統級節能效果如表4所示，其他牽混所逆變回饋裝置設置同第3節。

表4 主變電所2供電分區系統級節能效果

由表4可以看出，逆變回饋裝置啟動電壓降低時WFr增加，最大為5 254 kW·h。T7和T16的逆變回饋裝置未投入時，T5、T8和T14的逆變回饋裝置仍投入，此時WFr為2 242 kW·h。啟動電壓為1 750和1 720 V時，主變電所2供電分區WTr分別是逆變回饋裝置未投入時的98.4%和97.5%。由于主變電所2供電區間內僅有兩逆變回饋裝置狀態改變，因此對系統實際牽引能耗影響有限。

5 結論

（1）通過對青島某地鐵線路含逆變回饋裝置的牽混所進行測試和分析，逆變回饋裝置對控制牽引網網壓水平效果較好，其響應時間在1 s內，符合國標要求；占空比最大為12.2%，啟動電壓越低時占空比越高，且與空載電壓水平有關。

（2）對主變電所負荷過程進行分析，逆變回饋裝置啟動電壓越低，主變電所全日返送電量越多，最大為989 kW·h。

（3）提出了以再生制動反饋率ξ作為裝置級節能評價指標，ξ隨啟動電壓的提高而降低，最大值為46.2%，且與空載電壓水平有關。提出了以系統日回饋能量WFr、實際牽引能耗WTr作為系統節能效果評價指標，逆變回饋裝置啟動電壓降低時，WFr增加，WTr減小，WFr最大為5 254 kW·h。啟動電壓為1 750和1 720 V時，主變電所2供電分區WTr分別是逆變回饋裝置未投入時的98.4%和

97.5%。