再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)應(yīng)用研究

陳旭

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510310）

0.引言

伴隨著城市軌道交通的高速發(fā)展及運(yùn)營里程的急劇增加，對電能的需求快速增長。城市軌道交通列車運(yùn)營時需要頻繁起動和制動，也提高了對電能質(zhì)量的要求。當(dāng)列車起動時，車輛從接觸網(wǎng)（軌）吸收了大量的電能，實(shí)現(xiàn)高速加速。當(dāng)列車進(jìn)站制動剎車時，列車采用電制動為主的制動剎車方式，其制動剎車產(chǎn)生的電能占車輛牽引電能的比例約為30%～40%，這部分再生制動電能除少部分能被相鄰加速車輛吸收外，其余大部分的能量需要被吸收消耗掉，以維持直流牽引系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，否則直流牽引系統(tǒng)電壓過高會引起相關(guān)設(shè)備損壞，并且影響列車制動效果。如何合理的利用好這部分剎車能量，對城市軌道交通牽引系統(tǒng)節(jié)能降耗將是一個巨大的貢獻(xiàn)。

1.再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)的再生制動能量吸收方式主要采用電阻消耗型方案，其結(jié)構(gòu)簡單功能單一，僅僅通過列車電阻和能饋電阻發(fā)熱將列車制動能量消耗，并沒有對制動電能回收利用。同時電阻會增加設(shè)備房和以及車重，電阻發(fā)熱環(huán)境溫度升高又加重通風(fēng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步引起能源浪費(fèi)。最后電阻本身發(fā)熱量大，需要維護(hù)的頻率及本身的老化程度也會加快，不符合目前節(jié)能環(huán)保的理念。目前新型再生制動能量回饋方案主要有3種：飛輪儲能系統(tǒng)、超級電容儲能系統(tǒng)、逆變回饋系統(tǒng)。飛輪和電容儲能型設(shè)備的節(jié)能效果很好，缺點(diǎn)是要設(shè)置巨大的電容器，并組合轉(zhuǎn)動機(jī)械飛輪裝置作為儲能部件，設(shè)備成本很高，不利于安裝維護(hù)且存儲電量有限。而逆變回饋型方案有成本低、能量轉(zhuǎn)換效率高、技術(shù)成熟、維護(hù)量小等顯著優(yōu)點(diǎn)。從城市軌道交通節(jié)能環(huán)保的理念考慮，再生制動能量逆變回饋裝置的使用是地鐵建設(shè)供電牽引制動領(lǐng)域的一個主流選擇，下面簡單介紹再生制動能量逆變回饋裝置的構(gòu)成、工作原理。

再生制動能量逆變回饋裝置由隔離開關(guān)柜、變流器柜和變壓器柜等組成，如圖1所示。隔離開關(guān)柜用來實(shí)現(xiàn)回饋裝置與直流牽引網(wǎng)的電氣隔離，保證設(shè)備維護(hù)的安全。變流器柜主要由大功率電力電子器件IGBT、控制裝置等組織，實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，完成再生制動能量的回饋，是整套裝置的核心。變壓器柜主要是將電壓升壓并接入至33kV中壓系統(tǒng)。

圖1 再生制動能量逆變回饋裝置組成示意圖

2.再生制動能量逆變回饋裝置原理

再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)為三相電流型逆變電源，工作原理如圖2所示。在系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)下，能饋裝置變流器將實(shí)時檢測直流母線電壓，根據(jù)設(shè)定參數(shù)的情況采取相應(yīng)的工況。車輛制動時，列車制動產(chǎn)生的再生電能首先由相鄰的列車吸收使用，其次由能饋裝置反饋到中壓電網(wǎng)供給其他負(fù)荷，最后由車載電阻吸收。能量逆變回饋裝置根據(jù)直流牽引網(wǎng)回饋電流的大小，自動調(diào)節(jié)裝置的吸收功率，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓的功能，實(shí)現(xiàn)列車再生電能的二次利用，達(dá)到節(jié)能的目的。能饋系統(tǒng)的控制電路主要由電流調(diào)節(jié)子系統(tǒng)和PWM發(fā)生器組成?？刂齐娐肥褂肧PWM控制策略，調(diào)壓控制器采用數(shù)字式PI控制，能根據(jù)需要實(shí)時地調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值?？刂齐娐凡捎梅答?修正的模型，把逆變后的交流電通過電流測量將三相電流反饋回來，與設(shè)定的參考電流信號進(jìn)行比較，所得的誤差信號再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，新信號繼續(xù)輸入PWM發(fā)生器，用來控制PWM發(fā)生器的調(diào)制正弦波的幅值。PWM發(fā)生器產(chǎn)生的PWM波又來控制逆變電路開關(guān)器件IGBT的開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能[1]。

圖2 再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)原理示意圖

3.再生制動能量逆變回饋裝置應(yīng)用研究

某地鐵線路設(shè)置有7套再生制動能量逆變回饋裝置（以下簡稱能饋裝置），可實(shí)現(xiàn)再生制動能量的回饋利用，達(dá)到節(jié)能效果的同時，也可以有效將直流電壓穩(wěn)定在一個相對合適的數(shù)值。通過研究線路能饋裝置的應(yīng)用與現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)，量化分析和驗(yàn)證再生制動能量逆變回饋裝置的節(jié)能效果，同時研究對全線再生制動能量逆變回饋裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)置，達(dá)到提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)回饋電量最大化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)備管理方式，提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

3.1 列車制動電量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)2020年某日列車正常運(yùn)行一天的能耗數(shù)據(jù)記錄，全天產(chǎn)生制動電量為4500kW·h，車載制動電阻消耗電量為360kW·h。按全線上線12輛列車估算，即全線列車產(chǎn)生的制動電量為4500×12=54000kW·h，全線列車車載制動電阻消耗電量為4320kW·h，全線能饋裝置日均回饋電量為8762kW·h。據(jù)此可分析出列車產(chǎn)生的制動電量，約有16%被能饋裝置回饋至供電系統(tǒng)，8%被車載電阻消耗，最后剩余的76%被相鄰的在牽引狀態(tài)的列車吸收。

3.2 全線能饋裝置電量數(shù)據(jù)分析

某地鐵線路采用了7套許繼集團(tuán)有限公司提供的2MW再生制動能量逆變回饋裝置。全線能饋裝置電壓回饋閥值統(tǒng)一設(shè)置為1720V，統(tǒng)計(jì)2020年1月至6月電量數(shù)據(jù)，分析各站能饋裝置運(yùn)行情況如表1所示，其中A站、C站、D站、E站、F站五個站點(diǎn)日均電量均超過1000kW·h，B站、G站能饋裝置回饋電量明顯較少。從全線電量數(shù)據(jù)上分析，全線能饋裝置日均回饋電量為8762kW·h，如表1所示。

表1 全線各站日均回饋電量/kW?h

3.3 能饋裝置參數(shù)設(shè)置原則

列車剎車制動時，接觸軌電壓升高，超過能饋裝置投入閥值時，裝置進(jìn)入回饋運(yùn)行，將制動能量逆變回饋至33kV中壓環(huán)網(wǎng)。能饋裝置主要通過設(shè)置回饋電壓數(shù)值，以控制裝置是否投入回饋運(yùn)行狀態(tài)，能饋裝置投入閥值的不同，制動能量的回饋效果也不一樣。其設(shè)置原則為：回饋電壓閥值需大于接觸軌空載電壓（1650V～1690V），同時考慮一定的裕度，防止能饋裝置與整流器形成功率循環(huán)。同時，回饋電壓閥值應(yīng)小于車載電阻啟動電壓（1800V），同時考慮一定裕度，否則能饋裝置將無法投入。因此，回饋電壓可設(shè)置范圍為1700V～1780V[2]。

3.4 能饋電量差異原因及解決思路

上文表1得知，其中A站、C站、D站、E站、F站五個站點(diǎn)日均電量均超過1000 kW·h，B站、G站能饋裝置回饋電量明顯較少。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前某線七臺能饋裝置均設(shè)置為1720V，可保證能饋裝置正常運(yùn)行。能饋裝置主要功能是將列車產(chǎn)生的制動電量回饋至供電系統(tǒng)，達(dá)到能量再次利用的目的。各線路行車間隔、線路坡度數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行速度曲線等因素，會影響列車在線上運(yùn)行時的制動次數(shù)和制動時間，從而影響制動電量的大小。同時，列車在各個區(qū)間的運(yùn)行速度、制動次數(shù)、制動時間各有不同，全線制動電量在各個區(qū)間的分布并不均勻。因此，全線能饋裝置設(shè)置為同一啟動電壓閥值時，無法通過裝置之間的配合，將區(qū)間制動電量盡可能回饋利用。當(dāng)兩臺能饋裝置相距較近、或能饋裝置所在站點(diǎn)附近制動電量偏少時，就會出現(xiàn)能饋裝置回饋效率不一致的問題。因此，能饋裝置啟動電壓閥值的設(shè)置，應(yīng)充分考慮全線各個區(qū)間列車的制動情況，根據(jù)列車在各個區(qū)間制動的情況特點(diǎn)，通過差異化的電壓閥值設(shè)置，實(shí)現(xiàn)相鄰兩臺能饋裝置互相配合，確保能饋裝置正常運(yùn)行的同時，達(dá)到回饋電量最大化[3]。

3.5 能饋裝置電壓啟動閥值優(yōu)化測試

首先，測試當(dāng)全線能饋裝置全部退出后，日均車載電阻能耗由4300kW·h增加到11500kW·h左右。其次，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及上述某線制動電量分布的初步研究情況，按能量回饋少的站點(diǎn)調(diào)低裝置電壓啟動閥值，使回饋能量分布均勻，各站裝置都以較高功率運(yùn)行，提高回饋能量。2020年7月1日至8日對全線7套能饋裝置分別設(shè)置8組不同的啟動閥值，研究確定能饋裝置電壓啟動閥值整定方案，達(dá)到回饋電量最大化目的。不同定值調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 不同定值調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表2中調(diào)試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)定值逐漸減小到第五到第八組時，全線各站能饋裝置回饋電量達(dá)到最大值11800kW·h左右，車載電阻能耗也降低到2800kW·h左右，說明能饋裝置已基本達(dá)到最大回饋效率，車載電阻損耗也基本達(dá)到最低損耗。單從節(jié)能來講5～8組共四組的定值都復(fù)合節(jié)能最優(yōu)化的要求。繼續(xù)深入分析這幾組定值發(fā)現(xiàn)，第6、7組定值不滿足能饋裝置參數(shù)設(shè)置原則即回饋電壓定值可設(shè)置范圍為1700V～1780V的要求。第8組定值中C、D站電壓定值降到1700V后能饋裝置在滿負(fù)荷運(yùn)行，而相鄰站能饋裝置啟動減少，導(dǎo)致全線各站間能饋裝置的啟動或使用不均衡[4]。

因此，綜合考慮定值組5為最優(yōu)整定值方案，能饋裝置效率大，列車電阻損耗小，并且兼顧了定值安全和站間能量回饋盡量均勻分配的原則。全線能饋裝置投入前，日均車載電阻能耗為11500kW·h左右，即每天有11500度的電能被浪費(fèi)掉。能饋投入后按定值組1設(shè)置，每天回饋電量為8700kW·h左右，仍有4300kW·h左右的電能被車載電阻消耗浪費(fèi)掉。按定值組5設(shè)置，每天回饋電量增加為11800kW·h左右，被車載電阻消耗浪費(fèi)掉的電能降低到2800kW·h左右，定值組的調(diào)整讓每天有約1500kW·h的電能被重新利用，預(yù)計(jì)全年電量節(jié)省約54萬kW·h，增加經(jīng)濟(jì)效益約30萬元，節(jié)能效果較為顯著。

4.結(jié)語

應(yīng)用研究結(jié)果表明，逆變回饋型再生制動能量吸收裝置滿足地鐵列車再生制動能量的吸收利用以及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，能夠解決實(shí)際工程問題。但原設(shè)計(jì)采用的統(tǒng)一回饋啟動電壓值導(dǎo)致某些站點(diǎn)的能饋裝置回饋電量較低，運(yùn)行效率低下，對各站能饋裝置采取差異化的回饋啟動電壓值，能顯著提高回饋電量，降低車載電阻消耗量，提升能饋裝置的運(yùn)行效率。再生制動能量逆變回饋裝置將在城市軌道交通中發(fā)揮重要作用，現(xiàn)場使用過程中不斷完善提升其性能，能夠切實(shí)降低地鐵運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。今后將進(jìn)一步研究其合理安裝布置及與列車運(yùn)行模式相結(jié)合，真正做到不啟動列車消耗電阻，所有制動能量均被二次利用起來，對地鐵運(yùn)維人員具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。