中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置在地鐵中的運(yùn)用探索

李欣

［重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 401120］

0 前言

當(dāng)前地鐵中廣泛應(yīng)用的車(chē)型是變頻調(diào)壓車(chē)，這種車(chē)型的制動(dòng)方式一般為電制動(dòng)或者空氣制動(dòng)，當(dāng)車(chē)輛開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，散發(fā)出來(lái)的制動(dòng)能量會(huì)直接導(dǎo)致直流電網(wǎng)中電壓的升高，為了解決這種問(wèn)題，就要在電網(wǎng)中安裝再生制動(dòng)裝置。隨著社會(huì)中各行各業(yè)的環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在交通軌道中的牽引變電所中設(shè)置該裝置的設(shè)計(jì)越來(lái)越普遍，其目的是為了減少城市中軌道交通對(duì)于電能的浪費(fèi)，二次利用其中的能源，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 中壓能饋裝置應(yīng)用到地鐵中的意義

為了合理地利用地鐵中變頻調(diào)壓車(chē)制動(dòng)時(shí)候產(chǎn)生的電能，中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置就應(yīng)運(yùn)而生，該裝置可以對(duì)變頻調(diào)壓車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多余電能進(jìn)行重新利用，把制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)逆變，抬升電壓后回饋至電網(wǎng)中二次進(jìn)行利用，以達(dá)到節(jié)能的目的，并且該裝置不需要另外配置儲(chǔ)能的設(shè)備和吸收電阻的設(shè)備。

地鐵中車(chē)輛在進(jìn)站使用電制動(dòng)剎車(chē)的時(shí)候，在制動(dòng)的過(guò)程中會(huì)向接觸軌的直流母線(xiàn)反饋一部分能量，如果這一部分反饋的能量不能被地鐵站中其他的車(chē)輛或其他的用電設(shè)備完全消化的話(huà)，很容易就會(huì)造成直流電網(wǎng)中電壓的抬升，從而影響到其他車(chē)輛的電制動(dòng)。所以，中壓能饋型再生電能制動(dòng)裝置就是為了解決這個(gè)問(wèn)題所研發(fā)的，因此在地鐵車(chē)站中每個(gè)牽引站都要設(shè)置一套再生制動(dòng)裝置，用于把車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的多余能量進(jìn)行消耗，或通過(guò)逆變，升壓回饋到電網(wǎng)之中，確保不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓的變化對(duì)其他列車(chē)的電制動(dòng)功能產(chǎn)生影響，并且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛在制動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的多余電能進(jìn)行二次利用。在除了早晚高峰的時(shí)間段之外，地鐵當(dāng)中的列車(chē)發(fā)車(chē)密度比較低時(shí)，再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量利用率就比較低，為了限制電網(wǎng)中電壓的抬升，減少列車(chē)制動(dòng)帶來(lái)的閘瓦磨損和粉塵的污染，傳統(tǒng)的做法是在車(chē)站中的變電所或在列車(chē)上裝設(shè)電阻制動(dòng)裝置，這種裝置不僅特別笨重，而且還十分地浪費(fèi)能源，并且這種裝置散發(fā)出的熱能還會(huì)使隧道內(nèi)的溫度升高，增加環(huán)控設(shè)備消耗的能量，所以中壓能饋再生電能利用裝置的研發(fā)就是為了解決這些問(wèn)題，該裝置在地鐵中應(yīng)用的作用完美體現(xiàn)了交通軌道行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展[1]。

2 中壓能饋裝置的構(gòu)成

2.1 物理構(gòu)成

該裝置的整體包含6 大部分，分別為開(kāi)關(guān)柜、直流開(kāi)關(guān)柜、能饋低壓柜、變流器軌、負(fù)極開(kāi)關(guān)柜。其中能窺低壓柜、變壓器、變流器柜是該設(shè)備中的核心組件。通常來(lái)說(shuō)交直流電網(wǎng)的接口使用的是直流1500V 的開(kāi)關(guān)柜。該裝置的能窺變壓器的功能是把10kV 或35kV 的交流電壓轉(zhuǎn)變成500V 的交流電壓，該組件采用的一般是軸向雙分裂的變壓器。改組件的目的是和變流器實(shí)現(xiàn)輸入電壓等級(jí)匹配，在實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)匹配的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)變壓器兩端邊繞組之間的相互隔離。能饋低壓柜的內(nèi)部包含兩臺(tái)斷路器和相應(yīng)的預(yù)充電電路，斷路器的主要作用是保護(hù)每個(gè)變流器支路，防止發(fā)生短路和過(guò)流的現(xiàn)象。能饋?zhàn)兞髌鞴袷窃撗b置整個(gè)構(gòu)成中的核心，其中包含著兩臺(tái)大功率的脈寬調(diào)制整流器。每臺(tái)調(diào)制整流器的輸出電壓為750V，可以在直流側(cè)使用并聯(lián)或串聯(lián)的連接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)750V 和1500V 這兩種不同的供電制式的完美兼容。變流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念是采用功率組件的設(shè)計(jì)理念，所以可以做到快速地維護(hù)和維修，該組件容量的大小可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行配置[2]，如圖1 所示。

圖1 中壓能饋裝置的物理構(gòu)成

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置的主回路主要是使用電子器件IGBT 來(lái)構(gòu)成三相逆變器，把逆變器的直流側(cè)和車(chē)站中的牽引變電所中的直流母線(xiàn)相連接，逆變器的交流側(cè)通過(guò)變壓器和10kV 的中壓網(wǎng)絡(luò)相連接。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的直流電壓超過(guò)預(yù)先規(guī)定的數(shù)值的時(shí)候，逆變器就會(huì)啟動(dòng)，把多余的電流從直流母線(xiàn)中吸收，再把直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電回饋到10kV 的母線(xiàn)中，如圖2所示。

圖2 中壓能饋裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

3 中壓能饋裝置的工作原理

該裝置中的核心是大功率的逆變器，逆變器是基于脈寬調(diào)制技術(shù)的角度研發(fā)出來(lái)的一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中主要的電路是由一臺(tái)三相逆變器和一個(gè)交流電感組成的。逆變柜是由4 個(gè)不同的逆變單元組成的，每個(gè)逆變單元又是由4 個(gè)不同的NPC 模塊通過(guò)并聯(lián)的連接方式組成的，其中每個(gè)NPC 模塊使用的是三電平三相逆變電路，和二電平相比，有更好的電能質(zhì)量和兼容性以及更低的損耗。

基于脈寬調(diào)制技術(shù)，逆變器可實(shí)現(xiàn)三相交流電的有效輸出，并可保證幅值、相位等的可控制性。如圖3 所示，Ua、Ub、Uc均為逆變器的交流電輸出端口。圖中L 為交流電感，在其作用下，逆變器、電網(wǎng)兩者間的電流傳輸可得到充分緩沖。電源電壓（ea、eb、ec）與逆變器電壓（Ua、Ub、Uc）的差值與電感L 相關(guān)聯(lián)，對(duì)具體的電流量級(jí)起到?jīng)Q定作用[3]。

圖3 中壓能饋裝置的電路

如圖3 所示，控制逆變器的傳輸功率是基于電壓和交流電感一定的情況下，控制電壓的大小和相位，從而實(shí)現(xiàn)控制電流的大小和相位。逆變器的核心是控制交流電流，如果想實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流Ia、Ib、Ic 的控制，就要對(duì)逆變器輸出Ua、Ub、Uc 的相位和幅值進(jìn)行控制，其中需要注意的是，Ua、Ub、Uc 的幅值和相位是以電網(wǎng)中的電壓Ea、Eb、Ec為基準(zhǔn)的，所以作為Ua、Ub、Uc的控制參照，必須精確地檢測(cè)電網(wǎng)中的Ea、Eb、Ec的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的穩(wěn)定輸出和電網(wǎng)中電壓的同步。該裝置的其他功能比如說(shuō)并聯(lián)控制等都是以交流電的電流控制為基礎(chǔ)的。

4 中壓能饋裝置在地鐵中的運(yùn)用

4.1 實(shí)例運(yùn)用方案

以某城市地鐵二號(hào)線(xiàn)的中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置應(yīng)用的方案為例子，如圖4 所示，在已經(jīng)有的24 脈波整流機(jī)組中的交直流的母線(xiàn)上直接接入再生制動(dòng)電能利用裝置。

圖4 中壓能饋裝置在某城市二號(hào)線(xiàn)的應(yīng)用方案

該裝置在某城市中的地鐵運(yùn)行方式可以分為4 種：①裝置的正極進(jìn)線(xiàn)的開(kāi)關(guān)和電動(dòng)隔離的開(kāi)關(guān)、入網(wǎng)的電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、負(fù)極的電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)合閘，讓正極的接觸網(wǎng)和負(fù)極走行軌帶點(diǎn)。然后進(jìn)行越區(qū)的電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)分閘，使相鄰的兩個(gè)變電所構(gòu)成雙邊供電。②使用變電所內(nèi)的一套牽引整流機(jī)組，另一套整流機(jī)組退出供電。③使用該供電區(qū)段相鄰的牽引變電所進(jìn)行單邊供電，這是在一個(gè)牽引變電所退出運(yùn)行的情況下使用的運(yùn)行方式。④在一個(gè)牽引變電所退出運(yùn)行的情況下，由該供電區(qū)其他相鄰的牽引變電所進(jìn)行雙邊供電。

牽引變電所的整流機(jī)組的參數(shù)如圖4 所示，每座牽引變電所設(shè)置兩套12 脈波的整流機(jī)組并聯(lián)，整流器和整流變壓器組成一套整流機(jī)組。整流變壓器的單次側(cè)繞組分別移相±7.5，兩套整流機(jī)組通過(guò)并聯(lián)的連接方式構(gòu)成24 脈波整流。

在該城市的二號(hào)線(xiàn)的使用中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置三個(gè)月的電能回饋數(shù)據(jù)中，單日最高的回饋電能為2570kW·h時(shí)，三個(gè)月累計(jì)回饋電能總值為143443kW·h，每天平均回饋的電能數(shù)值為1765kW·h。用該變電所輸出的總電能除以該裝置回饋的電能可以得知，該裝置在三個(gè)月之內(nèi)的節(jié)能率為18%，由此得知，在該城市的二號(hào)線(xiàn)中，利用中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置在三個(gè)月之內(nèi)節(jié)省了18%的電能，所以該裝置在地鐵中運(yùn)用后的節(jié)能效果是非常明顯的，該裝置在為地鐵站中的列車(chē)提供牽引電能的同時(shí)還可以減少直流電壓的波動(dòng)，提高整個(gè)地鐵站中的供電品質(zhì)，由于該裝置的工作是處在無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)，所以可以做到對(duì)交流中壓電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。所以推薦該裝置應(yīng)用到各個(gè)城市的地鐵站中。

4.2 中壓能饋裝置在地鐵中的工作過(guò)程

中壓能饋裝置的核心功能就是能量的回饋功能、整流功能、穩(wěn)定電壓功能。該裝置的具體工作過(guò)程如圖5 所示，該裝置除了有上述的能量回饋功能，穩(wěn)定電壓功能之外，還具備著采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等功能[4]。

圖5 該裝置系統(tǒng)的工作過(guò)程

在地鐵中應(yīng)用中壓能饋裝置的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)在該裝置的主回路的線(xiàn)路接觸器KX1 上把兩個(gè)預(yù)充接觸器以并聯(lián)的方式接入電路中，保證每個(gè)預(yù)充接觸器在串聯(lián)的時(shí)候可以有不同的分壓電阻。在正極的隔離開(kāi)關(guān)和直流的斷路器在合閘的狀態(tài)的時(shí)候，預(yù)充接觸器KX2 才能夠進(jìn)行合閘操作。當(dāng)一個(gè)預(yù)充接觸器KX2 是合閘狀態(tài)的時(shí)候，開(kāi)始檢測(cè)直流母線(xiàn)的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)先的設(shè)定數(shù)值的時(shí)候，預(yù)充接觸器KX3 才可以進(jìn)行合閘操作，當(dāng)MX3處于合閘狀態(tài)的時(shí)候，對(duì)直流母線(xiàn)的電壓第二次開(kāi)始檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到更高的預(yù)先設(shè)定的數(shù)值的時(shí)候，線(xiàn)路接觸器KX1 才可以進(jìn)行合閘的操作。而且在分閘的時(shí)候，預(yù)充接觸器KX2 和預(yù)充接觸器KX3 只有在線(xiàn)路接觸器KX1 合閘之后才能進(jìn)行分閘的操作。

當(dāng)?shù)罔F中的列車(chē)進(jìn)入到正線(xiàn)之后，正線(xiàn)上的所有牽引站中安裝的中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置會(huì)和整流機(jī)組同時(shí)進(jìn)行工作，發(fā)揮自身的牽引作用，并且同時(shí)還會(huì)對(duì)1500V 的電網(wǎng)傳輸電能，為其提供相對(duì)應(yīng)的牽引能力，列車(chē)再把接收到的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。當(dāng)列車(chē)使用電制動(dòng)的時(shí)候，在啟動(dòng)或停車(chē)的同時(shí)，列車(chē)的動(dòng)能一定會(huì)有相應(yīng)的變化，這個(gè)時(shí)候該裝置就可以把列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)過(guò)逆變器的轉(zhuǎn)換回饋至電網(wǎng)中。與此同時(shí)，該裝置可以在回饋電能的同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中電壓的抬升幅度，如果達(dá)到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，就把這部分的能量回饋到地鐵站中的動(dòng)力照明側(cè)，在回饋電能的時(shí)候，遵循的是能量守恒定律，當(dāng)電網(wǎng)當(dāng)中的電壓降低到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值的時(shí)候該裝置會(huì)停止自身的回饋功能，并且進(jìn)入到待機(jī)的狀態(tài)，等下一次列車(chē)進(jìn)站再開(kāi)啟回饋功能。

4.3 該裝置在應(yīng)用過(guò)程的保護(hù)系統(tǒng)

該裝置的保護(hù)系統(tǒng)可以分為兩大類(lèi)，一是內(nèi)部的保護(hù)，二是外部的保護(hù)。內(nèi)部保護(hù)的重點(diǎn)是對(duì)逆變器進(jìn)行保護(hù)，所以在地鐵的應(yīng)用中，在裝置的內(nèi)部配備了交流電壓的過(guò)壓保護(hù)和欠壓保護(hù)、直流電壓的過(guò)壓保護(hù)和欠壓保護(hù)、其他功率模塊的過(guò)熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)、充電接觸器的故障保護(hù)和對(duì)風(fēng)機(jī)接觸器的故障保護(hù)裝置。對(duì)于能饋系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)配備了低壓斷路器的故障保護(hù)、散熱方面的故障保護(hù)、能饋系統(tǒng)的支路框架的保護(hù)、開(kāi)關(guān)柜出現(xiàn)異常分?jǐn)嗟乇Ｗo(hù)、變壓器的鐵芯保護(hù)等保護(hù)系統(tǒng)。這些內(nèi)部的保護(hù)主要是對(duì)其中的過(guò)壓、過(guò)流、溫度等這些可調(diào)的數(shù)值。一些跳閘保護(hù)需要逆變器柜之外的開(kāi)關(guān)柜去執(zhí)行保護(hù)，也就是外部保護(hù)。外部保護(hù)顧名思義是設(shè)置在逆變柜外部的保護(hù)或者是開(kāi)關(guān)柜上自帶的保護(hù)，其中12kV 的開(kāi)關(guān)柜的自身保護(hù)設(shè)置有電流速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、零序電流保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等。1500V 的開(kāi)關(guān)柜的自身保護(hù)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)配置上去掉了逆流保護(hù)，并且可以對(duì)能饋低壓柜設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)，短延時(shí)保護(hù)、脫扣保護(hù)。

4.4 該裝置在地鐵開(kāi)通前的調(diào)試

中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置在要在地鐵開(kāi)通之前和列車(chē)一起進(jìn)行調(diào)試，主要是驗(yàn)證該裝置是否能在車(chē)輛進(jìn)站進(jìn)行電制動(dòng)時(shí)對(duì)接觸軌的電壓做好控制。實(shí)際的調(diào)試方法可以在試運(yùn)行期間對(duì)中壓能饋裝置地直流側(cè)的母線(xiàn)電壓和并網(wǎng)中的電流進(jìn)行錄波，并且要跟隨著車(chē)輛的調(diào)試而更改其中設(shè)置的數(shù)值。在錄波的過(guò)程中可以把兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分為兩個(gè)通道來(lái)進(jìn)行操作，通道一為直流母線(xiàn)的電壓信號(hào)，通道二為并網(wǎng)中的電流信號(hào)。然后把兩個(gè)通道中的信號(hào)合并到一起和車(chē)輛的運(yùn)行情況進(jìn)行綜合的考量，從而調(diào)試出適合當(dāng)前狀況的設(shè)置。

在地鐵中列車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，該裝置處于吸收能量的運(yùn)行狀態(tài)，從列車(chē)的制動(dòng)開(kāi)始到制動(dòng)結(jié)束，要保證整個(gè)過(guò)程中的接觸軌的母線(xiàn)電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)的速度延遲可控，從無(wú)到額定的電流輸出的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)當(dāng)小于1s，并且在車(chē)輛的全階段制動(dòng)過(guò)程中對(duì)電流的變化可以做到實(shí)時(shí)跟蹤。

5 結(jié)論

綜上所述，中壓能饋型再生制動(dòng)裝置可以有效地把列車(chē)制動(dòng)的電能，通過(guò)逆變器的轉(zhuǎn)換進(jìn)行抬升電壓然后回饋至電網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)電能的二次利用，達(dá)到節(jié)能的目的。本文從該裝置的物理組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)以及工作的具體原理闡述了該裝置的基本構(gòu)成，分析了其在地鐵中的具體運(yùn)用，希望能給有關(guān)人士帶來(lái)啟發(fā)。