城市軌道交通回饋式再生能源吸收裝置分析

孫宏偉

摘要：回饋式再生能源裝置作為軌道交通工程牽引系統(tǒng)節(jié)能的主要手段，近年來在國內(nèi)各在建、運(yùn)營線路上廣泛應(yīng)用。本文通過系統(tǒng)理論論述、實(shí)用案例分析，對(duì)再生能源裝置工作原理、容量選擇及運(yùn)營維護(hù)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，結(jié)合現(xiàn)階段城市軌道交通發(fā)展形勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)的工程實(shí)施做了可行性分析。

Abstract： As a main method of energy saving for traction systems in rail transit projects， feedback-type renewable energy devices have been widely used in various domestic construction and operation lines in recent years. This paper systematically discusses and analyzes practical cases， and systematically elaborates the working principle， capacity selection， and operation and maintenance of renewable energy installations， conducts the feasibility analysis of the system's engineering implementation based on the current situation of urban rail transit development.

關(guān)鍵詞：軌道交通;再生能源吸收裝置;牽引供電系統(tǒng)

Key words： rail transit;renewable energy absorption device;traction power supply system

中圖分類號(hào)：U213.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）13-0168-02

1 概述

1.1 選題背景及意義

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，軌道交通系統(tǒng)能耗問題亦作為節(jié)能減耗的首要課題被廣泛討論。據(jù)地鐵運(yùn)營部門統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)營線路中，牽引系統(tǒng)用電占總用電量的50%以上，降低地鐵系統(tǒng)能耗變得日益迫切和重要。近年來，多種技術(shù)被運(yùn)用到城市軌道交通系統(tǒng)中，包括：車體輕量化設(shè)計(jì)、列車牽引VVVF傳動(dòng)方式、再生制動(dòng)電能吸收裝置等等。其中，再生電能吸收設(shè)備越來越多地應(yīng)用于國內(nèi)多條地鐵線路并達(dá)到了較好的節(jié)能效果。

1.2 回饋式再生能源吸收裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，再生能源裝置的主要應(yīng)用形式有以下幾種：

①電阻型吸收裝置;

②電容儲(chǔ)能型吸收裝置;

③飛輪型吸收裝置;

④回饋式再生能源吸收裝置。

回饋式再生能源裝置是將列車電制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)模式而產(chǎn)生的制動(dòng)電能反饋給中壓電網(wǎng)，形成能源循環(huán)利用的裝置?；仞伿皆偕茉次昭b置以其可以直接回饋接觸網(wǎng)（軌）或交流電網(wǎng)再利用，無需配置大容量儲(chǔ)能元件，不存在電阻發(fā)熱問題，技術(shù)成熟，維護(hù)維修方便的特點(diǎn)被逐漸推廣、應(yīng)用。

2 回饋式再生能源吸收裝置

2.1 系統(tǒng)配置方案

回饋式再生能源吸收裝置維護(hù)接觸網(wǎng)（軌）電壓或?qū)㈦娔芑仞佒林袎航涣麟娋W(wǎng)再次利用的示意圖如圖1。

方案中，再生能源裝置通過隔離變壓器的作用將電能反饋中壓電網(wǎng)，獨(dú)立于牽引供電系統(tǒng)其他負(fù)荷設(shè)備，裝置容量設(shè)計(jì)不受系統(tǒng)影響，且可拓展性強(qiáng)。

2.2 裝置工作原理

現(xiàn)有地鐵牽引系統(tǒng)多采用24脈波整流，當(dāng)系統(tǒng)空載時(shí)，接觸網(wǎng)（軌）壓最高。當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，由于負(fù)荷增加，網(wǎng)（軌）壓下降。

當(dāng)線路車輛再生制動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能直接回饋接觸網(wǎng)，被同供電臂的其他車輛利用。當(dāng)回饋電能不能被完全利用時(shí)，接觸網(wǎng)（軌）壓上升，大于接觸網(wǎng)（軌）空載電壓并且達(dá)到整定值，此時(shí)，再生能源裝置啟動(dòng)PWM脈沖單元，回饋電能至交流中壓網(wǎng)，并保持接觸網(wǎng)（軌）壓正常。見圖2：裝置投入時(shí)接觸網(wǎng)（軌）壓特性。

當(dāng)車輛啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)（軌）壓下降并且達(dá)到整定值，裝置停止逆變運(yùn)行，轉(zhuǎn)為整流運(yùn)行狀態(tài)保證網(wǎng)（軌）壓正常。當(dāng)裝置檢測(cè)到直流側(cè)逆流時(shí)，閉鎖PWM單元，退出運(yùn)行進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

需要注意的是，在裝置逆變運(yùn)行時(shí)整流機(jī)組需停止工作，以防止裝置與整流機(jī)組之間形成環(huán)流。所以，裝置的逆變運(yùn)行的投入定值要大于整流機(jī)組空載電壓。

2.3 系統(tǒng)的典型配置

現(xiàn)以廣州地鐵上網(wǎng)運(yùn)行的再生能源裝置配備為例。見圖3。

如圖3示，在系統(tǒng)調(diào)試、檢修時(shí)，隔離開關(guān)QS1配合QS2可以形成回路明顯斷點(diǎn)，保證再生能源裝置及直流系統(tǒng)網(wǎng)（軌）端安全操作;斷路器QF2用于線路電流保護(hù)跳閘;接觸器KM6所在回路傳入充電電阻，以防止在隔離變壓器投入是產(chǎn)生勵(lì)磁電流造成保護(hù)裝置誤動(dòng)。再生裝置主單元側(cè)，QF1用于線路電流保護(hù);PWM為再生回饋裝置主單元，完成再生制動(dòng)能源的整流、逆變及保護(hù)功能實(shí)現(xiàn);直流接觸器KDC與熔斷器F5配合，當(dāng)直流側(cè)電流保護(hù)配置啟動(dòng)時(shí)，及時(shí)切斷故障側(cè)，保護(hù)裝置。

2.4 系統(tǒng)容量選擇

再生制動(dòng)能源系統(tǒng)必須經(jīng)過科學(xué)的數(shù)學(xué)建模，根據(jù)運(yùn)營實(shí)際情況和線路實(shí)際工況進(jìn)行仿真計(jì)算。目前，常用的容量選擇計(jì)算方法有以下幾種：

①按最大功率選擇;

②按平均功率選擇;

③考慮列車間吸收時(shí)的功率選擇;

但是，由于車輛再生制動(dòng)瞬時(shí)功率大、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，一般不選擇車輛再生制動(dòng)最大功率作為再生能饋裝貴的容量?？紤]到工程經(jīng)濟(jì)性和兼顧地鐵列車多種運(yùn)行方式，應(yīng)以車輛再生制動(dòng)過程的平均功率為基準(zhǔn)，兼顧列車間吸收的作用，一般地鐵線路牽引變電所可選擇1MW-1.5MW的再生能饋設(shè)備容量可滿足車輛再生制動(dòng)的需求。

但是，在工程建設(shè)及維護(hù)管理工作中，并不具備建模仿真計(jì)算條件時(shí)，可以根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行情況和車輛自身參數(shù)進(jìn)行裝置容量估算。

①列車制動(dòng)功率。

當(dāng)列車以恒定速度運(yùn)行，制動(dòng)加速度為已確定或進(jìn)行估算（理想狀態(tài)），回饋功率為下式求得：

P=η*F*V-P0

η—機(jī)車牽引電機(jī)及牽引變流機(jī)組的效率;

F—制動(dòng)力。其中，m為機(jī)車重量，a為加速度;

V—為列車瞬時(shí)速度;

P0—為常態(tài)消耗，包括列車運(yùn)行阻力及輔助變流器消耗等，為常量;

在最困難的情況下，列車在坡度處制動(dòng)，為保證列車加速度恒定，電動(dòng)力還需克服坡度重力分量。所以：

F制動(dòng)=m*a+F坡度分量

由此，則以在上式計(jì)算中，得出再生制動(dòng)產(chǎn)生的的初始電能。另根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算得知，制動(dòng)再生能源取40%為回饋裝置吸收，則可得制動(dòng)再生能源估算容量。

再生能源的經(jīng)驗(yàn)估算雖不能作為施工設(shè)計(jì)的依據(jù)，但仍然對(duì)工程建設(shè)、運(yùn)營委管起到了指導(dǎo)作用。在工程建設(shè)、委管階段意義重大。

3 結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，制動(dòng)再生能源裝置的作為運(yùn)營線路的上節(jié)能措施的必要手段，必然會(huì)得到廣泛的推廣、應(yīng)用。在工程建設(shè)及委管過程中，更需要對(duì)裝置運(yùn)行原理及維護(hù)有深刻的了解，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，跟進(jìn)技術(shù)更新腳步，做好城市軌道交通建設(shè)，提交滿意工程。

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