中壓逆變回饋裝置在石家莊地鐵中的仿真研究

盧 偉, 王建鳳, 姜 彬

（1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100071；2.石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，河北石家莊 050000）

0 引言

作為城市用電大戶的地鐵若采取節(jié)能措施將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。地鐵受限于車(chē)站站間距較短、列車(chē)運(yùn)行密度大，啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，產(chǎn)生較多的制動(dòng)能量（可達(dá)到牽引能量的40%以上）。但再生制動(dòng)能量只有一部分（一般為20%～80%，隨著列車(chē)運(yùn)行密度和區(qū)間距離變化）被其他相鄰列車(chē)吸收，而剩余部分被車(chē)上制動(dòng)電阻吸收，以發(fā)熱的方式消耗掉，致使區(qū)間隧道和車(chē)站站臺(tái)區(qū)溫度升高，增加站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置負(fù)擔(dān)，不僅造成能源浪費(fèi)，也增加了工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用[1]。而且隨著車(chē)輛制造技術(shù)、控制技術(shù)要求的提高，車(chē)上的布局空間緊張，車(chē)載電阻散發(fā)的熱量對(duì)其他設(shè)備的安全運(yùn)行有一定不利影響。

設(shè)置在地面的再生制動(dòng)能量吸收裝置的使用可以在高效利用能源、降低運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)、提高列車(chē)安全運(yùn)行等方面發(fā)揮重要作用。目前，再生制動(dòng)能量吸收裝置在國(guó)內(nèi)外城市軌道交通中被廣泛使用，包括國(guó)外的加拿大多倫多輕軌、意大利米蘭地鐵以及國(guó)內(nèi)的重慶輕軌、北京地鐵?9?號(hào)線等。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通新線大部分采用再生制動(dòng)能量吸收裝置，達(dá)到提高電能利用率和改善車(chē)輛運(yùn)營(yíng)情況的目的。

1 再生制動(dòng)能量吸收裝置類(lèi)型

目前，國(guó)內(nèi)外城市軌道交通中應(yīng)用的再生制動(dòng)能量吸收裝置主要有地面電阻吸收型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型[2]。

1.1 地面電阻吸收型

在牽引變電所內(nèi)直流母線上設(shè)置?1?套電阻吸收裝置，當(dāng)制動(dòng)工況下列車(chē)產(chǎn)生的能量不能被其他列車(chē)完全吸收時(shí)，電阻型再生制動(dòng)能量吸收裝置立即投入工作，吸收多余能量，以熱量的形式散發(fā)到空氣中。具體工作原理如圖?1?所示。

該裝置主要采用多相?IGBT?斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，即根據(jù)列車(chē)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而調(diào)整吸收率，利用吸收電阻將制動(dòng)能量消耗掉，最終將直流電壓穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。同時(shí)，也防止電壓過(guò)高損壞與其相連的設(shè)備。電阻型再生制動(dòng)能量吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括IGBT?斬波器、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、吸收電阻、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機(jī)控制單元。

圖1 地面電阻吸收型裝置原理示意圖

1.2 電容儲(chǔ)能型

該裝置主要采用?IGBT?逆變器將列車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的能量吸收存儲(chǔ)在大容量電容器組中，并在相關(guān)供電區(qū)間內(nèi)有列車(chē)啟動(dòng)、加速時(shí)，將存儲(chǔ)的能量釋放出去再利用。電容器充放電不需能量轉(zhuǎn)換，直接以電能形式儲(chǔ)存或釋放[3]。因此，該裝置效率高，充放電速度較快。作為大型容性設(shè)備，其具有儲(chǔ)能（儲(chǔ)存列車(chē)再生能量）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓）2?種工作模式，且可以自由切換。

電容儲(chǔ)能型裝置的核心技術(shù)是雙層電容器，還包括IGBT?斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等電氣設(shè)備，具體原理如圖?2?所示。

圖2 電容儲(chǔ)能型裝置原理示意圖

1.3 飛輪儲(chǔ)能型

該裝置利用高速旋轉(zhuǎn)大質(zhì)量飛輪的慣性將多余的再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。其通過(guò)對(duì)變電所空載電壓、母線電壓的跟蹤，判斷是否存在不能被相鄰列車(chē)完全吸收的多余再生制動(dòng)能量，從而決定飛輪是加速轉(zhuǎn)動(dòng)儲(chǔ)存電能，還是降低轉(zhuǎn)速并向牽引網(wǎng)回饋電能。因此，該裝置既可以儲(chǔ)能也可以穩(wěn)壓。

飛輪儲(chǔ)能型裝置的核心是特殊材料繞制的高密度合成磁筒，然后利用三相?IGBT電源轉(zhuǎn)換器組成的控制電路進(jìn)行控制。該裝置還包括直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。具體原理如圖?3所示。

圖3 飛輪儲(chǔ)能型裝置原理示意圖

1.4 逆變回饋型

該裝置主要是通過(guò)大功率晶閘管構(gòu)成的三相逆變器將列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量吸收，并逆變轉(zhuǎn)換為交流電源，再經(jīng)變壓器回饋至交流側(cè)（中壓或低壓母線）。逆變回饋型裝置自動(dòng)檢測(cè)直流母線電壓，并與裝置啟動(dòng)電壓設(shè)定值比較，若高于設(shè)定值，則立即開(kāi)啟?PWM?脈沖信號(hào)，控制逆變器工作，在回饋電能的同時(shí)也穩(wěn)定直流側(cè)電壓[4-6]。

該裝置主要由晶閘管逆變器、變壓器、直流開(kāi)關(guān)設(shè)備、交流開(kāi)關(guān)設(shè)備、調(diào)節(jié)控制設(shè)備、傳感器和微機(jī)控制單元等電氣設(shè)備組成。由于逆變回饋裝置傳送電能時(shí)，也產(chǎn)生諧波注入電網(wǎng)，會(huì)產(chǎn)生較大的電壓畸變率，造成電氣設(shè)備使用壽命短、線路損耗增大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)提高等不利影響。因此，相關(guān)濾波設(shè)備、調(diào)相設(shè)備的有效利用至關(guān)重要。其具體原理如圖?4?所示。

圖4 逆變回饋型裝置原理示意圖

1.5 對(duì)比

通過(guò)以上介紹，對(duì)?4?種類(lèi)型裝置進(jìn)行綜合比較，具體見(jiàn)表?1。

從表?1?中可知：電阻吸收裝置價(jià)格便宜且維護(hù)簡(jiǎn)單，但制動(dòng)能量消耗在電阻上，造成能源浪費(fèi)且增加環(huán)控設(shè)備的投資；電容儲(chǔ)能裝置的制動(dòng)效果好，既穩(wěn)壓且無(wú)諧波產(chǎn)生，但該產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率低，且只有?DC750V?電壓等級(jí)的產(chǎn)品；飛輪儲(chǔ)能裝置的國(guó)產(chǎn)化率低，國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用；相比來(lái)說(shuō)，逆變回饋裝置隨著技術(shù)的發(fā)展，造價(jià)和諧波都得到有效的降低和控制，且在國(guó)內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目上都有成功應(yīng)用，前景十分值得期待。

表1 4 種類(lèi)型再生制動(dòng)能量吸收裝置比較

2 中壓逆變回饋裝置的仿真分析

以石家莊市軌道交通?2?號(hào)線為例，該工程全線長(zhǎng)19.16??km，共設(shè)置?10?座牽引降壓變電所，其中正線8座，車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)各?1?座。全線采用?110/35??kV?的?2?級(jí)電壓集中供電方式和?DC1500V?接觸網(wǎng)供電的牽引供電制式。全線高峰小時(shí)行車(chē)密度設(shè)置為初期?12?對(duì)/h、近期21?對(duì)/h、遠(yuǎn)期?30?對(duì)/h。該工程的再生制動(dòng)能量吸收裝置采用中壓逆變回饋型裝置。

為評(píng)估中壓逆變回饋裝置的有效性和經(jīng)濟(jì)性，在正線?8?個(gè)牽引所各設(shè)置?1?套該裝置，牽引所分別設(shè)在嘉華站、塔談南站、東崗頭站、大戲院站、長(zhǎng)安公園站、運(yùn)河橋站和西古城站。

其中嘉華站（邊站）和西古城站（邊站）的中壓逆變回饋裝置容量設(shè)為?3??MW，其余逆變裝置容量設(shè)為?2??MW，且所有逆變裝置啟動(dòng)電壓都設(shè)為?1??730??V。在初期（12?對(duì)/h）、近期（21?對(duì)/h）、遠(yuǎn)期（30?對(duì)/h）3?種工況下，利用?PSCAD?對(duì)全線牽引所及中壓逆變回饋裝置建立瞬態(tài)模型進(jìn)行仿真，各個(gè)牽引所最大網(wǎng)壓仿真值如表?2?所示。

表2 3 種工況下各個(gè)牽引所最大網(wǎng)壓值 kV

表?2?顯示?8?個(gè)牽引變電所在配置中壓逆變回饋裝置時(shí)，可以有效地將列車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量回饋到中壓側(cè)，從而降低接觸網(wǎng)的電壓，并始終將各個(gè)牽引所最大接觸網(wǎng)電壓維持在?1??800??V?以下，保證列車(chē)的機(jī)電設(shè)備以及牽引變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)，證明中壓逆變回饋裝置的有效性。并且最大網(wǎng)壓值低于?1??800??V，列車(chē)的車(chē)載電阻可以取消，減少相關(guān)投資。

同時(shí)，為驗(yàn)證中壓逆變回饋裝置的經(jīng)濟(jì)性，在?3?種工況下，仿真統(tǒng)計(jì)各個(gè)牽引所的再生電能分布，具體如圖?5?所示。

圖?5?顯示出，在?3?種工況下，中壓逆變回饋裝置在初期回饋電能為?1.746?萬(wàn)?kW?·?h/天（637?萬(wàn)kW?·?h/年），近期回饋電能為?1.618?萬(wàn)?kW?·?h/天（590?萬(wàn)kW?·?h/年），遠(yuǎn)期回饋電能為?1.711?萬(wàn)?kW?·?h/天（624?萬(wàn)?kW?·?h/年）?？梢钥闯?，中壓逆變回饋裝置每天可回饋的電能大于1.6?萬(wàn)?kW?·?h，經(jīng)濟(jì)效果良好，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)論

中壓逆變回饋裝置不需要吸收電阻，直接將列車(chē)再生制動(dòng)直流電能逆變轉(zhuǎn)換為交流電能回饋到中壓側(cè)，供其他機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)消耗。由仿真結(jié)果可知，該裝置在保證列車(chē)和牽引變電所內(nèi)的機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行時(shí)，可利用制動(dòng)能量，節(jié)能效果顯著。且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，會(huì)降低設(shè)備的造價(jià)并有效控制諧波含量，使其能更好地運(yùn)用在工程實(shí)踐中。

圖5 各牽引所每天電能分布統(tǒng)計(jì)