城市軌道逆變回饋裝置運行性能實測與系統(tǒng)節(jié)能效果評估

張揚鑫，劉煒，張戩，何亮，周瑞兵，卜立峰

城市軌道逆變回饋裝置運行性能實測與系統(tǒng)節(jié)能效果評估

張揚鑫1，劉煒2，張戩2，何亮1，周瑞兵2，卜立峰3

(1. 四川輕化工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；3. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000)

針對廣州某地鐵線路進(jìn)行測試，評估逆變回饋裝置運行性能與系統(tǒng)節(jié)能效果。實測結(jié)果表明，隨著啟動電壓從1 720 V升至1 770 V，逆變回饋裝置穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓效果變?nèi)?，最大占空比?6.5%降至6.8%；逆變回饋裝置響應(yīng)時間不足1 s，符合國標(biāo)規(guī)定；分析鋼軌電位限制裝置(OVPD)動作前后逆變回饋裝置電流和鋼軌電位變化過程，發(fā)現(xiàn)逆變回饋裝置無法緩解鋼軌電位過高導(dǎo)致OVPD二段動作的問題。分析系統(tǒng)節(jié)能效果影響因素，結(jié)果表明該線路主變電所存在逆功率，當(dāng)逆變回饋裝置啟動電壓為1 720 V時，系統(tǒng)全日回饋能量為4 369.2~4 622.7 kWh；隨著逆變回饋裝置啟動電壓升高，系統(tǒng)日回饋能量降低。本文研究可為逆變回饋裝置選址定容和系統(tǒng)節(jié)能效果評估等提供參考。

城市軌道；牽引變電所；逆變回饋裝置；運行性能；節(jié)能效果

中國城市化進(jìn)程加速，對城市軌道交通的需求也日益增加[1?2]。城市軌道交通作為名副其實的能耗大戶，其節(jié)能工作是需要關(guān)注的一個重點領(lǐng)域[3?4]。目前，再生制動能量利用裝置在城市軌道交通低碳環(huán)保、節(jié)能減排方面得到大力推廣[5?6]。逆變回饋裝置因其能量回饋效率高，兼具無功補(bǔ)償功能，綜合性價比較高的優(yōu)點在我國城市軌道交通被廣泛應(yīng)用。逆變回饋裝置的運行性能與系統(tǒng)節(jié)能效果對城市軌道牽引變電所逆變回饋裝置優(yōu)化運行和節(jié)能效果評估有著重要的作用。國內(nèi)外對逆變回饋裝置的建模及仿真較多，有全線實測數(shù)據(jù)支撐的結(jié)論和研究較少。Pablo等[7-8]考慮整流機(jī)組和逆變回饋裝置協(xié)同工作，建立了含逆變回饋裝置的變電所模型；王志偉等[9-10]通過Matlab/Simulink搭建了地鐵列車、逆變回饋裝置及控制電路等仿真模型，分析了逆變回饋裝置穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓效果，但并沒有實測數(shù)據(jù)加以驗證。仇志凌等[11]同樣建立了逆變回饋裝置模型，并選取某地鐵牽引站進(jìn)行驗證分析，但未考慮全線系統(tǒng)節(jié)能效果。徐彥等[12]根據(jù)地鐵逆變回饋裝置的實測數(shù)據(jù)，分析了逆變回饋裝置穩(wěn)壓和系統(tǒng)節(jié)能效果，但未考慮主所逆功率的影響。杜貴府[13]研究了逆變回饋裝置對全線鋼軌電位的影響，仿真得出了改變逆變回饋裝置啟動閾值可有效抑制回流安全參數(shù)異常升高的結(jié)論?；谝陨夏孀兓仞佈b置研究現(xiàn)狀，逆變回饋裝置的運行性能與系統(tǒng)節(jié)能仍有待通過工程應(yīng)用來實測評估。本文對廣州某安裝逆變回饋裝置的典型線路進(jìn)行逆變回饋裝置的運行性能和系統(tǒng)節(jié)能效果評估，為城市軌道逆變回饋裝置的選址定容和系統(tǒng)節(jié)能效果評估提供參考。

1 逆變回饋裝置運行性能與節(jié)能效果評估測試方案

對廣州某安裝逆變回饋裝置的典型線路進(jìn)行測試，該線路目前開通運營段為牽引所1-牽引所10，長度約為26.5 km，共設(shè)置主變電所2座，牽引變電所10個，車站9個。采用直流1 500 V接觸軌授流，鋼軌回流。列車類型為6B，4動2拖編組。該線路僅采用525 s發(fā)車間隔。該地鐵工程供電系統(tǒng)如圖1，各牽引所位置分布如表1所示。

圖1 某地鐵工程供電系統(tǒng)圖

表1 某地鐵工程牽引所位置分布

該線路僅在牽引所1，9和10安裝有逆變回饋裝置，且安裝容量分別是2，2和3 WM。

針對該實際工程中逆變回饋裝置的運行性能與節(jié)能效果，設(shè)計測試方案并進(jìn)行現(xiàn)場實測評估。

在牽引變電所內(nèi)，安裝負(fù)荷過程監(jiān)測設(shè)備，測試采集裝置錄波采樣頻率為6 400 Hz，過程記錄頻率為0.33 Hz。測試過程中，對牽引變電所的負(fù)荷過程進(jìn)行監(jiān)測。測試周期為24 h，同步采集逆變回饋裝置交流側(cè)進(jìn)線電流、33 kV母線電壓；直流側(cè)饋線電流、接觸網(wǎng)/接觸軌電壓和鋼軌電位。牽引所監(jiān)測點位置安裝如圖2所示。

圖2 牽引所監(jiān)測點位置

以相同日行車組織和動力負(fù)荷為前提，在地鐵主所設(shè)置計量測試點，記錄主變電所有功功率、無功功率24 h變化過程，評估全線的逆功率反饋和全日能量統(tǒng)計情況。主所監(jiān)測點位置安裝如圖3所示。

圖3 主所監(jiān)測點位置

測試過程中，同時對逆變回饋裝置的啟動電壓按照1 720，1 750和1 770 V進(jìn)行調(diào)整，逆變回饋裝置在每種啟動電壓持續(xù)工作1 d，研究不同啟動電壓下逆變回饋裝置的運行性能和系統(tǒng)節(jié)能效果。

2 逆變回饋裝置運行性能實測分析

對逆變回饋裝置運行性能進(jìn)行評估，包括逆變回饋裝置運行效果及運行狀態(tài)分析2 個方面。

2.1 逆變回饋裝置運行效果分析

2.1.1 逆變回饋裝置不同啟動電壓下穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓效果分析

以廣州某地鐵工程牽引所10為例，分析該所逆變回饋裝置穩(wěn)壓效果及啟動電壓影響，其直流側(cè)負(fù)荷過程曲線如圖4所示，直流負(fù)荷過程統(tǒng)計如表2所示。

(a) 5月9日牽引所10牽引網(wǎng)網(wǎng)壓負(fù)荷過程；(b) 5月9日牽引所10整流機(jī)組負(fù)荷過程；(c) 5月9日牽引所10逆變回饋裝置負(fù)荷過程

由表2可以看出，牽引所10未投入逆變回饋裝置時，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓最高可達(dá)1 797 V，投入了逆變回饋裝置后，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定在1 773 V之下，因此牽引所10逆變回饋裝置具有一定穩(wěn)壓效果。且隨著逆變回饋裝置啟動電壓從1 720 V提高到1 770 V，整流機(jī)組進(jìn)線電流平均值降低l7.06%，逆變回饋裝置電流減小60.03%；逆變回饋裝置啟動電壓在1 720 V下牽引網(wǎng)網(wǎng)壓最大值與平均值最小，說明逆變回饋裝置啟動電壓越低，穩(wěn)壓效果越好。

2.1.2 含逆變回饋裝置的牽引所鋼軌電位限制器動作分析

在直流牽引系統(tǒng)中，由于鋼軌縱向電阻和軌地之間過渡電阻的存在，使列車在運行過程中鋼軌與軌地之間產(chǎn)生電位差。為了防止鋼軌電位過高，危害站臺人員人身安全，車站內(nèi)設(shè)置了鋼軌電位限制裝置(OVPD)[14]。

本次測試記錄到牽引所10在5月9日OVPD在09:05分閘，11:47閉鎖，12:01分閘，14:07閉鎖，16:00分閘。牽引所10全天鋼軌電位過程記錄如圖5所示。

表2 牽引所10直流負(fù)荷過程統(tǒng)計

圖5 牽引所10全天鋼軌電位過程記錄

分析14:07時刻OVPD動作過程，如圖6(a)和6(b)所示。

圖6(b)中，OVPD動作可分為3個階段，在1階段，存在鋼軌電位驟降的過程，該過程持續(xù)時間極短，不超過10 ms。這是由于列車制動過程變化迅速，制動電流迅速增大，因而鋼軌中電流迅速增大，導(dǎo)致鋼軌電位短時間內(nèi)迅速降低。

在2階段，鋼軌電位已降低至?150 V以下，此時OVPD二段動作，由于裝置本身存在動作時間，直到2階段結(jié)束時OVPD才閉合。此階段逆變電流有上升趨勢，說明逆變回饋裝置在響應(yīng)再生制動電流的增加，但由于此階段持續(xù)時間太短，不足0.1 s，逆變回饋裝置無法達(dá)到峰值功率響應(yīng)，因此鋼軌電位一致維持在?150 V以下。

(a) OVPD動作前后12 s錄波過程；(b) OVPD動作前后0.2 s錄波過程

在3階段，由于OVPD已閉鎖，因此鋼軌電位迅速置為0。

實測中，在牽引所10 OVPD動作后，牽引所9 OVPD在約2 s后也緊隨動作。直流牽引供電系統(tǒng)OVPD動作前后等效電路與鋼軌電位圖如圖7 所示。

圖7 直流牽引供電系統(tǒng)OVPD動作前后等效電路與鋼軌電位圖

由圖6~7可以看出，牽引所10的逆變回饋裝置額定功率工作時，上行的列車再生制動電流部分經(jīng)牽引所10反饋，此部分電流約為240 A左右，另一部分則供給鄰近的下行牽引列車牽引使用；OVPD動作后，牽引所10的鋼軌電位被鉗制在0 V；全線的鋼軌電位迅速抬高了150 V，牽引所9的鋼軌電位因此超過了120 V，經(jīng)1~2 s后也動作。

2.2 逆變回饋裝置運行狀態(tài)分析

2.2.1 逆變回饋裝置占空比

我國逆變回饋裝置工作制為矩形工作制[15]，波形如圖8所示。

圖8 矩形工作制電流波形

以120 s為一個時間窗口，統(tǒng)計120 s內(nèi)電流的有效值，通過換算可得到對應(yīng)逆變回饋裝置額定功率運行的占空比。逆變回饋裝置占空比越大，說明其利用率越高。占空比計算如式(1)~(2)所示。

式中：RMS為120 s內(nèi)逆變回饋裝置電流有效值；n為裝置額定電流；e為逆變回饋裝置額定容量；set為逆變回饋裝置啟動電壓。

以廣州某地鐵牽引所9為例，采用圖8中逆變回饋裝置矩形工作制，根據(jù)式(1)~(2)進(jìn)行計算。則不同啟動電壓下牽引所9逆變回饋裝置占空比如圖9所示。

逆變回饋裝置不同啟動電壓下牽引所9和10占空比統(tǒng)計如表3所示。

由圖9可以看出，牽引所9逆變回饋裝置額定功率工作時，隨著其啟動電壓升高，啟動的門檻變高，因此占空比下降，裝置利用率降低。表3中，逆變回饋裝置啟動電壓為1 720 V時，牽引所9占空比最高達(dá)26.5%，與額定負(fù)載時占空比25%接近，說明該牽引所逆變回饋裝置利用率較高；而牽引所10占空比最大為7.99%，該牽引所逆變回饋裝置利用率低。

2.2.2 逆變回饋裝置響應(yīng)時間

國標(biāo)規(guī)定逆變回饋裝置響應(yīng)時間為輸出功率從0到峰值功率所需的時間，響應(yīng)時間不應(yīng)超 過1 s[15]。

(a) 牽引所9啟動電壓1 720 V逆變回饋裝置占空比；(b) 牽引所9啟動電壓1 750 V逆變回饋裝置占空比；(c) 牽引所9啟動電壓1 770 V逆變回饋裝置占空比

表3 牽引所9和10逆變回饋裝置占空比

以廣州某地鐵牽引所9和10為例，逆變回饋裝置短時電流圖分別如圖10~11所示。

圖10 牽引所9逆變回饋裝置響應(yīng)時間

圖11 牽引所10逆變回饋裝置響應(yīng)時間

由圖10~11可以看出，逆變回饋裝置啟動電壓1 720 V時，牽引所9和10在約0.9 s內(nèi)逆變回饋裝置電流從0上升至裝置額定電流值1 200 A左右，符合國標(biāo)要求。

3 系統(tǒng)節(jié)能效果評估

對含逆變回饋裝置的系統(tǒng)節(jié)能效果進(jìn)行評估，包括主所負(fù)荷統(tǒng)計、系統(tǒng)全日回饋能量分析。

3.1 主所負(fù)荷統(tǒng)計

主所全日負(fù)荷統(tǒng)計如表4所示。由表4可以看出，主所1測試期間并未出現(xiàn)逆功率倒送，主所2在4月12日有逆功率倒送，全日逆功率約5度，可以忽略。

實際運行時，主所負(fù)荷除受到牽引負(fù)荷影響外，還受到動力照明等負(fù)荷影響，因此波動較大。

3.2 系統(tǒng)全日回饋能量分析

系統(tǒng)的節(jié)能效果既與逆變回饋裝置在供電系統(tǒng)中的運行性能相關(guān)，還與列車發(fā)車密度、牽引變電所數(shù)量和主所逆功率相關(guān)。應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)節(jié)能效果影響因素，以系統(tǒng)日回饋能量作為考核指 標(biāo)[16]。

式中：t為第種發(fā)車間隔的運營時長；1為牽引變電所數(shù)量；2為主變電所數(shù)量；為全日發(fā)車間隔數(shù)量；P為第種發(fā)車間隔，第個主所每小時的平均逆功率；P為第種發(fā)車間隔，第個牽引變電所每小時反饋平均有功功率。

對該線路逆變回饋裝置不同啟動電壓下系統(tǒng)日回饋能量進(jìn)行了統(tǒng)計，如表5所示。

表4 主所全日負(fù)荷統(tǒng)計

表5 逆變回饋裝置不同啟動電壓下系統(tǒng)日回饋能量

由表5可以看出，逆變回饋裝置啟動電壓為1 720 V時，4月與5月份系統(tǒng)日回饋能量分別為4 369.2 kWh和4 622.7 kWh，隨著逆變回饋裝置啟動電壓提高，系統(tǒng)日回饋能量降低。

4 結(jié)論

1) 通過對廣州某地鐵工程含逆變回饋裝置的牽引變電所9和10進(jìn)行測試分析，安裝逆變回饋裝置對控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓水平具有一定的效果，且穩(wěn)壓效果隨著啟動電壓的降低而增強(qiáng)。

2) 鋼軌電位驟升或者驟降(超過150 V)在10 ms之內(nèi)完成，主要是列車制動電流迅速變化導(dǎo)致的。逆變回饋裝置難以緩解鋼軌電位過高導(dǎo)致OVPD二段動作的問題。建議OVPD二段動作設(shè)置延時，逆變回饋裝置提供盡量快的響應(yīng)時間。

3) 該線路安裝了3臺逆變回饋裝置，逆變回饋裝置啟動電壓1 720 V時，系統(tǒng)日回饋能量為4 369.2~4 622.7 kWh。隨著逆變回饋裝置啟動電壓升高，裝置利用率降低，逆變回饋裝置工作周期占空比下降，系統(tǒng)日回饋能量降低。

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Operation performance measurement and system energy saving effect evaluation of urban rail inverter feedback device

ZHANG Yangxin1, LIU Wei2, ZHANG Jian2, HE Liang1, ZHOU Ruibing2, PU Lifeng3

(1. School of Automation & Information Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China;2. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3. Guangzhou Metro Group Co., Ltd, Guangzhou 510000, China)

Based on the test of a subway line in Guangzhou, the operation performance of inverter feedback device and the energy-saving effect of the system are evaluated. The measured results show that with the increase of the starting voltage from 1 720 V to 1 770 V, the network voltage effect of the stable traction network of the inverter feedback device becomes weaker, and the maximum duty cycle decreases from 26.5% to 6.8%; The response time of the inverter feedback device is less than 1 second, which meets the requirements of the national standard; The changing process of current and rail potential of inverter feedback device before and after (OVPD) operation of rail potential limiting device is analyzed, and it is found that the inverter feedback device can’t alleviate the problem of OVPD second stage operation caused by high rail potential. The factors affecting the energy-saving effect of the system are analyzed, and the results show that there is inverse power in the main substation of the line, when the starting voltage of the inverter feedback device is 1 720 V, the whole daily feedback energy of the system is 4 369.2~4 622.7 kWh; With the increase of the starting voltage of the inverter feedback device, the daily feedback energy of the system decreases. The study in this paper can provide a reference for the location and volume determination of the inverter feedback device and the evaluation of the energy-saving effect of the system.

urban railway; traction substation; inverter feedback device; operation performance; energy saving effect

U224

A

1672 ? 7029(2020)06 ? 1554? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190829

2019?09?16

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(51607148)

劉煒(1982?)，男，湖南益陽人，副教授，從事城市軌道牽引供電系統(tǒng)理論與仿真研究、再生制動能量利用、雜散電流及鋼軌電位研究、有軌電車研究；E?mail：liuwei_8208@swjtu.cn

(編輯 陽麗霞)