軌道交通能饋變流器在地鐵上的應用

1前言

目前城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)采用

二極管整流器，電能只能從交流電網(wǎng)向直流牽引網(wǎng)單向流動。當車輛制動時，多余的再生制動能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統(tǒng)的解決方法是設置電阻制動裝置，但這將造成電能的極大浪費并帶來溫升等其它問題。由于軌道交通車輛起制動頻繁，制動能量相當可觀，若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

現(xiàn)制動方式主要可以分為兩大類：一是機械制動(動能轉(zhuǎn)化成熱能)，機械摩擦制動的缺點是接觸面容易磨損；摩擦時產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面；摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴重污染的。二是電制動，把動能轉(zhuǎn)化為電能后，再將電能送回電網(wǎng)或變成熱能消耗掉，現(xiàn)在電制動主要是采用電阻吸收方式，其主要缺點是只能將電能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，造成能源浪費，而且電阻散熱會導致溫度升高，因此需要增加相應的通風裝置，即同時增加相應的電能消耗。

電制動的另一種吸收方式是電容儲能型， 將制動能量吸收到大容量電容器組中，當供電區(qū)間有列車需要取流時將所儲存的電能釋放出去，其主要缺點是要設置體積龐大的電容器組，且電容因頻繁處于充放電狀態(tài)而導致使用壽命短。

電制動第三種方式是飛輪儲能，其工作原理是在列車發(fā)生能饋制動時，電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進行能量儲存，直至達到允許的最大轉(zhuǎn)

速；當列車需求能量時，電動機切換到發(fā)電機工況，釋放飛輪中儲存的能量直至達到最低工作轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)變?yōu)樽冸娝╇?。其缺點是壽命容易受到機械部件磨損的影響而大幅度降低，并且其投資與維護費用均較高。

電制動的第四種是能饋吸收方式，是將車輛制動時產(chǎn)生能量經(jīng)過逆變變成工頻交流電與車站內(nèi)電網(wǎng)并網(wǎng)，該吸收方式有利于能源的綜合再利用，實現(xiàn)了節(jié)能，是目前日益重視并大力推廣的方式。新風光軌道交通能饋變流器就是這種能量吸收方式，產(chǎn)品廣泛于城市軌道交通地鐵線路中。

2新風光軌道交通能饋變流器系統(tǒng)介紹

軌道交通其牽引供電系統(tǒng)在機車牽引變電所，一般1-2公里就需

要設置一個機車牽引變電所，每個機車牽引所都需要配備再生制動能量吸收設備。

軌道交通能饋變流器（以下簡稱能饋裝置）是新風光為滿足軌道交通機車綠色環(huán)保運行的市場需求，研制成功的新一代機車制動再生能量處理設備。該能饋裝置屬于逆變回饋型。能饋裝置根據(jù)各個傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)，一旦確認列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，系統(tǒng)啟動

吸收過程。能饋裝置把機車剎車制動時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成AC400V電壓，自動跟蹤AC400V母線電壓，并向負載供電，將再生能量消耗在用電設備上，或經(jīng)隔離變壓器反送至35kV /10kV電網(wǎng)。在直流牽引供電系統(tǒng)中，再生制動能量吸收裝置做為一個子系統(tǒng)工程， 其作用關乎系統(tǒng)的安全。

該產(chǎn)品相比以往設備，具有動態(tài)響應快，并網(wǎng)電流諧波小（THD小于3%），回饋能量效率高（大于98%），可靠性高。產(chǎn)品經(jīng)鐵道部質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，各項技術指標均達到設計要求。

2.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，現(xiàn)在大部分城市軌道交通牽引所都是3 5 k V或1 0 k V 電網(wǎng)，經(jīng)過牽引整流變壓器，再進行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機車供電。

軌道交通能饋變流器（再生制動能量吸收逆變裝置） 是并聯(lián)在1500V/750V直流系統(tǒng)中， 經(jīng)過變流器變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35kV/10kV/400V)。

2.2柜體功能介紹

(1)輸入輸出開關

主要包括輸入直流接觸器、輸出交流接觸器等器件，分別用于能饋裝置輸入、輸出的接通與分斷。

(2)能饋單元

能饋單元的主要作用是把系統(tǒng)瞬間剎車積聚的能量逆變成與電網(wǎng)電壓同步的交流電回送至電網(wǎng)。目前地鐵牽引供電系統(tǒng)電壓一般有兩個電壓等級即直流7 5 0V和

1500 V，能饋主電路采用二極管箝位三電平電路拓撲。主電路拓撲如圖2所示。

(3)隔離變壓器

能饋單元輸出交流電壓1000 V/ 500 V，經(jīng)隔離變壓器接到35kV/10kV/400V電網(wǎng)。

(4)開關柜

能饋裝置輸出經(jīng)隔離變壓器后接入35kV/10kV/400V 電網(wǎng)。

2.3技術特點

（1）領先的控制技術

控制系統(tǒng)由DSP+FPGA/CPLD+PLC組成?？刂葡到y(tǒng)具備自動化數(shù)據(jù)采集功能， 用于收集裝置內(nèi)部狀態(tài)信號。采用MODBUS數(shù)據(jù)傳輸方式與上位機系統(tǒng)接口，并提供所有狀態(tài)信息。

（2）主回路采用三電平拓撲電路結構

降低了器件耐壓等級，利于減小網(wǎng)側電流諧波。

（3）易于實現(xiàn)容量擴展

控制系統(tǒng)網(wǎng)側呈電流源特性，易于多單元并聯(lián)實現(xiàn)裝置容量擴展。

（4）功率因數(shù)高

網(wǎng)側功率因數(shù)可調(diào)，能饋裝置可以做到單位功率因數(shù)運行。

（5）諧波特性好

網(wǎng)側電流波形正弦化，電流總諧波（THD）小于3%。

（6）響應快，效率高

具有動態(tài)響應快，能在毫秒內(nèi)輸出額定電流，整機效率98%以上。

（7）保護功能齊全

能饋裝置具有過壓、欠壓、偏壓、過流、短路、超溫等多種保護功能， 當某一能饋單元故障時， 整機仍可以降額工作，不影響機車正常運行。

3地鐵應用現(xiàn)場

某地鐵工程設置主變電所2 座、2 9 個車站、牽 

混所21座。主變電所均由110kV電纜接入，安裝容量分別為2×50MV·A、2×25MV·A，變壓器接線方式為YNd1 1 ，變壓器百分比為1 0 .5 %，短路損耗為 

表 1 列車參數(shù)

圖 4 不同發(fā)車對數(shù)下回饋能量和再生制動能量反饋率

200 k W，空載損耗為50 k W。牽混所整流機組裝機額定功率均為2×3 000kW。接觸網(wǎng)電阻為0.013 6Ω/km， 鋼軌電阻為0.02Ω/km，全變電所安裝逆變回饋裝置， 其啟動電壓為1 730 V，容量為2MV·A。供電系統(tǒng)如圖3 所示。該工程采用5M1T的6輛編組As型列車，列車最大運行速度為100km/h。表1為列車參數(shù)。

該地鐵線路采用新風光公司研制的FDBL-JC-

2 0 0 0 / 1 5 0 0 V 等型號的再生制動能量吸收逆變裝置1 2 套，投入后運行良好，節(jié)能效果顯著。

3.1節(jié)能效果

對多種不同發(fā)車間隔下的回饋能量和再生制動能量反饋率λ進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如圖4所示。

當發(fā)車間隔比較大時，運行的列車較少，這就導致較少的再生制動能量被鄰近列車吸收并且大部分制動能量通過逆變回饋裝置回饋到交流電網(wǎng)，因此λ較高。當發(fā)車間隔逐漸減小時， 線路上運行的列車數(shù)增加， 大部分的再生制動能量會優(yōu)先被鄰近車吸收， 回饋到交流電網(wǎng)的制動能量減少，這就造成λ降低。當發(fā)車間隔繼續(xù)減小時，λ會再次上升，如圖5所示。

某地鐵線路全線每日運營18h ，采用五種發(fā)車間隔，分別是300s、400s、450s、600s、900s。全日行車計劃見下表2所示。

結合全日行車計劃，未投入逆變回饋裝置的系統(tǒng)主

表 2 全日行車計劃

所全日能耗WM為441296.31kW·h，投入逆變回饋裝置的系統(tǒng)主所全日能耗WM’為402842.06kW·h。全線節(jié)能率ξ為8.71%。

3.2其他優(yōu)點

（1）通過安裝再生制動裝置，可以減小車載電阻的使用容量， 進而降低機車重量， 提高機車運載能力。每套車載電阻重量約1000 kg，運行溫度約200 ℃，周邊設備需隔熱處理。

摘掉車載電阻每列車可降低車重4000 kg，增加50 人次的運載能力，且降低車輛2% 的供電能耗。另外每列車車載電阻總造價約40萬元，可削減此部分投資費用。

（2）降低能耗型電阻容量，隧道主要發(fā)熱源消除， 隧道內(nèi)部的通風、散熱需求降低， 環(huán)控負荷可降低約50%。

（3）采用再生制動裝置車輛電制動區(qū)間范圍更寬， 電制動可將車輛由最高速度減速到5 -10 k M/ h，進而減少機械制動降低閘瓦磨損度， 車輪、閘瓦的維護與更換維保周期延長一倍以上。

按照每片閘瓦400元統(tǒng)計，每列車年節(jié)省維保費用近27萬元。

（4）再生制動裝置具有一定容量的無功補償功能， 提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

（5）電能回收再利用，節(jié)約電能響應國家節(jié)能減排的政策，國家有扶持資金獎勵政策。

4結束語

新風光軌道交通能饋變流器控制車輛電制動時的運

行電壓， 保障了車輛的安全運行。逆變裝置投運后節(jié)電效果顯著， 符合國家節(jié)能減排的大政方針。同時降低了車輛運行隧道內(nèi)的通風散熱需求， 提高了相關設備的運行環(huán)境質(zhì)量?！笆奈濉逼陂g，隨著軌道交通節(jié)能環(huán)保、綠色化的主題深入人心，該能饋裝置前景可期。