能饋式牽引供電裝置在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

陳德勝 劉志剛 張 鋼

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044;2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

能饋式牽引供電裝置在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

陳德勝1，2劉志剛1張 鋼1

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 北京 100044;2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

通過對國內(nèi)外列車再生制動能量吸收技術(shù)對比分析，得出能饋式牽引供電裝置是當(dāng)前解決列車再生制動能量問題的較優(yōu)措施。給出能饋式牽引供電裝置在北京地鐵10號線二期工程的應(yīng)用設(shè)計方案，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗和應(yīng)用效果分析。對能饋式牽引供電裝置在城市軌道交通中的適應(yīng)性進(jìn)行分析，為進(jìn)一步工程推廣應(yīng)用提出建議。

城市軌道交通;列車;能量回饋;再生制動;北京地鐵10號線二期工程

根據(jù)國家有關(guān)部委頒布的《中國節(jié)能技術(shù)大綱》的精神，城市軌道交通領(lǐng)域需大力推廣應(yīng)用節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品。能饋式牽引供電裝置可以有效地吸收利用地鐵車輛的再生制動能量，降低地鐵電能消耗，降低運(yùn)營成本，達(dá)到減少能耗的目的［1］。研究并逐步推廣應(yīng)用能饋式牽引供電裝置，是未來軌道交通踐行節(jié)能要求的重要措施之一。

1 列車制動能量利用方式分析

根據(jù)能量處理方式的不同，將列車再生制動能量吸收裝置分為3類:能量消耗型、能量儲存型、能量回饋型［2］。

1.1 能量消耗型

能量消耗型是指利用電阻吸收裝置，將列車的再生制動能量消耗掉，從而抑制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的飆升。電阻吸收裝置會造成能量的浪費，還由于電阻的發(fā)熱量大，對規(guī)劃、景觀、散熱、防雨等方面的要求比較高。目前，北京地鐵昌平線、亦莊線等線路設(shè)置了電阻吸收裝置。

1.2 能量儲存型

能量儲存型主要包括電容儲能吸收裝置和飛輪儲能吸收裝置。

1.2.1 電容儲能吸收裝置

電容儲能吸收裝置是用超級電容將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用［3］。電容儲能吸收裝置的技術(shù)原理較佳，但國內(nèi)企業(yè)暫無生產(chǎn)供貨能力，進(jìn)口設(shè)備不成熟，技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成本高，國內(nèi)尚無成功的工程應(yīng)用實例。北京地鐵5號線曾設(shè)置了4套電容儲能吸收裝置，但一直未投入運(yùn)行。

1.2.2 飛輪儲能吸收裝置

飛輪儲能吸收裝置是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。飛輪儲能吸收裝置的技術(shù)原理也較佳，但國內(nèi)企業(yè)暫無生產(chǎn)供貨能力，進(jìn)口設(shè)備不成熟，技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成本高，國內(nèi)尚無成功的工程應(yīng)用實例。

1.3 能量逆變型

能量逆變型是利用電力電子變流器，將列車制動能量逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞伒浇涣麟娋W(wǎng)，供其他設(shè)備再利用。根據(jù)交流電網(wǎng)的電壓等級，能量逆變型又分為中壓逆變型(35 kV或10 kV)和低壓逆變型(380 V)，其中能饋式牽引供電裝置屬于中壓逆變型。中壓電網(wǎng)容量更大、更穩(wěn)定，對于能量的流動和分配利用更有利。此外，能饋式牽引供電裝置還具備參與牽引供電、維持網(wǎng)壓穩(wěn)定以及無功補(bǔ)償?shù)奶攸c，且接口簡單、工程實施容易，所以是未來的發(fā)展趨勢。

綜上所述，結(jié)合目前地鐵的工程特點和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向，從技術(shù)先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性、可實施性、知識產(chǎn)權(quán)等方面綜合比較，能饋式牽引供電裝置具有自主知識產(chǎn)權(quán)、功能齊全、工程可實施性強(qiáng)等優(yōu)點，是近期城軌工程建設(shè)的一個選擇方向。

2 北京地鐵應(yīng)用方案及效果分析

2.1 應(yīng)用方案

2.1.1 目標(biāo)需求

基于列車制動能量吸收、與列車信號控制系統(tǒng)匹配、與列車電制動措施匹配等因素，從節(jié)約能源的角度考慮，北京地鐵10號線二期工程在十里河、西釣魚臺兩個車站設(shè)置了能饋式牽引供電裝置。主要功能定位:吸收列車再生制動能量并回饋至中壓電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)約能源的目的;保證列車再生制動能力的發(fā)揮，減少輪軌磨耗。

2.1.2 技術(shù)方案

1)容量計算與選擇方案:根據(jù)牽引仿真計算，當(dāng)行車間隔為3 min時，十里河站制動能量的有效功率為775 kW，西釣魚臺站制動能量的有效功率為778 kW;兩站的制動能量瞬時功率峰值約為1 500 kW，圖1所示為單列車正常運(yùn)行單向全程電壓及電流曲線。因此，選配了2 000 kW的能饋式牽引供電裝置。

圖1 單列車正常運(yùn)行單向全程電壓及電流曲線

2)接線方案:能饋式牽引供電裝置中壓側(cè)通過中壓饋線開關(guān)H1接入10 kV電網(wǎng)，直流側(cè)正極與直流進(jìn)線開關(guān)Z1連接，負(fù)極與隔離開關(guān)G1連接，最終能饋式牽引供電裝置與兩套牽引整流機(jī)組構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，如圖2所示。

3)運(yùn)行方式:在正常運(yùn)行時，交直流側(cè)所有開關(guān)處于合閘位，能饋式牽引供電裝置投入運(yùn)行。當(dāng)能饋式牽引供電裝置內(nèi)部發(fā)生任何故障時，能饋式牽引供電裝置退出運(yùn)行。當(dāng)兩套牽引整流機(jī)組中的任何一組退出運(yùn)行時，能饋式牽引供電裝置同時也退出運(yùn)行。

4)保護(hù)方案:能饋式牽引供電裝置設(shè)置了電壓失步、過電流、過負(fù)荷、過熱、短路、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)故障、溫度等保護(hù)，所有保護(hù)信息上傳電力監(jiān)控系統(tǒng)，并聯(lián)跳中壓饋線開關(guān)，與之連接的中壓饋線開關(guān)增設(shè)了失壓跳閘保護(hù)。能饋式牽引供電裝置在設(shè)置了框架泄露保護(hù)，動作時可聯(lián)跳中壓饋線開關(guān)和直流進(jìn)線開關(guān)。

圖2 系統(tǒng)接線

2.2 應(yīng)用效果分析

以十里河站為例，對試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗證能饋式牽引供電裝置的實施效果，圖3所示的是設(shè)備所在試驗區(qū)段的情況。

圖3 試驗區(qū)段情況

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)［4］如下:系統(tǒng)容量2 MW，交流電壓10 kV，直流電壓750～1 000 V，功率因數(shù)大于0.99，變流器效率大于98%，電流諧波畸變小于3%。

圖4所示為能饋式牽引供電裝置未投入時，列車上一個牽引逆變器的直流電壓、直流電流及車速之間的變化曲線。可以看出，列車牽引時直流電壓跌落明顯，列車制動時直流電壓迅速飆升到980 V，電制動被切除，列車再生制動失效。圖5所示為能饋式牽引供電裝置投入工作后對應(yīng)的波形?？梢钥闯?，列車制動時牽引逆變器直流電流為負(fù)值(最大為－700 A左右)，直流牽引網(wǎng)電壓被有效抑制在920 V以下，使列車再生制動能力得到有效發(fā)揮。

表1所示為2013年9月1日—17日十里河能饋式牽引供電裝置回饋電能以及宋家莊開閉所反送10 kV電網(wǎng)的電能數(shù)據(jù)。其中，定義反送率=(宋家莊反送電能/十里河回饋電能)×100%。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，這段時間能饋式牽引供電裝置單日最高回饋電能為2 161 kW·h，宋家莊向城市電網(wǎng)單日最高反送電能為277 kW·h，反送率最高為15.63%。由此可見，能饋式牽引供電裝置回饋的再生制動能量絕大部分可以在地鐵內(nèi)部消耗掉，有小部分會被反送到城市電網(wǎng)。

圖4 設(shè)備未投入時電壓、電流、速度曲線

圖5 設(shè)備投入后電壓、電流、速度曲線

表1 節(jié)能數(shù)據(jù)

3 進(jìn)一步應(yīng)用思考

列車具有啟動時消耗大量電能，制動時再生大量電能的特點，因此直流牽引系統(tǒng)在最大運(yùn)行方式下，當(dāng)多列車同時啟動時，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓存在較大跌落的情況;當(dāng)多列車制動時，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓存在驟升的可能性。能饋式牽引供電裝置的正向整流、反向逆變回饋正好與列車的各項特性相匹配、相吻合。

雖然具有較好的特性匹配之處，但在具體工程推廣應(yīng)用時，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究分析，體現(xiàn)針對性和目標(biāo)性。

3.1 功能定位適應(yīng)性分析

3.1.1 制動能量吸收

制動能量吸收是能饋式牽引供電裝置的首要功能。能饋式牽引供電裝置可以將列車制動能量逆變回饋至交流中壓網(wǎng)絡(luò)，通過中壓網(wǎng)絡(luò)再分配、再利用，起到顯著的節(jié)能效果。此外，由于列車制動能量能夠快速、有效地吸收，可以進(jìn)一步改善列車的制動停車效果，減少列車的閘瓦磨耗，提高列車的停車精度。

3.1.2 牽引整流功能

當(dāng)能饋式牽引供電裝置開放正向牽引整流功能時，可以實現(xiàn)牽引整流機(jī)組的效果。當(dāng)開放牽引整流功能后，相當(dāng)于增加了一套牽引整流機(jī)組，擴(kuò)大了牽引變電所的牽引供電容量，可以進(jìn)一步優(yōu)化牽引變電所的布點及容量配置方案。另外，當(dāng)開放牽引整流功能后，可以進(jìn)一步改善牽引網(wǎng)的網(wǎng)壓水平，抑制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的跌落，提高供電品質(zhì)。

3.2 系統(tǒng)匹配性分析

結(jié)合能饋式牽引供電裝置的各項功能，在城市軌道交通工程應(yīng)用中可以采取不同的方案。

3.2.1 三機(jī)組方案

在設(shè)置兩套12脈波牽引整流機(jī)組的基礎(chǔ)上，增設(shè)一套能饋式牽引供電裝置，與另外兩套牽引整流機(jī)組構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，如圖6所示(北京地鐵10號線采用的是該方案)。

該方案在傳統(tǒng)兩套牽引整流機(jī)組基礎(chǔ)上增設(shè)了能饋式牽引供電裝置，牽引供電的可靠性進(jìn)一步加強(qiáng)，容量進(jìn)一步擴(kuò)大，可以有效優(yōu)化牽引變電所的布點及容量配置，使正向牽引整流、反向逆變回饋的功能充分體現(xiàn)。事實上，若采取該方案，可以適當(dāng)降低兩套牽引整流機(jī)組的容量配置。

3.2.2 兩機(jī)組方案

設(shè)置一套牽引整流機(jī)組、一套能饋式牽引供電裝置，如圖7所示。

圖6 三機(jī)組應(yīng)用方案

圖7 兩機(jī)組應(yīng)用方案

該方案減少了一套牽引整流機(jī)組，建設(shè)投資降低，同時能保證牽引整流功能及逆變回饋功能，系統(tǒng)及設(shè)備配置進(jìn)一步優(yōu)化。若采取該方案，需要關(guān)注牽引整流機(jī)組及能饋式牽引供電裝置的容量配置，建議結(jié)合雙邊供電、大雙邊供電的容量需求，加大兩套機(jī)組的容量配置，提高機(jī)組的過載能力。

4 結(jié)語

能饋式牽引供電裝置能夠?qū)⒘熊囍苿幽芰炕仞伒浇涣麟娋W(wǎng)再利用，同時兼有牽引整流、穩(wěn)壓、無功補(bǔ)償?shù)裙δ?，?yīng)用前景廣闊。通過對能饋式牽引供電裝置不同功能的適應(yīng)性分析可知，在今后的城市軌道交通工程建設(shè)中，可以根據(jù)不同的目標(biāo)需求，適時開放相應(yīng)的功能，梳理與其他牽引設(shè)備之間的關(guān)系，從系統(tǒng)配置的角度出發(fā)整合牽引設(shè)備配置，達(dá)到系統(tǒng)、設(shè)備、功能方面的最優(yōu)配置。

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Application Analysis of Energy Feedback Type Traction Power Supply Device in Urban Rail Transit Field

Chen Desheng Liu Zhigang Zhang Gang
(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044;2.Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:By comparing domestic and international regenerative braking energy absorption technologies of the subway train，it was concluded that the energy feedback traction power supply device is a good measure to solve the current issue of train regenerative braking energy.This article introduces the application design scheme of energy feedback traction power supply device which is used in the Beijing subway line 10 and the field test and application effect analysis.The adaptability of energy feedback traction power supply device on urban mass transit is analyzed for further engineering promotion and application.

Key words:urban rail transit;train;energy feedback;regenerative brake;the second stage project of Beijing subway Line 10

U231.8;U260.4+9

A

1672-6073(2014)01-0111-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.027

收稿日期:2013-12-21

2014-01-01

作者簡介:陳德勝，男，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通牽引供電技術(shù)，chends@buedri.com

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金(2014JBM114)

(編輯:郭 潔)