再生制動(dòng)逆變回饋裝置在貴陽(yáng)地鐵中的運(yùn)用

劉衛(wèi)

摘 要：該文首先介紹城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)置列車(chē)制動(dòng)能量利用裝置的必要性；其次重點(diǎn)介紹方案之一的再生制動(dòng)逆變回饋裝置的組成及各部分的作用、設(shè)置的保護(hù)及運(yùn)行原理；最后介紹了再生制動(dòng)逆變回饋裝置在貴陽(yáng)地鐵中的運(yùn)用情況。

關(guān)鍵詞：地鐵 再生制動(dòng) 逆變回饋 運(yùn)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0040-03

城市軌道交通車(chē)輛牽引電機(jī)在列車(chē)制動(dòng)時(shí)類(lèi)似于發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)能量在不同形式之間的轉(zhuǎn)換，即將列車(chē)機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為直流供電系統(tǒng)電力能，該部分轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的電力能稱(chēng)之為再生制動(dòng)能量。再生制動(dòng)能量的產(chǎn)生會(huì)不同程度地導(dǎo)致接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，嚴(yán)重情況下會(huì)影響列車(chē)的再生制動(dòng)失效。因此，必須采取一定的途徑將該部分能量消耗掉，將接觸網(wǎng)網(wǎng)壓控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。若將該能量加以利用，而不是通過(guò)電阻耗能的方式消耗掉，則可在相當(dāng)程度上降低運(yùn)營(yíng)成本，符合國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排要求，并且可有效減小再生能量對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

但當(dāng)前國(guó)內(nèi)城市軌道交通對(duì)于該部分能量多采取車(chē)載電阻或變電所吸能電阻耗能的形式消耗掉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到節(jié)能減排的要求，更是使城市軌道交通線路通風(fēng)散熱系統(tǒng)載荷增加，造成大量的能源浪費(fèi)，并使地鐵工程的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本增加，亦不符合當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)的能源戰(zhàn)略。所以，對(duì)于如何充分高效利用列車(chē)的再生制動(dòng)能量的研究非常有必要。

而在諸多的再生制動(dòng)能量利用方案中，再生制動(dòng)逆變回饋裝置可以最大限度利用列車(chē)的再生制動(dòng)能量，不會(huì)占用變電所內(nèi)外的太大空間，亦可有效規(guī)避諸如閘瓦制動(dòng)等對(duì)隧道環(huán)境的影響，故貴陽(yáng)地鐵選擇了再生制動(dòng)逆變回饋裝置方案。

1 再生制動(dòng)逆變回饋裝置的組成

貴陽(yáng)地鐵再生制動(dòng)逆變回饋裝置的一次系統(tǒng)構(gòu)成主要包括35 kV GIS開(kāi)關(guān)柜、回饋?zhàn)儔浩?、低壓開(kāi)關(guān)柜、變流器柜、直流開(kāi)關(guān)柜、負(fù)極隔離柜共六大部分。（如圖1）

1.1 回饋?zhàn)儔浩?/p>

回饋?zhàn)儔浩鞑捎美@組軸向雙分裂干式變壓器。繞組連接組別為D/y11，y11連接，次邊繞組間具有較低的耦合度。其作用是將列車(chē)電制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量經(jīng)過(guò)逆變、升壓后直接反饋至變電所35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)。

1.2 低壓開(kāi)關(guān)柜

低壓開(kāi)關(guān)柜主要由兩臺(tái)低壓斷路器、交流預(yù)充電回路以及三相電流表等構(gòu)成。連接變流器柜及變壓器，主要是對(duì)變流器進(jìn)行過(guò)流及短路保護(hù)，同時(shí)便于故障處理及設(shè)備的分段檢修。斷路器帶有檢測(cè)裝置和接點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)電流過(guò)大時(shí)斷路器連鎖微動(dòng)開(kāi)關(guān)向數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)出故障信號(hào)，用于報(bào)警或跳閘。當(dāng)一個(gè)IGBT支路故障時(shí)，發(fā)出跳閘信號(hào)。

1.3 負(fù)極隔離開(kāi)關(guān)柜

負(fù)極隔離開(kāi)關(guān)柜是連接變流器直流側(cè)負(fù)極與變電所直流負(fù)母線之間的開(kāi)關(guān)設(shè)備，為手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)柜前部設(shè)可鎖住的金屬門(mén)。

采用電磁鎖方式實(shí)現(xiàn)負(fù)極柜中手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)與DC1500V斷路器和對(duì)應(yīng)的35 kV斷路器之間的閉鎖，只有當(dāng)DC1500V斷路器和對(duì)應(yīng)的35 kV斷路器均處于分閘位置時(shí)，手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)才能操作，只有當(dāng)負(fù)極手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)處于合位時(shí)，DC1500V斷路器和對(duì)應(yīng)的35 kV斷路器才能合閘。

貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線再生制動(dòng)逆變回饋裝置設(shè)置有一套獨(dú)立的框架保護(hù)，位于負(fù)極隔離開(kāi)關(guān)柜內(nèi)。

1.4 變流器柜

變流器柜主要由逆變器、控制箱等構(gòu)成。變流器柜的主電路構(gòu)成原理圖如圖2所示。

（1）SKIIP功率組件。

圖2中包括2臺(tái)逆變器，每臺(tái)逆變器由6個(gè)SKIIP功率組件構(gòu)成，每相由2個(gè)SKIIP功率組件并聯(lián)而成。其中，每個(gè)SKIIP功率組件包含IGBT智能功率模塊、無(wú)感母排、濾波電容、過(guò)壓吸收回路等構(gòu)成，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)，方便生產(chǎn)和維護(hù)維修。IGBT的控制采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制。

（2）放電回路。

每臺(tái)逆變器的直流側(cè)配備一套放電回路。放電回路由放電接觸器和功率電阻構(gòu)成，其中放電接觸器型號(hào)為CZ28-25G/10，放電電阻型號(hào)為L(zhǎng)M-PWR1000W200RJ。在變流器柜正常停機(jī)或故障停機(jī)時(shí)，放電接觸器閉合，實(shí)現(xiàn)快速放電。可以在60 s內(nèi)將電容電壓放到36 V以下的安全電壓。

（3）過(guò)壓吸收。

每臺(tái)逆變器的交流輸入側(cè)的相間設(shè)置過(guò)壓吸收電路。過(guò)壓吸收電路由壓敏電阻和快速熔斷器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的過(guò)壓防護(hù)。壓敏電阻型號(hào)為GGY-14-1200V-50KA，快速熔斷器型號(hào)為T(mén)RD-0.93。

2 保護(hù)功能配置

再生制動(dòng)逆變回饋裝置向35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)反饋電力能的質(zhì)量是可以自動(dòng)控制的，電能質(zhì)量滿(mǎn)足實(shí)用要求并符合標(biāo)準(zhǔn)。偏離標(biāo)準(zhǔn)的越限狀況，再生制動(dòng)逆變回饋裝置須能監(jiān)測(cè)此偏差并與電網(wǎng)解列，所有電能質(zhì)量參數(shù)（電壓、閃變、頻率、諧波、功率因素）的測(cè)量必須在并網(wǎng)點(diǎn)35 kV開(kāi)關(guān)柜上進(jìn)行。

在運(yùn)營(yíng)時(shí)間外直流母線電壓超過(guò)裝置動(dòng)作值時(shí)設(shè)備不誤啟動(dòng)。

2.1 內(nèi)部保護(hù)

裝置的內(nèi)部保護(hù)設(shè)置在變流器柜內(nèi)，包括交流電網(wǎng)的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流以及直流電網(wǎng)的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、功率模塊過(guò)熱保護(hù)、IGBT故障保護(hù)、IGBT丟脈沖保護(hù)、IGBT觸發(fā)異常保護(hù)、散熱風(fēng)機(jī)故障保護(hù)、變壓器過(guò)熱保護(hù)、孤島效應(yīng)保護(hù)（能饋系統(tǒng)必須在電網(wǎng)失壓2 s內(nèi)停止向電網(wǎng)送電）。內(nèi)部保護(hù)動(dòng)作須由變流器柜兩端直流側(cè)及交流側(cè)開(kāi)關(guān)柜執(zhí)行。

2.2 外部保護(hù)

外部保護(hù)為變流器柜以外各開(kāi)關(guān)柜自身設(shè)置的保護(hù)。其中，35 kV開(kāi)關(guān)柜采取既有的保護(hù)設(shè)置，即設(shè)有斷路器失靈保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)等；DC1500V直流開(kāi)關(guān)柜的保護(hù)和既有的直流饋線柜保護(hù)一致。交流低壓柜設(shè)置反時(shí)限長(zhǎng)延時(shí)、定時(shí)限短延時(shí)、速斷保護(hù)。

3 再生制動(dòng)逆變回饋裝置在貴陽(yáng)地鐵中的應(yīng)用

再生制動(dòng)逆變回饋裝置的核心部件即為變流器，變流器采用三相逆變器。三相逆變器由大功率的電力電子器件構(gòu)成，該逆變器的直流側(cè)通過(guò)DC1500V直流饋線開(kāi)關(guān)與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流側(cè)通過(guò)低壓開(kāi)關(guān)、回饋?zhàn)儔浩髋c35 kV開(kāi)關(guān)柜相連；當(dāng)列車(chē)再生制動(dòng)能量使直流母線電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，逆變器啟動(dòng)并從直流母線吸收能量，將列車(chē)再生制動(dòng)直流電能逆變成工頻交流電能回饋至交流電網(wǎng)。

貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線北段由于受客流的影響，發(fā)車(chē)間隔較大，這就導(dǎo)致了列車(chē)在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電力能不能被臨近的車(chē)輛有效吸收，白白浪費(fèi)掉。有資料表明，城市軌道交通列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的20%～40%，這些能量除了按一定比例（一般為20%～80%，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同而異）被其他相鄰列車(chē)吸收利用外，剩余部分將主要被列車(chē)的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗或被線路上的其他能量吸收裝置吸收。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)列車(chē)發(fā)車(chē)密度大于10 min間隔時(shí)，列車(chē)再生制動(dòng)能量被鄰近列車(chē)吸收的概率幾乎為零。故貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線北段在貴陽(yáng)北站設(shè)置了一套再生制動(dòng)逆變回饋裝置，以充分利用列車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電力能。當(dāng)列車(chē)制動(dòng)且貴陽(yáng)北站的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓升高到再生制動(dòng)逆變回饋裝置預(yù)設(shè)的啟動(dòng)電壓值時(shí)，裝置的核心部件三相逆變器通過(guò)PWM控制模式啟動(dòng)逆變電力電子器件IGBT，使逆變器啟動(dòng)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，再通過(guò)升壓變壓器與35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流網(wǎng)壓的控制，保證列車(chē)的再生制動(dòng)有效。（如圖3）

4 結(jié)語(yǔ)

再生制動(dòng)逆變回饋裝置相較于其他的再生制動(dòng)能量吸收或利用方案優(yōu)點(diǎn)明顯，直接將多余的能量回饋到35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)。但在變流器的控制、逆變電能并網(wǎng)、諧波污染以及設(shè)備的穩(wěn)定性等諸多技術(shù)方面還有待進(jìn)一步提高，這些也是制約再生制動(dòng)逆變回饋裝置在城市軌道交通系統(tǒng)中大力推廣的關(guān)鍵原因。因此，加大對(duì)再生制動(dòng)逆變回饋裝置的技術(shù)攻關(guān)對(duì)于其推廣意義重大。

參考文獻(xiàn)

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