馮艷艷 孫才勤

(1.廣州市地下鐵道總公司,510380,廣州;2.中鐵電氣化勘測設(shè)計院有限公司,510400,廣州∥第一作者,助理工程師)

城市軌道交通混合逆變裝置的應(yīng)用

馮艷艷1孫才勤2

(1.廣州市地下鐵道總公司,510380,廣州;2.中鐵電氣化勘測設(shè)計院有限公司,510400,廣州∥第一作者,助理工程師)

城市軌道交通的運行列車制動時會產(chǎn)生電能。再生電能的處理有電容儲能或飛輪儲能、逆變回饋法、混合逆變法等幾種方案。根據(jù)我國的工業(yè)水平,提出了能夠盡量利用再生電能的混合逆變方案。對混合逆變的原理和構(gòu)成作了詳細(xì)的介紹。

再生制動;能量利用;混合逆變裝置

First-author's addressGuangzhou Metro Corporation,510380,Guanzhou,China

1 再生制動能量的產(chǎn)生

城市軌道交通列車普遍采用直-交變壓變頻的傳動方式和再生制動方式。當(dāng)列車在進(jìn)站或坡道上制動時,其電動機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機,產(chǎn)生大量再生電能。這些電能通過列車變頻傳動裝置回饋到直流電網(wǎng)。軌道交通整流設(shè)備采用的是二極管整流器,只能向直流電網(wǎng)單向供電,整流器的反向阻斷作用使能量不能返回到上級電網(wǎng),只能滯留于直流電網(wǎng)中。因此,當(dāng)列車制動時,再生制動能量向直流電網(wǎng)充電,如果沒有其他列車吸收,將會使直流電網(wǎng)電壓升高。

2 再生制動能量的處理

傳統(tǒng)的處理方法是:在電網(wǎng)上的再生制動能量不能完全被吸收時,列車啟動自身攜帶的電阻吸收裝置,由吸收電阻將大部分能量以發(fā)熱的方式消耗掉。這樣,絕大部分制動能量將被車輛制動電阻所吸收,電網(wǎng)電壓得到穩(wěn)定。但是,車輛自帶制動電阻有很多弊端。

再生制動能量處理的新型方法是:將列車制動電阻移到牽引變電所,在直流母線上設(shè)置再生制動能量吸收裝置,并且將發(fā)熱電阻設(shè)置在地面;當(dāng)列車產(chǎn)生的再生制動能量不能完全被其它車輛吸收時,牽引變電所直流母線上的再生制動能量吸收裝置立即投入工作,吸收多余的再生電流。這樣,使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定,以最大限度地發(fā)揮電制動性能,同時實現(xiàn)了將再生電能引出隧道處理的目的,避免了隧道內(nèi)和地下車站內(nèi)熱量積累。

3 再生制動能量的利用

3.1 電容儲能或飛輪儲能

這兩種方法主要采用逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機中儲存起來。當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動或加速需要取流時,該類裝置將所儲存的電能釋放到直流母線供列車使用。

3.2 逆變回饋法

該方法主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率三相逆變器;逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的直流母線相連,交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上;當(dāng)再生制動使直流母線電壓超過規(guī)定值時,逆變器啟動并從直流母線吸收電流,將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。

3.3 混合逆變法

根據(jù)目前國內(nèi)城市軌道交通的普遍技術(shù)條件,采用電阻加逆變混合吸收模式的設(shè)備,是既可靠又能最大程度實現(xiàn)節(jié)能的方案。它將再生能量逆變成400 V三相交流電能回饋至400 V配電系統(tǒng),實現(xiàn)電能再利用;同時考慮到400 V配電系統(tǒng)的容量,在再生能量較大、超過一定安全容量的情況下,利用電阻吸收超出的那部分能量,確保車輛制動的安全穩(wěn)定和400 V配電系統(tǒng)的安全。

4 混合逆變系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

混合逆變包括吸收電阻和逆變兩大部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

制動能量電阻加逆變混合吸收裝置直接接于1500 V直流母線上。當(dāng)車輛再生電制動且制動能量不能被其它車輛或其它用電設(shè)備吸收時,裝置啟動,吸收系統(tǒng)中多余的再生能量。

當(dāng)再生能量不大于逆變器設(shè)定的吸收功率時,再生能量完全由逆變器吸收。當(dāng)再生能量大于逆變器設(shè)定的吸收功率時,啟動電阻部分,吸收逆變器不能吸收的那部分能量;直到系統(tǒng)中再生能量下降至逆變器吸收范圍內(nèi)時,關(guān)閉電阻部分,完全由逆變部分吸收再生能量。當(dāng)系統(tǒng)中制動能量下降至低于設(shè)定值時,裝置停止吸收電流。

混合逆變裝置的逆變部分將制動再生能量逆變?yōu)榕c400 V電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電送回400 V電網(wǎng),供400 V配電系統(tǒng)設(shè)備使用。電阻部分吸收的能量轉(zhuǎn)變成熱量散發(fā)。

混合逆變裝置根據(jù)再生能量的大小自動調(diào)節(jié)吸收電流的大小,維持線網(wǎng)電壓恒定。當(dāng)車輛處于起動、加速、惰行、停站,或線網(wǎng)無車輛運行時,裝置不投入工作。

圖1 混合逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 逆變部分

逆變吸收裝置的控制系統(tǒng)為電壓環(huán)與電流環(huán)的雙閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)由母線給定、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制(PWM)信號生成、逆變單元、相電流檢測電路、同步信號生成及母線電壓采集電路等組成。

控制系統(tǒng)實時檢測母線電壓值,當(dāng)母線電壓值高于某一設(shè)定值時裝置投入工作。母線檢測值與母線設(shè)定值的差值輸入電壓調(diào)節(jié)器,進(jìn)行一定的控制運算;電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的給定信號,其值與檢測到的輸出電流相減,再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器控制運算。電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出直接送給PWM信號生成部分,其生成的PWM波送給逆變單元。

逆變系統(tǒng)在輸出側(cè)(電網(wǎng)側(cè))取得實際電流信號,與系統(tǒng)給定的電流信號相減,其電流差值作為整個系統(tǒng)的調(diào)制信號,從而使系統(tǒng)形成電流閉環(huán)控制。系統(tǒng)對外呈現(xiàn)電流源特性,送入電網(wǎng)的是電流。

為了逆變器與電網(wǎng)的安全,同時匹配逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓,在逆變器輸出側(cè)與400 V配電系統(tǒng)之間設(shè)置一變壓器,兼作隔離和變壓作用。

4.3 吸收電阻部分

電阻部分采用斬波器和吸收電阻配合,根據(jù)再生制動時線網(wǎng)電壓的變化狀況調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比,從而改變吸收功率,將線網(wǎng)電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)。吸收電阻將吸收的電能轉(zhuǎn)換為熱能散發(fā)到空氣中,實現(xiàn)制動能量的吸收和消耗。

正常情況下,電阻部分只能在人工設(shè)定的功率范圍之上工作,以保證制動能量最大程度地被逆變器吸收;在逆變器故障的情況下,電阻部分能自動增大吸收功率的范圍,最大程度地維持線網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

4.4 系統(tǒng)保護(hù)功能要求

除本裝置所在的直流饋線開關(guān)柜設(shè)有大電流脫扣保護(hù)、低電壓閉鎖過電流保護(hù)之外,裝置內(nèi)部還應(yīng)具有過壓、過流、過載、過熱、短路、接地、欠壓等保護(hù)。

直流側(cè)過電壓包括雷擊過電壓、操作過電壓和來自地鐵車輛上的過電壓。當(dāng)網(wǎng)壓超過DC 1900 V時,封鎖斬波器驅(qū)動脈沖,向綜合自動化系統(tǒng)發(fā)出報警信號;當(dāng)網(wǎng)壓超過DC 2000 V時,設(shè)備停止工作,給出過壓信號,斷開接觸器及相應(yīng)直流饋線的快速斷路器。

在斬波器預(yù)測溫度最高的元件散熱器或銅母排上設(shè)置溫度傳感器元件,用于監(jiān)視元件散熱器或銅母排的溫度。當(dāng)出現(xiàn)過載過熱時,設(shè)備應(yīng)降功率運行;如果故障仍未消除,應(yīng)封鎖斬波器;如果故障循環(huán)多次仍不能消除,則斷開接觸器,發(fā)出過載或某部位過熱報警信號。

短路保護(hù)分為斬波器前短路保護(hù)和斬波器后短路保護(hù)。發(fā)生斬波器前、后的短路故障,均由相應(yīng)直流饋線保護(hù)跳開饋線快速斷路器,切除故障。當(dāng)短路點發(fā)生在斬波器之后,設(shè)備首先關(guān)斷斬波器,同時向直流饋線開關(guān)柜發(fā)出相應(yīng)支路短路保護(hù)跳閘信號;如短路點發(fā)生在斬波器之前,則由直流開關(guān)柜內(nèi)的斷路器本體大電流脫扣保護(hù)或饋線保護(hù)動作跳閘,跳開饋線快速斷路器,切除故障。當(dāng)斬波器內(nèi)部發(fā)生過流、短路、接地故障時,裝置內(nèi)保護(hù)應(yīng)迅速向?qū)?yīng)直流斷路器發(fā)出故障跳閘信號。

以上故障必須經(jīng)人工判斷處理后,設(shè)備才能再投入工作。

當(dāng)牽引網(wǎng)壓低于設(shè)備工作電壓時,設(shè)備中各相斬波器自動關(guān)斷,發(fā)出網(wǎng)壓欠壓信號;當(dāng)牽引網(wǎng)壓恢復(fù)后,設(shè)備自動投入工作。

設(shè)備應(yīng)具有對控制電源的監(jiān)視功能,當(dāng)直流控制電源發(fā)生故障時,應(yīng)迅速切斷接觸器,發(fā)出故障報警信號。

5 結(jié)語

本文描述的是在現(xiàn)有條件下對車輛再生制動產(chǎn)生的電能的最佳利用方案。但該方案還是通過電阻消耗了一部分電能,沒有完全將再生制動能量利用起來。建議在技術(shù)發(fā)展成熟后采用更好的純逆變方法,將車輛制動時產(chǎn)生的電能完全利用起來,以最大限度地達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

[1]陳國呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2008.

Application of Hybrid Inverter Equipment in Urban Rail Transit

Feng Yanyan,Sun Caiqin

Urban rail transit trains will produce electricity when take braking,there are several treatment programs for renewable energy,such as flywheen return,hybrid inverter etc.According to China's industrial level,the article describes how to make full use of the renewable energy,then introduces the hybrid inverter program and its composition of working principles in detail.

regenerative brake;renewable energy;hybrid inverter equipment

U 260.35

2009-12-23)