陳 哲

北京地鐵10號(hào)線中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置

陳 哲

摘 要：介紹北京地鐵10號(hào)線所采用的中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)中壓能饋裝置）的構(gòu)成、原理和應(yīng)用方案。理論分析和運(yùn)行數(shù)據(jù)證明該裝置具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)；電能利用裝置；PWM逆變器

陳 哲：中鐵電氣化局第一工程有限公司，工程師，北京 100070

0　引言

城市軌道交通通常采用電動(dòng)車(chē)組列車(chē)，制動(dòng)方式是以電制動(dòng)（再生制動(dòng)）為主、空氣制動(dòng)（閘瓦制動(dòng)）為輔。

在非高峰時(shí)段，列車(chē)發(fā)車(chē)密度相對(duì)較低時(shí)，相鄰列車(chē)再生制動(dòng)能量相互利用率低。為了限制網(wǎng)壓抬升，保證列車(chē)再生制動(dòng)能力的發(fā)揮，減少列車(chē)閘瓦制動(dòng)帶來(lái)的閘瓦磨耗和粉層污染，傳統(tǒng)的做法是在變電所或車(chē)上裝設(shè)電阻制動(dòng)裝置。但是，電阻制動(dòng)裝置不僅笨重，浪費(fèi)能量，而且其發(fā)熱被釋放到隧道中，還會(huì)導(dǎo)致隧道溫升加劇，進(jìn)而增大環(huán)控設(shè)備耗電量。

圖1　裝置一次系統(tǒng)圖

隨著社會(huì)環(huán)保節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)和科技進(jìn)步，在牽引變電所設(shè)置中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置，減少城市軌道交通的用電量，同時(shí)減少環(huán)境污染，已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1　中壓能饋裝置設(shè)備構(gòu)成

中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置主要包括10 kV開(kāi)關(guān)柜（H）、能饋?zhàn)儔浩?N K B)、能饋低壓柜(NKD)、能饋?zhàn)兞髌鞴?NKS)、直流開(kāi)關(guān)柜(Z)、負(fù)極隔離開(kāi)關(guān)柜(G)六大部分，如圖1所示。

其中，能饋?zhàn)儔浩?、能饋低壓柜、能饋?zhàn)兞髌鞴駷橄到y(tǒng)核心設(shè)備（圖2 ） ，10 kV開(kāi)關(guān)柜、直流1 500 V開(kāi)關(guān)柜、負(fù)極隔離開(kāi)關(guān)柜用作與交直流電網(wǎng)之間接口。

中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置主要設(shè)備功能如下。

(1）能饋?zhàn)儔浩鞑捎幂S向雙分裂變壓器，將10 kV或35 kV交流電壓轉(zhuǎn)換為500 V交流電壓，實(shí)現(xiàn)與變流器交流輸入電壓等級(jí)匹配。同時(shí)，變壓器兩副邊繞組之間實(shí)現(xiàn)相互隔離。

(2）能饋低壓柜內(nèi)含2臺(tái)斷路器及相應(yīng)預(yù)充電電路，斷路器主要用于對(duì)每個(gè)變流器支路實(shí)現(xiàn)過(guò)流及短路保護(hù)。

(3）能饋?zhàn)兞髌鞴袷钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心，內(nèi)含2臺(tái)大功率脈寬調(diào)制（PWM）整流器（又稱(chēng)雙向變流器），每臺(tái)變流器直流輸出750 V，直流側(cè)通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)750 V和1 500 V這2種供電制式的完全兼容；變流器結(jié)構(gòu)采用基于功率組件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，可實(shí)現(xiàn)快速維護(hù)維修，容量大小可根據(jù)需要配置；絕緣柵雙極晶體管（IGBT）采用當(dāng)前最先進(jìn)的大功率智能IGBT功率模塊，確保系統(tǒng)高可靠性、高功率密度以及完善保護(hù)功能；基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與記錄，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及智能故障診斷。

圖2　主要設(shè)備實(shí)物圖

圖3　逆變器主電路原理圖拓?fù)?/p>

圖4　逆變器單相等效電路

圖5　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方案

2　設(shè)備工作原理

中壓能饋型再生制動(dòng)電能利用裝置的核心是大功率的逆變器。逆變器是在脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種功率變換裝置，其主電路構(gòu)成可以看成是1臺(tái)三相逆變器（PWM逆變器）加上1個(gè)交流電感L，如圖3所示。

PWM逆變器采用脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠在其交流側(cè)輸出幅值和相位可控的三相交流電，如圖3中Ua、Ub、Uc。而交流電感 L在逆變器與電網(wǎng)之間起緩沖作用，電源電壓ea、eb、ec與逆變器輸出電壓Ua、Ub、Uc的電壓差降落在電感 L上，并決定交流電流的大小。

圖4所示單相等效電路的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

如上所述，在電網(wǎng)電壓ea和交流電感L一定的情況下，通過(guò)控制Ua大小和相位，就可以控制電流ia大小和相位，進(jìn)而控制逆變器傳輸功率。

交流電流的控制是逆變器控制的核心。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流ia、ib、ic控制，需要控制逆變器輸出電壓Ua、Ub、Uc的幅值和相位。值得注意的是，Ua、Ub、Uc的幅值和相位是相對(duì)于電網(wǎng)電壓ea、eb、ec而言的。為此，必須對(duì)電網(wǎng)電壓ea、eb、ec的幅值和相位進(jìn)行精確檢測(cè)，并作為Ua、Ub、Uc控制參照，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出與電網(wǎng)電壓的同步。

再生制動(dòng)電能利用裝置其他功能的實(shí)現(xiàn)（例如串并聯(lián)控制、外特性控制等）都是以交流電流控制為基礎(chǔ)。

3　系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1應(yīng)用方案

中壓能饋型再生制動(dòng)能量利用裝置在北京地鐵10號(hào)線（二期）十里河和西釣魚(yú)臺(tái)變電所進(jìn)行了示范應(yīng)用。具體應(yīng)用方案如圖5所示，在既有的24脈波整流機(jī)組（2個(gè)12脈波整流機(jī)組并聯(lián)）的交直流母線上接入再生制動(dòng)能量利用裝置。

圖6　十里河變電所中壓能饋裝置3個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)圖

3.2保護(hù)配置

系統(tǒng)相關(guān)保護(hù)分為內(nèi)部保護(hù)和外部保護(hù)兩大類(lèi)。

內(nèi)部保護(hù)為設(shè)置在能饋逆變器裝置內(nèi)部的保護(hù)，其中保護(hù)值可調(diào)的主要有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、溫度等。保護(hù)跳閘需要逆變器柜以外的各開(kāi)關(guān)柜去執(zhí)行。

外部保護(hù)即設(shè)置在逆變柜以外各開(kāi)關(guān)柜上自帶的保護(hù)。其中12 kV開(kāi)關(guān)柜保護(hù)采取既有的保護(hù)設(shè)置，設(shè)電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)；1 500 V開(kāi)關(guān)柜保護(hù)在傳統(tǒng)保護(hù)配置基礎(chǔ)上去掉逆流保護(hù)。能饋低壓柜保護(hù)設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)電流脫扣保護(hù)。

3.3應(yīng)用數(shù)據(jù)

圖6所示為北京地鐵10號(hào)線十里河變電所中壓能饋型再生制動(dòng)能量利用裝置投入運(yùn)行后3個(gè)月回饋電能數(shù)據(jù)。其中，單日最高回饋電能2 470 kW.h，3個(gè)月累計(jì)回饋電能142 443 kW.h，每日平均回饋電能1 675 kW.h。定義節(jié)能率=中壓能饋裝置回饋電能/該變電所輸出總牽引電能×100%，則該裝置3個(gè)月平均節(jié)能率=142 443/762 191×100%≈18.68%，節(jié)能效果非常顯著。

事實(shí)上，中壓能饋型再生制動(dòng)能量利用裝置具備四象限工作能力，其工作在整流工況，可以為列車(chē)提供牽引能量，減小直流電壓波動(dòng)，提高供電品質(zhì)；其工作在無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流中壓環(huán)網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。因此，隨著該設(shè)備技術(shù)的逐漸成熟和批量化生產(chǎn)，將在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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責(zé)任編輯 冒一平

Medium-Voltage Regenerative Braking Energy Utilization Device on Beijing Metro Line 10

Chen Zhe

Abstract:The paper introduces the composition, principle and application program of the medium-voltage regenerative braking power device of on Beijing metro line 10. Theoretical analysis and operating data show that the regenerative braking energy utilization device has a good application prospectives.

Keywords:regenerative braking, electric energy utilization device, PWM inverter

收稿日期2014-07-17

中圖分類(lèi)號(hào)：U231.8