方漢學(xué) 胡桂苓

(1.山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司，272500，濟寧;2.濟寧金水科技有限公司，272000，濟寧∥第一作者，高級工程師)

1 應(yīng)用背景

城市軌道交通列車運行速度快，起動、制動頻繁，且制動時會產(chǎn)生大量的能量。目前，制動方式主要可以分為2 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?xí)r產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面;摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴(yán)重的污染。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。目前大部分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(dǎo)致溫度升高，因此需要增加相應(yīng)的通風(fēng)裝置，即同時增加相應(yīng)的電能消耗。

電制動的另一種方式是逆變吸收方式，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。

2 再生制動能量吸收逆變裝置

城市軌道交通一般1～2 km 就需要設(shè)置一個牽引變電所，每個牽引變電所都需要配備再生制動能量吸收設(shè)備。

再生制動能量吸收逆變裝置為逆變回饋型，就是將車輛制動所產(chǎn)生的能量經(jīng)過逆變裝置回饋到電網(wǎng)。逆變裝置實時檢測直流側(cè)電壓，當(dāng)直流側(cè)電壓高于一定值時，自動觸發(fā)逆變裝置投入工作。

2.1 系統(tǒng)組成

再生制動能量吸收逆變系統(tǒng)組成框圖如圖1所示?，F(xiàn)在大部分城市軌道交通牽引所都是35 kV 或10 kV 電網(wǎng)，經(jīng)過牽引整流變壓器，再進(jìn)行12 脈波整流輸出直流1 500 V 或750 V 給機車供電。

再生制動能量吸收裝置是并聯(lián)在1 500 V 或750 V 直流系統(tǒng)中，經(jīng)過逆變裝置變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35 kV、10 kV 或400 V)。

2.2 逆變主電路設(shè)計

目前城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓一般有2個電壓等級即直流750 V 和1 500 V。通常采用常規(guī)功率器件IGBTI(絕緣柵雙極晶體管)的電壓等級為1 700 V、1 200 V，其封裝形式一樣，便于產(chǎn)品化實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓?fù)?，可以保證1 500 V 電壓等級非常方便實現(xiàn)，并且電壓余量大，更可以保證系統(tǒng)可靠運行。

圖1 再生制動能量吸收逆變系統(tǒng)組成框圖

逆變單元主電路原理圖如圖2所示，逆變輸出電壓波形、輸出電流波形分別如圖3、圖4所示。

圖2 逆變單元主電路原理圖

圖3 逆變單元輸出線電壓波形

主電路采用三電平電路拓?fù)?，其主要?yōu)點是:每個主功率器件關(guān)斷時承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，功率器件電壓余量大，保證系統(tǒng)可靠工作，并延長器件使用壽命;輸出波形諧波小，保證電網(wǎng)質(zhì)量;相同電壓情況下du/dt 小，電磁干擾小;相同開關(guān)頻率的情況下，開關(guān)損耗比兩電平電路的開關(guān)損耗小，系統(tǒng)溫升低，可提高系統(tǒng)效率并延長器件使用壽命。

圖4 逆變單元輸出電流波形

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

逆變單元采用電流閉環(huán)控制，能夠保證輸出電流波形質(zhì)量;逆變單元輸出呈現(xiàn)電流源特性，能夠很好適合單元并聯(lián)以達(dá)到容量擴展。

下面就一個單元作簡單理論分析。忽略調(diào)制過程引進(jìn)的非線性，忽略高次諧波，則每個單元可簡化成一個線性放大系統(tǒng)。其控制框圖如圖5所示。

圖5 控制框圖

K1為放大器增益，K2為逆變器增益。逆變器內(nèi)阻和電抗器阻抗近似表示為Z(s)=R +Ls。單元內(nèi)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

當(dāng) βK1K2＞＞1，忽略內(nèi)阻，低頻段增益為:

閉環(huán)后逆變單元內(nèi)阻為:

式中:

s——拉氏變換量;

β——反饋系數(shù);

R——逆變器和電抗器內(nèi)阻之和;

L——電感量;

IO——輸出電流;

Vi——輸入指令電流信號。

電流閉環(huán)后，單元內(nèi)阻大大增大，可近似為電流源。

逆變裝置為得到大功率輸出可采用多個逆變單元并聯(lián)，每個單元獨立控制，具有冗余工作的特點，即使單元出現(xiàn)保護(hù)，其余逆變單元可以正常工作，進(jìn)一步提高裝置運行的可靠性。而且每個逆變單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，這使得調(diào)試、維修非常方便。

2.4 系統(tǒng)保護(hù)功能

逆變單元設(shè)置有過壓、偏壓、過流、短路、超溫保護(hù)功能，當(dāng)某一逆變單元故障時，整機仍可以降額運行，不影響整機正常工作，同時把單元的工作狀態(tài)傳給上位機。

逆變裝置系統(tǒng)設(shè)置有電網(wǎng)過壓、欠壓、直流母線過壓、欠壓保護(hù)功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

目前重慶地鐵1號線、3號線、6號線截止2013年12月共有46 臺設(shè)備。重慶地鐵某站現(xiàn)場設(shè)備照片如圖6所示。北京地鐵6號線、7號線、9號線、10號線、14號線截止2013年12月共有 45 臺。

圖6 重慶地鐵某站現(xiàn)場設(shè)備

國內(nèi)地鐵第一次正式使用再生制動能量吸收逆變裝置是重慶地鐵1號線，填補了國內(nèi)空白。重慶地鐵其牽引供電采用直流1 500 V 電壓等級，制動能量逆變回饋到400 V 配電網(wǎng)，受配電網(wǎng)容量限制，再生制動能量吸收逆變裝置在(1號線、6號線)正常運行容量設(shè)置約為700 kW。隨后北京地鐵9號線開始使用該裝置，9號線其牽引供電采用直流750 V 電壓等級，制動能量逆變回饋到400 V 配電網(wǎng)，受配電網(wǎng)容量限制，再生制動能量吸收逆變裝置在(9號線)正常運行容量設(shè)置約為650 kW。

3.2 現(xiàn)場節(jié)能情況

根據(jù)現(xiàn)場電度表記錄數(shù)據(jù)顯示，重慶地鐵1號線和6號線地鐵站逆變裝置運行容量約700 kW，1號線沙坪壩站、歇臺子站、七星崗站在2013年1月份和3月份日均節(jié)電情況如表1所示。6號線紅土地站、紅旗河溝站、大龍山站在2013年8月份日均節(jié)電情況如表2所示。北京地鐵9號線地鐵站逆變裝置運行容量約650 kW，郭公莊站、豐臺東大街站、白石橋南站2013年3月份日均節(jié)電情況如表3所示。

表1 重慶地鐵1號線日均節(jié)電情況 kWh

表2 重慶地鐵6號線日均節(jié)電情況 kWh

表3 北京地鐵9號線日均節(jié)電情況 kWh

若參考工業(yè)用電1.00 元/kWh，以日均1 000 kWh 來計算每月節(jié)約電費3 萬元，一年可節(jié)省36 萬元;若是采用電阻吸收消耗，除消耗電費36 萬kWh外，還需增加額外通風(fēng)設(shè)施來散熱。

4 關(guān)于現(xiàn)場應(yīng)用相關(guān)問題討論

目前再生制動能量吸收逆變裝置，雖然現(xiàn)場已有百臺設(shè)備應(yīng)用，節(jié)能效果得到認(rèn)可和好評，但對于用戶來說還是新產(chǎn)品，因此對此裝置的幾個應(yīng)用問題提出來討論，以便更好地了解此裝置。

4.1 關(guān)于再生制動能量吸收裝置節(jié)能問題

再生制動能量吸收裝置節(jié)能效果是用戶和生產(chǎn)廠家最為關(guān)心的問題，直接關(guān)系到此產(chǎn)品是否滿足用戶需求，是否有應(yīng)用前景。

逆變器(不包括隔離變壓器)轉(zhuǎn)換效率一般達(dá)到98%左右。現(xiàn)場節(jié)能效率與逆變器本身關(guān)系不大，影響現(xiàn)場節(jié)能效率的關(guān)鍵是逆變器的容量?，F(xiàn)場根據(jù)制動能量數(shù)據(jù)選擇合適的逆變器容量是很重要的逆變器的容量是直接體現(xiàn)逆變器利用率的關(guān)鍵指標(biāo)，逆變器的利用率也是影響系統(tǒng)節(jié)能的重要因素。

4.2 關(guān)于再生制動能量吸收回饋電網(wǎng)問題

再生制動能量吸收回饋到400 V 電網(wǎng)，還是10 kV 或35 kV 電網(wǎng)，到底回饋到哪種電網(wǎng)合適，需要綜合判斷。

針對目前地鐵應(yīng)用，逆變器主要有2 個直流電壓等級1 500 V、750 V，分別對應(yīng)逆變器交流輸出1 000 V、500 V，現(xiàn)場需要回饋到哪個電網(wǎng)，僅僅是逆變器輸出配置的隔離變壓器的規(guī)格不一樣，可以是1 000 V(500 V)/400 V、1 000 V(500 V)/10 kV、1 000 V(500 V)/35 kV 等不同型號的變壓器，逆變器的各種性能、參數(shù)指標(biāo)完全一樣。

400 V 配電網(wǎng)相比中壓網(wǎng)容量要小，用戶可能會認(rèn)為回饋低壓電網(wǎng)不能完全吸收制動能量，根據(jù)各城市地鐵用電數(shù)據(jù)來看，牽引供電占到50%～57%，照明、通風(fēng)等供電占到43%～50%，若按照配電網(wǎng)用電情況，只要選擇合適的逆變器容量完全可以回饋到配電網(wǎng)，即制動產(chǎn)生的能量可完全用于除牽引外的用電設(shè)備。

回饋到400 V 電網(wǎng)與中壓網(wǎng)相比的優(yōu)點:一是運行可靠性方面，若逆變器異常，不會影響到牽引網(wǎng)和車輛運行;二是400 V 隔離變壓器和400 V 開關(guān)柜相對價格便宜，體積小。

回饋10 kV 或35 kV 中壓網(wǎng)方式的優(yōu)點:因中壓電網(wǎng)相對400 V 配電網(wǎng)容量大，所以逆變器可選容量范圍大;若選擇同容量的逆變器，逆變器對中壓網(wǎng)的沖擊和干擾相對低壓網(wǎng)會小(通常中壓網(wǎng)容量相對大)。

結(jié)合以上特點，用戶可以根據(jù)實際情況來選擇合適的并網(wǎng)方式。

4.3 關(guān)于吸收方式

不論是車輛配車載電阻還是站內(nèi)配電阻，站內(nèi)再增加逆變吸收方式，均可認(rèn)為是混合吸收方式。

電阻加逆變混合吸收方式的工作方式是:車輛制動時檢測到直流母線電壓到一定值時，逆變優(yōu)先吸收，若測到直流母線電壓繼續(xù)升高到另一定值時，電阻才開始吸收;同樣若車輛上帶有車載電阻，其工作方式與上述一樣。

從運行可靠性上來說，帶有電阻的吸收方式更為可靠，逆變吸收為主，電阻吸收為輔。從成本上來說，可以選擇合適的逆變器容量，也可以讓逆變器的利用率最大化。

綜合運行可靠性及成本考慮來說，混合吸收方式不失為一種優(yōu)選方案。

4.4 逆變吸收容量選擇

如何選擇合適的逆變吸收容量，也是決定系統(tǒng)節(jié)能效果的重要方面。

對于并網(wǎng)型的逆變器來說，逆變器輸出呈現(xiàn)電流源特性，很容易實現(xiàn)容量的擴展。理論上逆變?nèi)萘堪醋畲蟮闹苿幽芰縼磉x擇，吸收利用率越大，但相應(yīng)成本也會越高。

針對已經(jīng)運營的老線，如果有電阻吸收的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就可以很好地選擇逆變吸收容量。根據(jù)每天、每月電阻吸收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，制動產(chǎn)生能量大小及出現(xiàn)頻次，來判斷需要吸收利用的能量大小，從而確定逆變吸收容量。選擇時保證大部分的制動能量能夠吸收利用，又保證逆變器利用率最大化。

對于生產(chǎn)廠家來說，提供高可靠性的產(chǎn)品是其不懈努力的方向;對于用戶來說，選擇性價比高的產(chǎn)品也是其不斷追求的目標(biāo)。

5 結(jié)語

本文對再生制動能量吸收逆變系統(tǒng)的設(shè)計、現(xiàn)場應(yīng)用節(jié)能效果以及應(yīng)用相關(guān)問題進(jìn)行分析。該裝置目前在重慶地鐵、北京地鐵已運行近百臺，根據(jù)現(xiàn)場的節(jié)電情況表明，節(jié)能效果明顯，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益，并且該產(chǎn)品填補了國內(nèi)空白。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，再生制動能量逆變吸收方式會被越來越多的用戶接受和認(rèn)可，該產(chǎn)品也會在城市軌道交通行業(yè)普遍應(yīng)用。

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