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        再生制動能量吸收逆變系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

        2015-06-28 11:41:32方漢學(xué)胡桂苓
        城市軌道交通研究 2015年2期
        關(guān)鍵詞:號線直流容量

        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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