高陽(yáng)

（中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，廣州 510510）

淺析城軌交通列車再生制動(dòng)能量回饋利用裝置

高陽(yáng)

（中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，廣州 510510）

充分發(fā)揮列車再生制動(dòng)能力，對(duì)于減少列車閘瓦磨耗、降低牽引系統(tǒng)能耗具有重要作用。一種中壓型的列車再生制動(dòng)能量回饋利用裝置（簡(jiǎn)稱中壓能饋裝置），集列車制動(dòng)能量回饋、牽引供電、以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)榷喾N功能于一體，不僅具有顯著的節(jié)能效果，還能減小直流網(wǎng)壓波動(dòng)，提高供電品質(zhì)。論文介紹了中壓能饋裝置的功能特點(diǎn)、構(gòu)成原理及應(yīng)用方案，北京地鐵10號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該設(shè)備運(yùn)行可靠、節(jié)能效果顯著。

城市軌道交通；牽引供電；再生制動(dòng)；能量回饋

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國(guó)大中城市交通擁堵和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，對(duì)城市居民的生活質(zhì)量造成了巨大的影響，發(fā)展地鐵、輕軌等城市軌道交通已經(jīng)成為緩解該問(wèn)題的有效措施。城市軌道交通具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的原則。但是伴隨城市軌道交通路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和客運(yùn)量的劇增,城市軌道交通能源消耗總量也在大幅增長(zhǎng)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已經(jīng)批準(zhǔn)建設(shè)城市軌道交通的城市有36個(gè)，估計(jì)到2020年我國(guó)城市軌道交通將新增里程逾3000km，總里程接近6 000km。如何建設(shè)更加節(jié)能的城市軌道交通系統(tǒng)逐漸成為行業(yè)發(fā)展方向。

目前，城市軌道交通的牽引供電主要采用750V或1500V這兩種直流供電制式。整流方式通常采用24脈波二極管整流，輸出電壓不可控、并且能量只能單向流動(dòng)。地鐵車輛再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多余能量（附近車輛不能吸收的部分），若不進(jìn)行有效處理，會(huì)使得牽引網(wǎng)電壓升高，導(dǎo)致列車再生制動(dòng)能力降低甚至消失。而傳統(tǒng)的處理方法是將這部分能量用電阻能耗裝置消耗掉。由于地鐵列車運(yùn)行具有站間運(yùn)行距離短、運(yùn)行速度較高、起動(dòng)及制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，電阻能耗裝置會(huì)浪費(fèi)大量的再生制動(dòng)能量，同時(shí)電阻能耗裝置帶來(lái)隧道溫度升高，加重環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，引起電能的二次消耗。據(jù)測(cè)算，牽引供電用電量在城市軌道交通總用電量中所占比例約50%。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在變電所裝設(shè)一種中壓能饋型的列車再生制動(dòng)能量回饋裝置（下文稱：中壓能饋裝置），其工作在逆變狀態(tài)時(shí)，將列車再生制動(dòng)能量反饋回交流電網(wǎng)再利用，將節(jié)約牽引供電用電量的10%～30%，具有顯著的節(jié)能效果。

此外，該裝置還能為列車提供牽引功率，在一定程度上維持直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)交流中壓交流電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償，提高整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)。

目前日本東芝、德國(guó)西門子等大公司已經(jīng)有類似產(chǎn)品問(wèn)世，但還處于推廣應(yīng)用初期。我國(guó)完全自主研發(fā)的中壓能饋裝置，不僅在功能、性能及技術(shù)指標(biāo)方面處于國(guó)際先進(jìn)水平，而且已經(jīng)取得了不錯(cuò)的應(yīng)用業(yè)績(jī)，在我國(guó)軌道交通大發(fā)展以及節(jié)能減排政策的推動(dòng)下，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 構(gòu)成、原理及應(yīng)用方案

2.1 設(shè)備構(gòu)成及原理

圖1所示為中壓能饋裝置的主要設(shè)備，主要包括：一臺(tái)能饋?zhàn)儔浩鳌⒁粋€(gè)交流低壓開(kāi)關(guān)柜（一個(gè)預(yù)充電接觸器和一個(gè)斷路器為一組）、一臺(tái)大功率的雙向變流器柜。其中，大功率雙向變流器柜是整個(gè)中壓能饋裝置的核心，內(nèi)含兩臺(tái)雙向變流器，且直流輸出可以并聯(lián)或串聯(lián)，分別滿足750V和1500V兩種供電電壓等級(jí)的需要。

圖1 中壓能饋裝置構(gòu)成

圖2所示為雙向變流器（又稱PWM整流器）的主電路圖。在交流電網(wǎng)電壓ea/eb/ec和交流濾波電感L一定的情況下，通過(guò)控制脈寬調(diào)制輸出電壓Ua/Ub/Uc的大小和相位，就可以控制三相交流電流ia/ib/ic的大小和相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率的控制。

圖2 PW M整流器的主電路

圖3為設(shè)備運(yùn)行在整流（功率因數(shù)為1）和逆變（功率因數(shù)為-1）時(shí)相量圖。當(dāng)然，通過(guò)對(duì)Ua的大小和相位的控制，也可以使設(shè)備工作在無(wú)功補(bǔ)償狀態(tài)。

圖3 功率因數(shù)為1或-1時(shí)相量圖

2.2 設(shè)備應(yīng)用方案

圖4為中壓能饋裝置的典型應(yīng)用方案--在既有的24脈波二極管整流機(jī)組的交直流母線上并聯(lián)接入中壓能饋裝置。

圖4 中壓能饋裝置型應(yīng)用方案

該應(yīng)用方案的特點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)列車再生制動(dòng)能量回饋利用的同時(shí)，還可在一定程度上擴(kuò)大變電所牽引供電容量，并減小直流網(wǎng)壓波動(dòng)，因此是當(dāng)前較普遍采用的一種應(yīng)用方案。中壓能饋裝置設(shè)備名稱及代號(hào)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備名稱及代號(hào)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和節(jié)能效果，中壓能饋裝置率先在北京地鐵的10號(hào)線（二期）開(kāi)展了示范性應(yīng)用。

圖5所示為能饋裝置100%負(fù)載逆變運(yùn)行時(shí)10kV側(cè)電流諧波分布圖，表2為各次諧波電流大小。

圖5 饋網(wǎng)電流頻譜圖

圖6 滿載時(shí)10kV網(wǎng)壓頻譜圖

從圖6和表2中的數(shù)據(jù)可以看出，中壓能饋裝置滿載運(yùn)行時(shí)注入10kV電網(wǎng)的電流總諧波畸變率THDI小于2%，且各次諧波含量均未超過(guò)國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GBT 14549—93）的要求。

圖6所示為中壓能饋裝置滿載運(yùn)行時(shí)10kV側(cè)電壓的頻譜圖，表3所示為各次諧波值。

表2 各次諧波電流大小

從圖6和表3中的數(shù)據(jù)可以看出，中壓能饋裝置滿載運(yùn)行時(shí)10kV母線電壓總諧波畸變率0.8%，電壓總諧波畸變率均滿足國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GBT 14549-93）小于4.0%的要求。

圖7所示為北京地鐵10號(hào)線（十里河變電所）中壓能饋裝置投入正式運(yùn)行10個(gè)月的節(jié)能數(shù)據(jù)。其中，單日最高節(jié)電2500W·h，10個(gè)月共累計(jì)回饋電能達(dá)387 506W·h，每日平均回饋電能為1336kW·h。十里河變電所采用中壓能饋裝置10個(gè)月的平均節(jié)能率=387506/3013083×100%=12.86%，節(jié)能效果非常顯著。

表3 滿載時(shí)10kV電壓各次諧波大小

圖7 十里河中壓能饋裝置節(jié)能數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)城市軌道交通列車再生制動(dòng)能量利用問(wèn)題，介紹了一種新型的中壓能饋裝置的構(gòu)成、工作原理和工程應(yīng)用方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析。實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置對(duì)交流電網(wǎng)無(wú)影響，且工作穩(wěn)定，性能可靠，節(jié)能效果顯著，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

【1】韓志偉，張鋼，劉志剛，牟富強(qiáng).中壓能饋型再生制動(dòng)能量利用裝置應(yīng)用效果分析[C].2013年軌道交通電氣與信息技術(shù)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議（EITRT2013）論文集，2013.

【2】張鋼，劉志剛，牟富強(qiáng).雙向變流器在城軌牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2014，27(14)：109-112.

【3】魯玉桐，趙小皓，趙葉輝.再生制動(dòng)能量吸收裝置在北京地鐵中的應(yīng)用[J].都市快軌交通,2014，27(14)：:15-108

【4】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[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2015（1）：5-7.

Analysis of UrbanRail Transit TrainRegenerative Braking Energy FeedbackUtilization Device

GAO Yang
（First Engineering Co.Ltd.of ChinaRailway ElectrificationBureauGroup,Guangzhou 510510，China）

The full play of the braking ability for reduction of train brake shoe wear and reduce the traction energy consumption of the system playsan importantrole.Thetrainofamedium pressuretyperegenerativebrakingenergy feedbackandutilizationdevice(referred toas themedium voltage feedbackdevice),setoftrainbrakingenergy feedback,tractionpowersupply,and reactivepowercompensationandother functionsinone,notonlyhassignificantenergy-savingeffect,itcanalso reduce theDC voltage fluctuation,high powersupplyquality.This paperintroducesthefunctionalcharacteristics,thestructureprincipleandapplicationofthemedium pressureenergy feedingdevice.Thefield testand testdataofBeijingMetro Line10show thattheequipmentisreliableandeffective.

urban railtransit;tractionpowersupply;regenerativebraking;energy feedback

U224.2;U231

B

1007-9467（2016）08-0129-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.034

2016-03-09

高陽(yáng)（1984～），男，四川廣元人，工程師，從事供電系統(tǒng)施工管理研究，（電子信箱）543800337@qq.com。