葉 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

基于地鐵列車(chē)制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng)

葉 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

地鐵列車(chē)制動(dòng)能量回饋裝置雖然回饋電能可觀,而且減少電阻消耗以改善地鐵通道熱環(huán)境,但是也帶來(lái)了能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)的隱患。而且，城市軌道交通供電系統(tǒng)還具有夜間停運(yùn)期間負(fù)荷低時(shí)功率因數(shù)偏低的特點(diǎn)。針對(duì)上述特點(diǎn)提出基于地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng)。充分利用地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的有功和無(wú)功獨(dú)立可控的控制原理,通過(guò)能量管理系統(tǒng)對(duì)主變電所的檢測(cè)、判斷、計(jì)算，以及對(duì)地鐵制動(dòng)能量回饋裝置下達(dá)命令,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的有功和無(wú)功能量管理,不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償,也可實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵制動(dòng)回饋能量裝置回饋能量時(shí)能量逆流的控制。

地鐵列車(chē); 制動(dòng)能量回饋裝置; 能量管理

由于地鐵站間距短,列車(chē)起動(dòng)、制動(dòng)頻繁,再生制動(dòng)能量非常可觀。國(guó)內(nèi)外目前多利用能量回饋?zhàn)兞髌鲗⒍嘤嘀苿?dòng)能量以逆變回饋的方式回饋至交流電網(wǎng),供全線列車(chē)及車(chē)站負(fù)荷使用,以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的最大程度節(jié)約利用[1]。

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置饋送至35 kV中壓環(huán)網(wǎng)的再生制動(dòng)能量,一般會(huì)被臨近牽引的動(dòng)車(chē)及站點(diǎn)內(nèi)部照明空調(diào)等用電耗掉。在站點(diǎn)內(nèi)部耗電量小、鄰近動(dòng)車(chē)較遠(yuǎn)、距離地鐵供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的連接處較近等情況下,地鐵逆變回饋裝置所回饋的電能可能會(huì)逆流至110 kV側(cè)高壓網(wǎng)絡(luò),從而對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行造成影響[1-3]。

我國(guó)地鐵主要采用集中供電方式。首先，通過(guò)主變電所將城市電力系統(tǒng)的高壓電源(一般110 kV)降壓為地鐵系統(tǒng)中使用的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓(一般35 kV)；然后，再通過(guò)中壓網(wǎng)絡(luò)送至各個(gè)牽引變電所和降壓變電所(如圖1所示)。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)示意圖

由于地鐵供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)電纜較長(zhǎng),對(duì)地電容大,故會(huì)產(chǎn)生大量的容性無(wú)功。在地鐵運(yùn)營(yíng)初期尤其是在正式運(yùn)營(yíng)后的夜間地鐵停運(yùn)時(shí),由于地鐵用電負(fù)荷低,電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部平衡,故功率因數(shù)不符合要求,進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)功功率倒送,地鐵運(yùn)營(yíng)企業(yè)會(huì)由此受到電力部門(mén)的違約罰款[2，4-5]。

為了解決地鐵供電系統(tǒng)由于用電負(fù)荷變化導(dǎo)致的功率因數(shù)低的問(wèn)題,以及地鐵逆變回饋裝置帶來(lái)的回饋電能逆流至110 kV側(cè)問(wèn)題,本文提出了一種基于地鐵逆變回饋裝置的能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的有功和無(wú)功獨(dú)立可控的控制原理,不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變回饋裝置能量回饋時(shí)能量逆流至110 kV電網(wǎng)的控制。

1 地鐵制動(dòng)能量回饋裝置

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置應(yīng)用于地鐵直流供電系統(tǒng)中,取代傳統(tǒng)的能耗電阻吸收裝置,將制動(dòng)能量逆變至交流電網(wǎng)。當(dāng)?shù)罔F列車(chē)制動(dòng)時(shí),逆變回饋裝置快速將列車(chē)制動(dòng)能量回饋至中壓35 kV交流電網(wǎng)；同時(shí)，穩(wěn)定直流接觸網(wǎng)電壓,確保地鐵列車(chē)安全可靠運(yùn)行。地鐵制動(dòng)能量回饋裝置系統(tǒng)接入示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵制動(dòng)能量回饋裝置系統(tǒng)接入示意圖

1.1 工作原理

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置在不同階段的工作原理及狀態(tài)切換情況也不同。

1.1.1 從待機(jī)到回饋

當(dāng)列車(chē)進(jìn)站,開(kāi)始制動(dòng)減速時(shí),由于列車(chē)采用電制動(dòng),其電動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī),將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,并將制動(dòng)的電能回饋至直流接觸網(wǎng)。與此同時(shí),直流接觸網(wǎng)電壓會(huì)上升。

地鐵逆變回饋裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷直流接觸網(wǎng)電壓。當(dāng)直流接觸網(wǎng)電壓超過(guò)地鐵逆變回饋裝置的回饋閾值時(shí),地鐵逆變回饋裝置打開(kāi)PWM(脈寬調(diào)制)整流器脈沖,開(kāi)始控制功率器件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)工作,并通過(guò)快速調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流,將直流側(cè)由地鐵列車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量快速回饋到交流電網(wǎng)中；同時(shí)，穩(wěn)定直流母線電壓,以確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.1.2 從回饋到待機(jī)

地鐵列車(chē)制動(dòng)進(jìn)站過(guò)程中，隨著列車(chē)制動(dòng)減速直至停車(chē),其回饋至直流接觸網(wǎng)的能量也逐漸減小至零。

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置可實(shí)時(shí)判斷回饋電流。當(dāng)回饋電流逐漸減小至待機(jī)電流閾值時(shí),地鐵逆變回饋裝置立即退出運(yùn)行,封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖,隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。地鐵牽引所需能量完全由牽引整流器提供。

1.2 裝置的控制原理

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為電壓型PWM整流器(如圖3所示)。PWM整流器是1個(gè)其交流側(cè)與直流側(cè)均可控的四象限運(yùn)行變流裝置。PWM變流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖4所示。

注:Udc——直流電壓；C——直流母線電容

圖3 電壓型PWM整流器

通過(guò)PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)壓矢量關(guān)系圖可以看出,通過(guò)改變交流電流與交流電網(wǎng)電壓相位的夾角可以得到變流器不同的運(yùn)行模式。其中,圖4a)是純電感特性運(yùn)行;圖4b)是單位功率因數(shù)整流運(yùn)行,此時(shí)電流方向與電網(wǎng)電壓矢量方向一致;圖4c)是純電容特性運(yùn)行;圖4d)單位功率逆變器運(yùn)行,此時(shí)電流方向與電網(wǎng)電壓矢量方向相反。因此,要實(shí)現(xiàn)PWM變流器的四象限運(yùn)行,關(guān)鍵在于對(duì)交流電流的控制[4]。

注:E——交流電網(wǎng)電動(dòng)勁勢(shì)；Vl——交流側(cè)電感電壓；V——交流側(cè)電壓;I——交流側(cè)電流圖4 PWM變流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制方案,易于實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的獨(dú)立控制。有功無(wú)功獨(dú)立可控的控制策略,既可滿足白天實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的逆變回饋要求,也可滿足根據(jù)地鐵供電需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅欢?，通過(guò)對(duì)有功的控制還可防止回饋能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)。地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)的穩(wěn)壓控制。將實(shí)時(shí)采樣的直流電壓Udc與給定閾值電壓Udc，0的差值作為PI(比例積分)調(diào)節(jié)器的輸入,并將PI調(diào)節(jié)器的輸出對(duì)應(yīng)有功功率d軸給定電流id,0。通過(guò)調(diào)節(jié)變流器可將有功功率傳送到交流電網(wǎng),使直流接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定為給定的參考電壓。

內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標(biāo)系下,采用2個(gè)PI調(diào)節(jié)器對(duì)變流器輸出電流的d、q軸分量進(jìn)行解耦控制。q軸給定電流iq，0設(shè)置為0,則變流器輸出功率因數(shù)為1。也可根據(jù)需要對(duì)iq,0進(jìn)行設(shè)置,以向交流電網(wǎng)輸出感性或容性無(wú)功。通過(guò)對(duì)id，0的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功能量的控制,從而實(shí)現(xiàn)防止回饋能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)。

2 能量管理系統(tǒng)

根據(jù)地鐵制動(dòng)能量回饋裝置有功和無(wú)功獨(dú)立可控的控制原理,可通過(guò)對(duì)變流器的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的能量管理。

基于地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷主變電所的有功方向及功率因數(shù)情況,還可分析監(jiān)測(cè)結(jié)果并通過(guò)光纖下發(fā)對(duì)各個(gè)站內(nèi)的地鐵逆變回饋裝置的命令,從而進(jìn)行功率調(diào)度?；诘罔F制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.1 有功調(diào)度管理

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置以逆變回饋并網(wǎng)的方式將地鐵列車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的電能回饋至地鐵供電系統(tǒng)的35kV中壓環(huán)網(wǎng)。這部分能量一般會(huì)被臨近牽引的列車(chē)及站點(diǎn)內(nèi)部照明空調(diào)等耗用,但也可能會(huì)導(dǎo)致回饋裝置所回饋的能量逆流到110 kV側(cè)高壓網(wǎng)絡(luò),從而對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行造成影響。

基于地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),可通過(guò)對(duì)主變電所的實(shí)時(shí)檢測(cè)及判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回饋裝置的有功調(diào)度管理,即防止地鐵供電系統(tǒng)的逆流控制。

地鐵回饋裝置的防逆流方法如下:

(1) 在整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)的主變電所,設(shè)置有功無(wú)功監(jiān)測(cè)裝置,且該檢測(cè)裝置與能量管理系統(tǒng)采用光纖連接。

(2) 有功無(wú)功檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的有功電流方向,并實(shí)時(shí)將逆流信息上傳給能量管理系統(tǒng)。

(3) 能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收并判斷檢測(cè)裝置發(fā)送的信息,如果有逆流發(fā)生,則將逆流信號(hào)通過(guò)光纖下發(fā)至每個(gè)地鐵逆變回饋裝置。

(4) 正在回饋運(yùn)行的回饋裝置接收到逆流信號(hào)后,按照一定的步長(zhǎng)Δ遞減輸出有功,直至使得逆流信號(hào)快速消失,并且維持當(dāng)前的功率作為功率限幅輸出,并持續(xù)一定的時(shí)間后,再逐漸增大功率限幅值。其中,地鐵逆變回饋裝置的防逆流處理流程圖如圖7所示。

2.2 無(wú)功調(diào)度管理

地鐵供電系統(tǒng)主要是35 kV中壓環(huán)網(wǎng)，為地鐵列車(chē)牽引、列車(chē)內(nèi)部空調(diào)照明、站內(nèi)空調(diào)照明等供電。地鐵正常運(yùn)行后,白天由于地鐵列車(chē)運(yùn)行、列車(chē)內(nèi)空調(diào)照明、站內(nèi)空調(diào)照明等有功負(fù)載較大,故其功率因數(shù)高;而夜間由于地鐵列車(chē)停運(yùn)，列車(chē)內(nèi)空調(diào)照明關(guān)閉，站內(nèi)空調(diào)照明關(guān)閉等,有功負(fù)載大大減小,故供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低。

注：SCADA系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)

圖6 地鐵制動(dòng)能量回饋裝置能量管理系統(tǒng)

圖7 地鐵逆變回饋裝置防逆流處理流程圖

鄭州地鐵1號(hào)線自2013年12月28日正式運(yùn)營(yíng)開(kāi)始,其供電系統(tǒng)功率因數(shù)一直較低(見(jiàn)表1),尤其是晚上。主要是表現(xiàn)為容性無(wú)功較大。例如2014年3月份的供電系統(tǒng)功率因數(shù)為0.66,離標(biāo)準(zhǔn)值0.85相差較遠(yuǎn)。

表1 鄭州地鐵1號(hào)線2014年3-5月功率因數(shù)情況

基于地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),可通過(guò)對(duì)主變電所的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵回饋系統(tǒng)的無(wú)功調(diào)度管理,提高地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

無(wú)功調(diào)度具體方法如下:

(1) 通過(guò)地鐵供電主變電所的檢測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵供電系統(tǒng)的有功無(wú)功情況,并通過(guò)光纖傳輸給能量管理系統(tǒng)。

(2) 能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收并判斷檢測(cè)裝置發(fā)送的無(wú)功和有功情況,同時(shí)，根據(jù)所有回饋裝置的數(shù)量來(lái)計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，并下發(fā)指令至每臺(tái)回饋裝置(可按每min計(jì)算);

(3) 回饋裝置接收到無(wú)功補(bǔ)償命令后,根據(jù)調(diào)度指令對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償;

(4) 無(wú)功補(bǔ)償開(kāi)始后,變流器控制中的有功電流指令I(lǐng)dr仍根據(jù)實(shí)際情況(回饋運(yùn)行或是系統(tǒng)待機(jī))計(jì)算得到,無(wú)功電流指令I(lǐng)qr則按照接收到的無(wú)功功率計(jì)算得到。

基于地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的無(wú)功調(diào)度管理,在鄭州地鐵1號(hào)線進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的無(wú)功調(diào)度,使其輸出無(wú)功功率對(duì)地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

圖8為地鐵制動(dòng)能量回饋裝置無(wú)功輸出從150 kVar到300 kVar的變化過(guò)程。圖9為無(wú)功補(bǔ)償展開(kāi)波形圖。

圖8 輸出無(wú)功從150 kVar到300 kVar變化過(guò)程截圖

圖9 回饋裝置輸出感性300 kVar無(wú)功截圖

由圖8可以看出,無(wú)功輸出功率的變化對(duì)電網(wǎng)電壓及直流接觸網(wǎng)電壓并無(wú)影響,系統(tǒng)依然穩(wěn)定運(yùn)行。由圖9可以看出,無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中,并網(wǎng)無(wú)功電流及電網(wǎng)電壓的波形平滑。圖8及圖9充分驗(yàn)證了地鐵逆變回饋裝置有功和無(wú)功獨(dú)立可控的控制策略的正確性和合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

地鐵制動(dòng)能量回饋裝置列車(chē)制動(dòng)的能量回饋至交流電網(wǎng),但如回饋的能量不能被鄰近列車(chē)或車(chē)站設(shè)備消耗掉,則有可能會(huì)導(dǎo)致能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)。而且，城市軌道交通供電系統(tǒng)在正常運(yùn)營(yíng)時(shí),其用電負(fù)荷大,能抵消大部分容性無(wú)功,功率因數(shù)較高;而在夜間地鐵停運(yùn)時(shí),其用電負(fù)荷低,故電纜產(chǎn)生的容性無(wú)功不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部平衡,功率因數(shù)不符合要求。

本文提出的基于地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),充分利用了地鐵逆變回饋?zhàn)兞髌鞯挠泄蜔o(wú)功獨(dú)立可控的控制原理,不但可實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償,同時(shí)也可解決對(duì)逆變回饋裝置能量回饋時(shí)的能量逆流問(wèn)題。

[1] 張秋瑞,畢大強(qiáng),葛寶明.地鐵再生制動(dòng)能量逆變回饋電氣裝置的研究[J].電力電子技術(shù),2012,46(9):60-63.

[2] 王靖滿,黃書(shū)明.城市軌道交通供電系統(tǒng)技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,2011:1-40.

[3] 黃海.光伏電站中的逆功率保護(hù)功能[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化,2010,39(5):159-161.

[4] 陸然.城市軌道交通變電站中的無(wú)功補(bǔ)償分析[J].天津電力技術(shù),2011(2):31-33.

[5] 禹華軍,潘俊民.一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓夥⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,39(8):49-52.

Energy Management System Base on Braking Energy-feedback Device in Rail Transit System

YE Fei

The braking energy-feedback device in rail transit system can not only collect a lot of energy, but can also improve the air condition and reduce the economic cost in cooling the tunnel air caused by the resistor heat. However, it can also harm the power grid of 110 kV,i.e.the off-line operation of rail transit at night results in the light load of the systems which would cause the low power factor. On this basis, a management system of rail transit energy feedback system is proposed, which makes good use of the independent controllability of active and reactive power, calculates, gives order and executes better management of the energy systems.The proposed system can not only realize the reactive compensation of the rail transit systems, but also reduce the harmfulness of the feedback energy to the 110 kV power grid.

metro train; braking energy-feedback device; energy management

China Railway Fourth Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

U 231.8; U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.03.010

2016-01-14)