蘇霄+矯世楠

摘 要： 城市軌道交通作為國內(nèi)新興交通方式，越來越多的城市建立起了軌道交通系統(tǒng)，然而能源的節(jié)約成為了我們研究的主要方向之一。本文介紹了一種新型城市軌道交通能量逆變回饋裝置，并通過實際的仿真測試進行了分析，仿真結(jié)果表明，該逆變裝置具有良好的制動能量回饋性能，如果合理分配安裝該裝置可以達到能源的節(jié)約，同時降低了經(jīng)濟成本。

關鍵詞：逆變回饋 仿真測試 城市軌道 節(jié)能

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0308-02

引言

城市軌道交通車輛（地鐵、輕軌等）從中、高速牽引運行切換至制動過程時，異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子磁場給定的“同步轉(zhuǎn)速”，產(chǎn)生負轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，吸取機械功率，輸出電功率，此時變頻器控制勵磁的給定頻率、反并聯(lián)的續(xù)流管為定子電流提供回路，整流后回饋至觸線網(wǎng)，造成直流母線電壓升高。為穩(wěn)定其母線電壓，目前的方案包括制動電阻、電容儲能、飛輪儲能及逆變回饋等。其中逆變回饋裝置可將能量回饋電網(wǎng)，節(jié)能效果好，且系統(tǒng)簡單，投資小，得到越來越多的關注和應用。

一、逆變回饋裝置的簡介

1.逆變回饋裝置的基本原理

裝置通過將運動中負載上產(chǎn)生的位能、機械能等通過能量回饋裝置變換成電能，并通過回饋裝置有效并網(wǎng)，將電能回饋到交流網(wǎng)中，可供負載再次使用或供其他用電設備使用，使負載本身在單位時間能耗能的降低，從而達到節(jié)約電能效果。

2.逆變回饋裝置的優(yōu)勢

采用再生制動能量吸收逆變裝置的優(yōu)勢在于：

2.1 牽引變電所吸收，可適度提高制動轉(zhuǎn)換電壓，增強再生功能；

2.2 將制動產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)，降低隧道溫升，減輕送風、排風、站臺空調(diào)、車載空調(diào)的負荷；

2.3 免除車載制動電阻及其散熱風機的輔助能耗；

2.4 回饋節(jié)能；

2.5 以高再生率弱化機械磨擦制動，延長制動系統(tǒng)的使用壽命等。

3.逆變回饋裝置的組成

裝置主要由隔離開關柜、逆變柜和隔離變壓器柜組成，其主要功能為：能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回中壓電網(wǎng)。

隔離開關柜內(nèi)的主要器件有隔離開關、直流接觸器、預充電接觸器、放電接觸器、預充電電阻、放電電阻等，其主要功能是用于連接直流電網(wǎng)，可以實現(xiàn)對整套裝置上電時主回路的預充電和斷電時主回路的放電，配備有隔離開關，可以用于設備在檢修和維護時脫開直流電網(wǎng)，確保設備和人身安全。

逆變柜內(nèi)的主要器件有直流濾波電容、逆變功率單元、濾波電抗器、電流互感器、電壓互感器、同步變壓器、交流接觸器等，其主要功能是將列車產(chǎn)生的制動能量逆變成交流電反饋給交流電網(wǎng)供其他設備使用。

隔離變壓器柜的主要器件有隔離變壓器、溫控器等，其主要功能是根據(jù)不同的交流電網(wǎng)配備不同電壓等級的變壓器，與并網(wǎng)的電壓等級相匹配，具有溫度顯示和報警功能。

4.可靠性與可維護性

4.1可靠性

設備在設計時采用高可靠性措施。這些措施通過利用如下的技術以降低系統(tǒng)故障概率和有關影響正常運行的隨機性：

4.1.1采用冗余措施，采用多單元并聯(lián)的方式，其中一個單元出現(xiàn)故障后，整機會自動封鎖對應單元的輸出信號，不影響其余單元的正常運行。

4.1.2使用已證明具有高可靠性的元器件和零部件，整個裝置均選用高可靠性的元器件和零部件，裝置上選用的元器件和零部件都經(jīng)過長期使用的考驗。

4.1.3電磁輻射及兼容。

對于電子設備充分考慮防電磁干擾措施。任何子系統(tǒng)的運行都不應受其它子系統(tǒng)產(chǎn)生之電磁輻射的影響，或受到跟據(jù)經(jīng)驗所知的城市電磁環(huán)境及地鐵環(huán)境的影響。

4.1.4預防蟲害，所提供設備，都采用適當?shù)拇胧┮灶A防蟲害。

4.2可維護性

4.2.1設備應設計成只需最少的調(diào)整和預防性維護，以及運行維護。產(chǎn)品設計包括故障隔離及診斷措施，以減少設備修復時間、維護材料和人工成本。

4.2.2通過制定合理的維修/更換策略、在線維修措施及維修支持設備的最佳運用來減少停機時間。

4.2.3整個裝置維修到板級。

二、仿真測試

本次仿真測試以大連地鐵1號線為例，通過仿真測試結(jié)果來探討逆變回饋裝置的在地鐵中應用的可行性。

1.大連地鐵一號線概況

大連地鐵1號線經(jīng)由姚家至河口站，全線長約26.623km共22站。共設牽引降壓混合變電所9座，分別位于華北路、中華廣場、松江路、春光街、興工街、功成街、醫(yī)大二院、海事大學、河口停車場；設獨立牽引變電所1座，位于河口站；設降壓變電所11座，分別位于姚家、泉水路、千山路、東緯路、香工街、沙河口火車站、會展中心、星海廣場、黑石礁、學苑廣場、高新園區(qū)，設跟隨式降壓變電所7座，其中正線4座，南關嶺車輛段3座。

2.仿真測試條件設置

2.1行車參數(shù)設置

大連地鐵1號線的行車計劃為雙線，右側(cè)行車，采用受電弓的受流方式。所采用的車型為B2型車，初、近、遠期均為6輛編組，4M2T，列車最大運行速度為120km/h，基本阻力。運行模式采用目標速度為50 km/h的模式。

2.2供電仿真條件設置

供電仿真主要是對整個供電系統(tǒng)的仿真，主要設置的參數(shù)包括發(fā)車對數(shù)計劃、牽引所布點方案和供電系統(tǒng)參數(shù)。本次針對近期和遠期情況進行逆變回饋裝置系統(tǒng)設計的供電仿真計算。結(jié)合逆變回饋裝置的啟動電壓在1690V-1750V之間可調(diào)，經(jīng)之前所做諸多案列分析，在全所安裝逆變回饋裝置的前提下，大連地鐵1號線逆變回饋裝置啟動電壓設置為1730V較為合理。

3.仿真測試結(jié)果分析

3.1根據(jù)仿真計算結(jié)果統(tǒng)計，在逆變回饋裝置啟動電壓為1730V時，大連地鐵1號線近期全線安裝逆變回饋裝置的日反饋能量為8401.35kWh，節(jié)能率為8.92%。按照收費標準0.75元/度電，全日節(jié)省電費6301.01元，按一年365天計算，全年節(jié)能電費2299869.56元，約230萬元。

3.2根據(jù)仿真計算結(jié)果統(tǒng)計，在逆變回饋裝置啟動電壓為1730V時，大連地鐵1號線遠期全線安裝逆變回饋裝置的日反饋能量為3097.07kWh，節(jié)能率為1.47%。按照收費標準0.75元/度電，全日節(jié)省電費2322.80元，按一年365天計算，全年節(jié)能電費847822.91元，約85萬元。

3.3當僅對部分牽引所試點安裝逆變回饋裝置時，假設每套逆變回饋裝置200萬元，若一牽引所每日反饋能量小于900kWh，當時該所逆變回饋裝置的投資回報周期約8年，可以不該所安裝逆變回饋裝置；對于連續(xù)多個牽引所日反饋能量低于900kWh的情況，可以每隔2到3個所安裝逆變裝置，據(jù)經(jīng)驗值估計一逆變回饋裝置可吸收相鄰牽引所區(qū)間回饋能量的60%左右，節(jié)能效果將更好。

三、結(jié)語

在軌道交通系統(tǒng)中，對于節(jié)能減排要求越來越高，伴隨著科學技術的不斷發(fā)展，各種技術手段也不斷增加，逆變回饋技術作為新興技術已經(jīng)逐步進入了各節(jié)能系統(tǒng)當中。通過一系列的實踐及仿真測試可以看出逆變回饋裝置有著很好的節(jié)能作用，如果通過仿真計算，合理的安裝裝置，節(jié)能效果會更好、更經(jīng)濟，有效的將低了地鐵的運營成本。

參考文獻

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[2]GB3859-2013，《半導體變流器通用技術要求和電網(wǎng)換相變流器》.

[3]IEC60411-4，《車輛用直接直流變換器》.

[4]林長苓. 電子元器件的選用、管理與控制[J]，電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010，4，32-36.