陳 琪，孫才勤，嚴(yán)長輝

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長沙地鐵1號(hào)線雙向變流型再生電能吸收裝置

陳 琪，孫才勤，嚴(yán)長輝

介紹了長沙地鐵1號(hào)線雙向變流型再生電能吸收利用裝置的組成、功能、主要技術(shù)要求、特點(diǎn)。在地鐵工程中采用基于該裝置的節(jié)能方案同時(shí)還增加了整流機(jī)組的輸出功率。通過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能和整流效果良好。

地鐵；雙向變流；再生電能；吸收利用

0 引言

長沙地鐵1號(hào)線一期工程線路全長約 23.627 km，其中地下線22.3 km，設(shè)19座地下車站；高架線1.1 km，設(shè)1座高架站。列車采用B型車、6輛編組，設(shè)計(jì)最高行車速度為80 km/h。供電系統(tǒng)采用110/35 kV集中供電方式，35 kV系統(tǒng)采用大環(huán)網(wǎng)、大分區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)。該工程設(shè)置2座主變電所，正線設(shè)置9座牽引降壓混合變電所，牽引網(wǎng)采用DC 1 500 V供電制式。每座牽引降壓混合變電所設(shè)置1套雙向變流型再生電能吸收利用裝置（以下簡稱雙向變流回饋裝置）。該工程已于2016年6月28日開通試運(yùn)營，雙向變流回饋裝置同時(shí)全部投入運(yùn)行。

1 裝置構(gòu)成及主接線

雙向變流回饋裝置由2面雙向變流柜、1臺(tái)變壓器、1面負(fù)極隔離開關(guān)柜、1面直流控制柜組成，圖1為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并柜效果圖，其中變壓器為單獨(dú)安裝。直流控制柜通過直流1 500 V斷路器接變電所直流母線，負(fù)極隔離開關(guān)柜接變電所直流1 500 V負(fù)極母線，變壓器通過40.5 kV GIS接變電所35 kV母線。雙向變流回饋裝置和整流機(jī)組并接在同一段35 kV母線上，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 雙向變流回饋裝置現(xiàn)場(chǎng)效果圖

圖2 雙向變流回饋裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 逆變模塊電路

雙向變流回饋裝置的核心設(shè)備是雙向變流柜，雙向變流柜采用模塊化設(shè)計(jì)，變流模塊采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。每個(gè)模塊都是一個(gè)完整的變流單元，每個(gè)單元設(shè)計(jì)容量為0.5 MW。雙向變流柜由多個(gè)單元組成，當(dāng)一個(gè)單元發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，雙向變流柜仍能繼續(xù)運(yùn)行。

圖3 逆變模塊主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

采用三電平模塊化設(shè)計(jì)理念有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：諧波含量小，模塊化設(shè)計(jì)容量需求及擴(kuò)容方便，模塊故障系統(tǒng)功率損失小，維修簡便，系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間短，運(yùn)營維護(hù)成本低等；該理念的另一優(yōu)勢(shì)在于整套裝置對(duì)變壓器無特殊要求，結(jié)構(gòu)簡單。

3 裝置主要技術(shù)參數(shù)

該裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 裝置主要技術(shù)參數(shù)表

4 裝置容量

長沙地鐵1號(hào)線一期工程共設(shè)置9套雙向變流回饋裝置，其容量配置如表2所示。

表2 長沙地鐵1號(hào)線一期工程雙向變流回饋裝置容量配置表

30 s短時(shí)功率是根據(jù)雙向變流回饋裝置的運(yùn)行特性提出的間歇工作制功率要求。

5 功能介紹

雙向變流回饋裝置具有牽引整流與制動(dòng)逆變2種功能。

5.1 逆變模式

該裝置通過實(shí)時(shí)檢測(cè)直流網(wǎng)壓，在列車制動(dòng)時(shí)將多余的再生制動(dòng)能量反饋到交流中壓電網(wǎng)，在逆變模式下，該裝置具備恒壓與恒功率2種典型的輸出特性。

（1）恒壓特性。當(dāng)列車制動(dòng)的回饋能量在裝置容量范圍內(nèi)時(shí)，通過裝置的恒壓輸出特性可將直流網(wǎng)壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近，從而避免直流網(wǎng)壓持續(xù)抬升及大幅波動(dòng)。

（2）恒功率特性。當(dāng)列車制動(dòng)的回饋能量超過裝置的最大容量時(shí)，裝置進(jìn)入恒功率輸出模式，此時(shí)裝置保持滿功率輸出，直流網(wǎng)壓不再受控；與此同時(shí)，直流網(wǎng)壓的持續(xù)抬升會(huì)觸發(fā)相鄰站設(shè)備的啟動(dòng)，協(xié)助吸收多余的制動(dòng)能量。

圖4為典型的逆變吸收波形圖。裝置啟動(dòng)電壓為1 690 V，恒壓特性下的電壓設(shè)定值為1 670 V。在恒壓特性所示的虛線框內(nèi)，電壓既無大幅波動(dòng)，也無明顯上升趨勢(shì)，自始至終恒定在某一數(shù)值附近；在恒功率特性所示的虛線框內(nèi)，由于吸收功率已經(jīng)達(dá)到裝置所允許的最大容量范圍，因此裝置保持滿功率輸出，此時(shí)電壓不可控；但是隨著相鄰站設(shè)備的相繼協(xié)助吸收，直流網(wǎng)壓始終能夠控制在一個(gè)較低的范圍內(nèi)。

圖4 逆變吸收波形圖

5.2 整流模式

該裝置通過實(shí)時(shí)檢測(cè)直流網(wǎng)壓，能夠在列車牽引時(shí)與變電所牽引整流機(jī)組共同為列車提供能量，進(jìn)而維持直流網(wǎng)壓在一個(gè)較高的數(shù)值，充分迎合列車牽引時(shí)的機(jī)械特性，抑制直流網(wǎng)壓的波動(dòng)，減小直流電壓紋波，提高列車牽引供電質(zhì)量。在整流模式下，裝置不僅具備恒壓恒功率輸出特性，同時(shí)還具備下垂輸出特性。

（1）恒壓恒功率特性。整流模式下的恒壓恒功率特性與逆變時(shí)一致。圖5為典型的整流輸出波形圖。裝置啟動(dòng)電壓為1 560 V，恒壓特性下的電壓設(shè)定值為1 580 V。在恒壓特性所示的虛線框內(nèi)，電壓始終維持在設(shè)定值附近，并無明顯跌落趨勢(shì)及大幅波動(dòng)；在恒功率特性所示的虛線框內(nèi)，裝置已處于滿功率輸出狀態(tài)，此時(shí)直流網(wǎng)壓不再受控，雖有下降趨勢(shì)，但直流網(wǎng)壓始終能夠控制在一個(gè)較高的范圍內(nèi)。

圖5 整流輸出波形圖

（2）下垂特性。為了與整流機(jī)組共同且均勻分擔(dān)列車牽引時(shí)所需的能量，因此必須準(zhǔn)確獲取整流機(jī)組的下垂特性，再將該特性輸入至裝置的主控系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)根據(jù)直流網(wǎng)壓與直流電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出與之相應(yīng)的整流功率。

圖6為下垂輸出特性波形圖，裝置啟動(dòng)電壓為1 600 V，下垂輸出特性啟動(dòng)較為頻繁，輸出過程持續(xù)時(shí)間長，其輸出功率隨著電壓的下降而增大，隨著電壓的上升而減小。

圖6 下垂輸出波形圖

5.3 逆變與整流模式

逆變模式與整流模式是相互獨(dú)立的，逆變模式下能量從直流側(cè)流向交流側(cè)，整流模式下能量從交流側(cè)流向直流側(cè)。2種模式不能同時(shí)運(yùn)行，在運(yùn)行某種模式前，必須先退出另一種模式。2種模式隨著直流網(wǎng)壓的變化而自動(dòng)切換，如圖7所示。

圖7 整流與逆變輸出波形圖

圖7中整個(gè)波形為整流與逆變的完整工作過程。裝置整流模式電壓啟動(dòng)值為1 560 V，穩(wěn)壓參考值為1 580 V；逆變模式電壓啟動(dòng)值為1 710 V，穩(wěn)壓參考值為1 690 V。當(dāng)列車制動(dòng)導(dǎo)致直流網(wǎng)壓升高超過1 710 V時(shí)，裝置啟動(dòng)并進(jìn)入逆變輸出模式，在該模式下，裝置首先進(jìn)入恒壓特性輸出，隨后進(jìn)入恒功率特性輸出；當(dāng)列車牽引導(dǎo)致直流網(wǎng)壓下降至1 560 V時(shí)，裝置啟動(dòng)并進(jìn)入整流輸出模式，在該模式下，裝置同樣先后經(jīng)歷了恒壓輸出與恒功率輸出。

6 結(jié)語

長沙地鐵1號(hào)線所采用的雙向變流回饋裝置，可將列車再生制動(dòng)電能回饋至35 kV電網(wǎng)，并具有PWM整流功能，系在國內(nèi)城市軌道交通正式運(yùn)營線路中首次全線采用，具有極大的示范作用。通過半年多的運(yùn)行驗(yàn)證，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。

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The paper introduces the composition, functions, main technical requirements and characteristics of bidirectional converter type regenerated energy absorption device for line 1 of Changsha Subway. This device-based energy saving scheme adopted for the subway project has increased the output power of the rectifier sets as well. The actual operating experience indicates that the device is operating stably and has satisfactory energy saving and rectifying effects.

Subway; bidirectional current converting; regenerative energy; absorption and utilization

U231.8

B

1007-936X(2017)03-0021-04

2017-03-03

陳 琪.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，工程師，電話：18613980169；孫才勤.中鐵六院中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，工程師；嚴(yán)長輝.湖南恒信電氣有限公司，工程師。