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一、引言

城市軌道交通具有站間距離短、車行密度大等特點(diǎn)，在運(yùn)行過程中伴隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生數(shù)量較大的再生制動(dòng)能量，可以占到牽引能量的30%左右。其中，20%～80%的再生制動(dòng)能量通過接觸網(wǎng)(軌)被相鄰車輛吸收，剩余部分主要被車輛吸收電阻以熱量的形式消耗，導(dǎo)致區(qū)間隧道和車站站臺(tái)溫度升高，額外增加空調(diào)通風(fēng)裝置電能消耗，并提高工程整體的建設(shè)和運(yùn)營費(fèi)用。且車體制造、控制等技術(shù)的提高加劇車內(nèi)空間的緊張程度，車載吸收電阻散發(fā)的熱量也對(duì)其他設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。

因此，利用設(shè)置在車體外的再生制動(dòng)能量吸收裝置可以提高制動(dòng)能量的利用率，降低運(yùn)營負(fù)擔(dān)，保證車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行。再生制動(dòng)能量吸收裝置主要有電阻吸收型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型等類型。其中，逆變回饋型裝置節(jié)能效果好，能量直接回饋至電網(wǎng)，不需儲(chǔ)能元件，對(duì)環(huán)境溫度影響小。因此，在大功率室內(nèi)安裝的情況下多采用此方案。近年來，逆變回饋型再生制動(dòng)能量裝置已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通中。

二、逆變回饋型裝置方案介紹

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置利用高頻大功率晶閘管三相逆變器吸收車輛制動(dòng)產(chǎn)生的能量，并逆變轉(zhuǎn)換為交流電源，再經(jīng)能饋?zhàn)儔浩骰仞佒两涣鱾?cè)(中壓或低壓母線)。該裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)直流母線電壓，當(dāng)制動(dòng)能量抬升直流電壓并超過設(shè)定值時(shí)，利用PWM脈沖信號(hào)立即開啟逆變器并從直流母線吸收電流，在回饋電能的同時(shí)也穩(wěn)定直流電壓。

該裝置主要由晶閘管逆變器、能饋?zhàn)儔浩?、直流開關(guān)設(shè)備、交流開關(guān)設(shè)備、調(diào)節(jié)控制設(shè)備、傳感器和微機(jī)控制單元等電氣設(shè)備組成。

根據(jù)制動(dòng)能量回饋位置的不同，將逆變回饋裝置分為兩類：回饋至400V母線的逆變電阻混合型、回饋至中壓母線的逆變型。

(一)回饋至400V母線

這類再生制動(dòng)能量吸收裝置由逆變裝置和電阻吸收裝置組成。當(dāng)制動(dòng)能量抬升直流電壓超過設(shè)定值時(shí)，裝置啟動(dòng)工作，首相將制動(dòng)能量逆變回饋至車站400V低壓配電系統(tǒng)供車站動(dòng)力、照明燈設(shè)備利用，以及通過動(dòng)力變壓器向中壓側(cè)回饋。當(dāng)因400V母線負(fù)荷容量小而吸收功率不夠時(shí)，吸收電阻投入工作，多余的能量由吸收電阻消耗。該裝置綜合逆變和吸收電阻的優(yōu)點(diǎn)，且逆變回饋至400V低壓系統(tǒng)，可以一定程度避免對(duì)系統(tǒng)的諧波影響。但再生制動(dòng)能量利用率相對(duì)較低，環(huán)控系統(tǒng)仍要增加額外的電能消耗，且低壓側(cè)設(shè)備額定容量較小，回饋的能量容易造成設(shè)備的損耗。具體原理如圖1所示。

圖1 低壓逆變回饋裝置原理示意圖

該裝置是逆變與電阻雙模式吸收設(shè)備，逆變優(yōu)先投入工作，若制動(dòng)能量過大，400V母線難以吸收，則再用電阻吸收。這種特點(diǎn)使得裝置可以克服運(yùn)營低峰、出入庫、高速制動(dòng)燈特定環(huán)境下引發(fā)的脈沖尖峰，保證400V系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。目前，這種裝置在北京9號(hào)線、重慶1號(hào)線和3號(hào)線已有成功應(yīng)用的案例。

(二)回饋至中壓母線

相較于低壓母線，中壓母線容量更大、系統(tǒng)更穩(wěn)定，可以吸收更多再生制動(dòng)能量且不需要配置吸收電阻。這類裝置的逆變單元通過斷路器與直流母線連接，另一端通過能饋?zhàn)儔浩髋c中壓母線連接。裝置監(jiān)測(cè)交、直流電壓的變化，若再生制動(dòng)能量抬升直流側(cè)電壓高于設(shè)定值，并綜合直流電流極性等參數(shù)，然后將逆變回饋裝置投入工作，最終將制動(dòng)能量回饋至中壓側(cè)，將電壓保持在設(shè)定值以下。雖然會(huì)將含有較高諧波的電能注入到中壓側(cè)，但利用PWM脈沖控制技術(shù)以及相應(yīng)電感濾波裝置可以有效降低諧波含量，有效消除對(duì)電網(wǎng)的不利影響。

且該型裝置再生能量利用率高、對(duì)環(huán)境要求較低，適合于大功率室內(nèi)安裝。具體原理如圖2所示。

圖2 中壓逆變回饋裝置原理示意圖

該裝置不需要吸收電阻配合，直接將再生制動(dòng)能量回饋至負(fù)荷容量較大的中壓側(cè)，因此不要增加空調(diào)通風(fēng)設(shè)備，在提高制動(dòng)能量利用率的同時(shí)也降低相關(guān)建設(shè)和運(yùn)營成本。近來，這種裝置在北京8號(hào)線、15號(hào)線已成功應(yīng)用。

綜上所述，低壓逆變回饋裝置對(duì)電網(wǎng)沖擊小，但再生制動(dòng)能量利用率相對(duì)較低，且對(duì)環(huán)境要求較高；中壓逆變回饋裝置再生制動(dòng)量利用率高，且不需額外的環(huán)控設(shè)備投資，但會(huì)產(chǎn)生較多諧波。近年來，隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，注入諧波問題已得到有效緩解和控制，中壓逆變回饋裝置逐漸成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。因此，在石家莊地鐵2號(hào)線中也主要對(duì)這種裝置進(jìn)行應(yīng)用調(diào)研和技術(shù)分析。

三、中壓逆變回饋裝置的仿真分析

石家莊地鐵2號(hào)線全長19.16km,正線共設(shè)置8座牽引所。全線采用110/35kV兩級(jí)電壓集中供電方式，并通過DC1500V接觸網(wǎng)對(duì)車輛供電。全線高峰小時(shí)行車密度設(shè)置為初期12對(duì)/h、近期21對(duì)/h、遠(yuǎn)期30對(duì)/h.

為評(píng)估中壓逆變回饋裝置的有效性和經(jīng)濟(jì)性，在正線8個(gè)牽引所各設(shè)置一套該裝置，包括嘉華站、塔談南站、東崗頭站、大戲院站、長安公園站、運(yùn)河橋站和西古城站。具體配置如圖3所示。

圖3石家莊地鐵2號(hào)線正線8座牽引所示意圖

目前，DC1500V牽引制式的中壓逆變回饋裝置主流所采用容量多是2MW。因此，仿真時(shí)將所有裝置容量都設(shè)置為2MW，啟動(dòng)電壓設(shè)置為1730V。利用PSCAD軟件搭建牽引所和中壓逆變回饋裝置的瞬時(shí)模型，并在初期、近期、遠(yuǎn)期三種工況下進(jìn)行仿真，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)所2MW以下及以上的再生制動(dòng)電能。每天再生電能統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 各牽引所三種工況下的每天再生電能統(tǒng)計(jì)表(kWh)

由表1可知，中壓逆變回饋裝置潛在的經(jīng)濟(jì)效益非常大。其中，2MW以下的再生電能占到總再生電能的72%，其余再生制動(dòng)能量由于中壓逆變回饋裝置容量的限制不能被吸收，從而會(huì)抬升直流電壓。而各個(gè)牽引所仿真時(shí)最大網(wǎng)壓統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 三種工況下，各個(gè)牽引所得最大網(wǎng)壓值(kV)

從表2可以看出，2MW以上不能及時(shí)被中壓逆變回饋裝置吸收的能量抬升網(wǎng)壓，使得嘉華站網(wǎng)壓在初期和遠(yuǎn)期工況下，超出規(guī)定值DC1800V，從而會(huì)導(dǎo)致機(jī)車和牽引所內(nèi)的機(jī)電設(shè)備受損，不利于運(yùn)營安全。從表1可以看到作為邊站的嘉華站、西古城站2MW以上的電能較多，對(duì)抬升網(wǎng)壓有較大影響。因此，調(diào)整兩站中壓逆變回饋裝置容量的配置方案，將其容量設(shè)置為3MW，并繼續(xù)仿真。則新容量配置方案下的各個(gè)牽引所每天再生電能統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 各牽引所三種工況下的每天再生電能統(tǒng)計(jì)圖(kWh)

新容量配置方案下，各個(gè)牽引所最大網(wǎng)壓值統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 三種工況下，各個(gè)牽引所得最大網(wǎng)壓值(kV)

表3顯示出，在中壓逆變回饋裝置新容量配置方案下，邊站的裝置有效吸收了部分的2MW以上的再生制動(dòng)能量，使得牽引所網(wǎng)壓可以保持在DC1800V以下，保障車輛和牽引所內(nèi)設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行。且全線網(wǎng)壓低壓DC1800V，車輛可以取消車載電阻。

同時(shí)結(jié)合表1和圖4，可以看出中壓逆變回饋裝置經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常大。在三種工況下，該裝置在初期回饋電能1.74萬度/天(637萬度/年)，近期回饋電能1.61萬度/天(590萬度/年)，遠(yuǎn)期回饋電能1.71萬度/天(624萬度/年)?？梢钥闯觯袎耗孀兓仞佈b置每天可回饋的電能大于1.6萬度，經(jīng)濟(jì)效果良好。

因此，采用新容量配置方案既可以有效利用再生制動(dòng)能量，節(jié)約能源，又可以將全線牽引所網(wǎng)壓維持在DC1800V以下。

四、結(jié)論

中壓逆變回饋裝置因中壓母線負(fù)荷容量大，不需要配置吸收電阻，直接將列車再生制動(dòng)直流電能逆變轉(zhuǎn)換為交流電能回饋到中壓側(cè)，供其他機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)消耗。由仿真結(jié)果可知該裝置在新的容量配置方案下，可以保證列車和牽引變電所內(nèi)的機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行，也有效再利用制動(dòng)能量，節(jié)能效果顯著。且電力電子技術(shù)的發(fā)展，會(huì)降低設(shè)備的造價(jià)并有效控制諧波含量，更好的推動(dòng)中壓逆變回饋裝置運(yùn)用在工程實(shí)踐中。

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