馬育華

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

煤礦近些年的機(jī)械化程度不斷提高， 以防爆柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的無軌輔助運(yùn)輸車輛為例， 主要作為煤礦工作人員的交通工具、運(yùn)輸井下所需物料、搬運(yùn)綜采面支架等等用途， 在各大中型煤礦中得到大量使用， 據(jù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)超6000 輛。 由于防爆柴油機(jī)的工作特性及目前技術(shù)水平限制，使用過程中尾氣和噪聲污染相當(dāng)嚴(yán)重，煤礦井下空間比較密閉，極度不利于污染物擴(kuò)散，長期嚴(yán)重危害井下工作人員身心健康[1]。 再者，當(dāng)前柴油機(jī)車輛的制動(dòng)方式主要為機(jī)械濕式制動(dòng)， 制動(dòng)效率較低， 尤其是長距離下坡時(shí)，制動(dòng)器摩擦片損壞嚴(yán)重，存在著安全隱患。 因此發(fā)展一種方便可靠， 并且適合煤礦井下使用的新能源運(yùn)輸系統(tǒng)，是當(dāng)前煤礦輔助運(yùn)輸發(fā)展方向之一。 在此情況下，借鑒地面無軌電車及有軌高鐵的運(yùn)行模式， 在柴油膠輪車的基礎(chǔ)上增加了電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能， 使無軌運(yùn)輸車輛可選擇牽引模式來工作，當(dāng)處于重載、上下坡的巷道里時(shí)使用架線電牽引模式， 可大幅減少巷道里的有害廢氣排放及噪聲污染，對煤礦主巷道的工作環(huán)境有著重大改善。

此種架線系統(tǒng)將接觸網(wǎng)鋪設(shè)于煤礦輔運(yùn)巷道中，當(dāng)雙驅(qū)膠輪車輛運(yùn)行至此巷道時(shí)， 架線車的集電弓升起后與接觸網(wǎng)貼合進(jìn)行受電，車輛會(huì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式運(yùn)行，行駛過程中可能需要頻繁地起、制動(dòng)，同時(shí)重載車輛在下坡運(yùn)行時(shí)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生很大的反饋能量。 車輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量被本車自用電消耗一部分，并按一定比例被處于同一供電區(qū)段的其它相鄰車輛吸收利用外， 剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉[2]。 若車輛不能設(shè)置吸收或不足以吸收這部分動(dòng)能的裝置，剩余動(dòng)能將反饋至直流母線，會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓上升而斷電保護(hù)，影響到車輛的正常運(yùn)行。 因此在供電系統(tǒng)中增加能量利用裝置確保吸收利用多余能量，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。

1 再生電能利用技術(shù)簡介

目前再生電能利用技術(shù)主要分為：電阻消耗式、電容儲(chǔ)能式、逆變回饋式等，表1 對慣用的再生電能利用技術(shù)進(jìn)行簡要介紹[3]。

表1 再生電能利用裝置技術(shù)比較

綜合表1 分析：電阻吸收和電阻-逆變吸收技術(shù)并不能真正實(shí)現(xiàn)電能的再利用，且電阻裝置發(fā)熱量高，浪費(fèi)能源嚴(yán)重。 電容儲(chǔ)能是以超級電容為儲(chǔ)能介質(zhì)的牽引電能儲(chǔ)能裝置，既可節(jié)能、又可起到穩(wěn)壓的作用，目前在歐洲部分城市的軌道交通中有采用，維護(hù)工作量少，但投資相對較高，且技術(shù)基本集中在國外公司手中。逆變回饋型技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用比較成熟， 已有多家供應(yīng)商可以提供逆變回饋型再生電能利用裝置并具有一定的研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)實(shí)力[3]。 本次設(shè)計(jì)采用逆變回饋型再生電能利用方案。

2 回饋方案的對比分析和選擇設(shè)計(jì)

2.1 本次逆變回饋設(shè)計(jì)主要針對兩種方案進(jìn)行比較分析

方案一：牽引/回饋雙向變流。 整套系統(tǒng)直流側(cè)通過DC1500V 開關(guān)柜接入接觸網(wǎng)，再接入隔離開關(guān)柜、牽引回饋雙向變流器柜和整流變壓器， 交流端通過整流變壓器原邊連接到12kV 中壓開關(guān)柜， 最后接入中壓供電網(wǎng)，原理如圖1 所示。

圖1 牽引/回饋雙向變流原理圖

方案二： 整流+單獨(dú)回饋。 即采用回饋柜及回饋?zhàn)儔浩骰仞佒?0kV 側(cè)方案，整套系統(tǒng)直流側(cè)通過DC1500V開關(guān)柜接入接觸網(wǎng)，再接入隔離開關(guān)柜、 回饋?zhàn)兞髌鞴窈突仞佔(zhàn)儔浩鳎?交流端通過變壓器連接到12kV中壓開關(guān)柜，最后接入中壓供電網(wǎng)。 原理如圖2 所示。

圖2 整流+單獨(dú)回饋原理圖

2.2 根據(jù)上述的兩種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行各自優(yōu)缺點(diǎn)對比

（1）牽引/回饋雙向變流方案：優(yōu)點(diǎn)：牽引回饋功能合二為一，無需另外單獨(dú)加裝回饋裝置，需要設(shè)備及占地均有很大節(jié)約，降低投資成本。 牽引時(shí)通過PWM 變流器整流，穩(wěn)壓效果好，接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定，電壓波動(dòng)小[4]。缺點(diǎn)：牽引回饋功能合二為一，對裝置可靠性要求高。

（2）整流+單獨(dú)回饋方案：優(yōu)點(diǎn)：牽引回饋功能獨(dú)立，無相互干擾，系統(tǒng)可靠性高。缺點(diǎn)：設(shè)備及占地較多，投資成本大。

根據(jù)以上論述， 考慮到實(shí)際應(yīng)用于車輛的上行和下行兩個(gè)方向工作， 且要求該動(dòng)力源的可靠性和穩(wěn)定性很高。 因此綜合采用方案一和方案二相結(jié)合的辦法， 即二極管整流加雙向變流的方案。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案原理示意圖如圖3 所示。 能饋系統(tǒng)主要由隔離開關(guān)柜、牽引/回饋雙向變流器柜及整流變壓器柜組成， 雙向變流器位于直流接觸網(wǎng)和AC10kV 之間，裝置采用基于PWM 控制的雙向變流器，既可用來將車輛運(yùn)行過程中多余制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換后回饋到10kV 電網(wǎng)，也可以牽引整流器運(yùn)行，向直流電網(wǎng)提供牽引供能[5]。

圖3 工作系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)工作模式介紹

雙向變流器的開關(guān)頻率為1500Hz，開關(guān)周期666.7μs，啟動(dòng)后處于待機(jī)狀態(tài)， 實(shí)時(shí)檢測雙向變流器直流端口電壓，當(dāng)檢測到雙向變流器直流端口電壓大于回饋閾值或小于牽引閾值時(shí)，能夠在1 個(gè)開關(guān)周期（即666.7μs）內(nèi)打開脈沖進(jìn)行回饋或牽引運(yùn)行，保持接觸網(wǎng)網(wǎng)電壓穩(wěn)定[6]。車輛主要分為以下3 種工作狀態(tài)：

（1）牽引狀態(tài)：車輛牽引運(yùn)行時(shí)，電流通過整流器至接觸網(wǎng)向車輛供電，能饋裝置不投入使用。當(dāng)牽引車輛時(shí)會(huì)使直流網(wǎng)電壓降低， 處于待機(jī)狀態(tài)下的雙向變流器檢測到直流端口電壓≤牽引電壓閾值時(shí)， 裝置將立刻打開脈沖進(jìn)行牽引控制，直流網(wǎng)電壓也會(huì)維持穩(wěn)定。

（2）回饋狀態(tài)：車輛電驅(qū)制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，通過接觸網(wǎng)將制動(dòng)能量反饋到變電所，由能饋裝置吸收后回饋到10kV 電網(wǎng)，整流器不投入工作。 當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)會(huì)使直流網(wǎng)電壓升高， 雙向變流器檢測到直流端口電壓≥回饋電壓閾值時(shí)， 裝置將立刻打開脈沖進(jìn)行回饋控制， 將多余制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換后回饋到10kV 電網(wǎng)，保持直流網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

（3）待機(jī)狀態(tài)：雙向變流器工作于回饋或牽引過程中實(shí)時(shí)檢測直流電流， 當(dāng)列車制動(dòng)或牽引過程中直流電流≤待機(jī)電流時(shí)，持續(xù)5s 后裝置封鎖脈沖轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)（待機(jī)電流下的回饋能量小于變流器自身損耗，不需要進(jìn)行回饋）。

4 系統(tǒng)建模仿真分析

能饋裝置的主電路拓?fù)淙鐖D4 所示， 其直流側(cè)配置了平波電抗器，平波電抗器在電路中的作用主要有：①裝置正常運(yùn)行時(shí)，抑制直流側(cè)的電流紋波；②裝置發(fā)生短路故障時(shí)，限制直流側(cè)的短路電流。

圖4 能饋裝置主電路拓?fù)鋱D

為了確保裝置具備快速響應(yīng)能力， 平波電抗器的感值取值很小，僅為50μH。

4.1 仿真模型

仿真模型按照現(xiàn)場運(yùn)行模式搭建， 搭建的仿真系統(tǒng)模型如圖5 所示，雙向變流器結(jié)構(gòu)如圖6 所示[7]，雙向變流器與24 脈波整流器并聯(lián)。 雙向變流器通過10kV/900V變壓器接10kV 電網(wǎng)。雙向變流器模型中主電路參數(shù)和控制參數(shù)與實(shí)際裝置一致。

圖5 仿真模型

圖6 雙向變流器結(jié)構(gòu)

4.2 仿真結(jié)果

利用受控源模擬車輛制動(dòng)電流， 模擬雙動(dòng)力車制動(dòng)時(shí)，功率變化率為5MW/s（參考地鐵車輛制動(dòng)時(shí)功率曲線速率）[8]?？紤]到煤礦雙動(dòng)力車變頻器功率較小，故仿真中雙動(dòng)力車最大制動(dòng)功率為500kW。由圖7 結(jié)果可以看出：模擬源電流從0.5s 開始響應(yīng)，0.6s 即可到達(dá)額定值。

圖7 變流器響應(yīng)分析

圖8 變流器回饋響應(yīng)時(shí)間及直流電壓超調(diào)

圖9 變流器在回饋運(yùn)行穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流母線電壓紋波

仿真時(shí)，變流器開始處于待機(jī)，當(dāng)檢測到直流母線電壓超過1700V 時(shí)（約在0.5195s 時(shí)），進(jìn)入回饋運(yùn)行。 由圖8、圖9 可以看出：直流母線電壓最大超調(diào)30V，完全響應(yīng)時(shí)間為78.5ms。 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，母線電壓穩(wěn)定，紋波峰峰值小于10V。

5 結(jié)論

無軌架線車輛屬于煤礦井下使用的新能源運(yùn)輸系統(tǒng)，滿足國家減污降排要求，是當(dāng)前煤礦井下需求的新技術(shù)產(chǎn)品[9]。采用文中介紹的二極管整流加雙向變流復(fù)合式能饋方式設(shè)計(jì)，可收集車輛運(yùn)行中產(chǎn)生的多余能量，并使直流牽引網(wǎng)電壓維持在穩(wěn)定的范圍， 理論上滿足車輛重載情況下的上坡牽引和下坡回饋運(yùn)行的需求， 并對解決重型車輛上下坡時(shí)的制動(dòng)安全問題有著重要意義。