徐榮欣

（廈門(mén)軌道交通集團(tuán)，福建 廈門(mén)361000）

1 概述

地鐵再生電能是指電客車(chē)在制動(dòng)時(shí)將機(jī)械能通過(guò)牽引電機(jī)和變流單元傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)上，給與其他用電設(shè)備使用的電能。軌道交通電客車(chē)輛每天在線路上頻繁制動(dòng)，理論上能實(shí)現(xiàn)50%左右的再利用[1]，這些能量如何吸收利用是目前地鐵牽引供電行業(yè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。再生電能逆變回饋裝置是目前采用比較廣泛的工程方案，它能夠把這部分電能吸收到地鐵中壓35kV 或者低壓400V 交流系統(tǒng)中去。相比傳統(tǒng)的制動(dòng)電阻方式，不僅可以有效控制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，也能重復(fù)利用這些再生電能達(dá)到節(jié)能目的，國(guó)內(nèi)外各種地鐵，很多試驗(yàn)性安裝了一臺(tái)或者幾臺(tái)的再生能吸收利用裝置。廈門(mén)地鐵2 號(hào)線設(shè)置了一套中壓再生能回饋裝置系統(tǒng)，在正線全部16 個(gè)牽引變電所均有安裝，并且與其他地鐵不同的是，撤除了全部車(chē)載制動(dòng)電阻，使得再生電能的吸收利用完全依賴(lài)再生能回饋裝置。如何在這種工況下從牽引供電系統(tǒng)角度利用好這套設(shè)備以取得最佳效能，同時(shí)保證接觸網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定，提供足夠車(chē)輛制動(dòng)力，有必要進(jìn)行一些研究。

2 再生能回饋裝置原理分析

圖1 能饋裝置組成

再生能回饋裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)能饋裝置）主要由直流隔離開(kāi)關(guān)柜、變流器柜和回饋?zhàn)儔浩鞴窠M成，其中直流隔離開(kāi)關(guān)柜和變流器柜并柜安裝，其組成如圖1。

裝置直流側(cè)通過(guò)直流開(kāi)關(guān)柜以并聯(lián)的方式接入牽引變電所的直流母線，裝置交流側(cè)通過(guò)回饋?zhàn)儔浩骱?5kV 開(kāi)關(guān)柜接入到35kV 母線，實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線的電壓，當(dāng)母線電壓達(dá)到回饋啟動(dòng)閾值時(shí)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部控制電壓環(huán)計(jì)算得出回饋電流指令信號(hào)，再通過(guò)電流閉環(huán)和脈沖寬度調(diào)制后，驅(qū)動(dòng)主電路絕緣柵雙極性晶閘管(IGBT)輸出得到期望回饋。接觸網(wǎng)上電能經(jīng)變流器柜逆變?yōu)?050V交流電傳輸?shù)交仞佔(zhàn)儔浩鞯蛪簜?cè)，升壓為35kV交流電輸送回中壓環(huán)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)再生電能吸收。

3 有能饋裝置、無(wú)制動(dòng)電阻的牽引供電系統(tǒng)中電能流動(dòng)分析

裝有能饋裝置的牽引供電系統(tǒng)的原理如圖2 所示。

圖2 電能流動(dòng)示意圖

其可以等效為圖3 的電路圖。

圖3 等效電路圖

通過(guò)上圖可以看出，在不考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)損耗的條件下，當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)車(chē)啟動(dòng)空氣制動(dòng)時(shí)，任何時(shí)候整個(gè)牽引供電系統(tǒng)中電功率處于平衡狀態(tài)，其表達(dá)式為：

其中n1表示同時(shí)在取流狀態(tài)的電客車(chē)數(shù)量，n2表示同時(shí)在再生制動(dòng)狀態(tài)的電客車(chē)數(shù)量，n3表示同時(shí)在整流出力狀態(tài)的整流機(jī)組數(shù)量，n4表示同時(shí)在回饋狀態(tài)的能饋裝置數(shù)量。Pm表示單個(gè)電客車(chē)取流功率，Pg表示單個(gè)電客車(chē)再生制動(dòng)功率，Pz表示單臺(tái)整流機(jī)組整流功率，Pc表示單臺(tái)能饋裝置回饋功率。

系統(tǒng)中電客車(chē)總?cè)×髫?fù)荷電功率表示為：

4 牽引供電系統(tǒng)中電功率的暫態(tài)分析

4.1 當(dāng)系統(tǒng)中處于電制動(dòng)狀態(tài)的電客車(chē)數(shù)量減少或者取流狀態(tài)的電客車(chē)數(shù)量增多時(shí)，電客車(chē)再生電能輸出功率Pg大于電客車(chē)取流負(fù)荷功率Pm。此時(shí)電制動(dòng)電客車(chē)中的電機(jī)轉(zhuǎn)子扭矩不足，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升抬升兩端電壓，引起接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升，此時(shí)Pg＞Pm+Pc。

4.2 能饋裝置控制器在檢測(cè)到接觸網(wǎng)網(wǎng)壓抬升到能饋啟動(dòng)閾值Uo時(shí)，通過(guò)控制IGBT 工作，將逆變裝置投入直流母線，直流系統(tǒng)中額外的Pg輸入到35kV系統(tǒng)中。電制動(dòng)工作狀態(tài)電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)，兩端電壓恢復(fù)，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓隨之恢復(fù)。此時(shí)Pg=Pm+Pc。

4.3 當(dāng)系統(tǒng)中處于電制動(dòng)狀態(tài)的電客車(chē)數(shù)量增多或者取流狀態(tài)的電客車(chē)數(shù)量減少時(shí)，Pg＜Pm。能饋裝置控制器在檢測(cè)到回饋電流為0 時(shí)，控制IGBT關(guān)斷逆變裝置退出運(yùn)行，此時(shí)Pg=0，缺少的電功率由整流機(jī)組補(bǔ)充，此時(shí)Pg=Pm+Pz。

通過(guò)分析上述暫態(tài)過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)處于Pg＞Pm+Pc狀態(tài)時(shí)，如果能饋裝置沒(méi)有適時(shí)投入直流母線，那么接觸網(wǎng)網(wǎng)壓將繼續(xù)會(huì)快速升高，達(dá)到電客車(chē)空氣制動(dòng)介入閾值，導(dǎo)致電客車(chē)進(jìn)行空氣制動(dòng)，車(chē)輛動(dòng)能被白白浪費(fèi)在閘瓦輪對(duì)的摩擦內(nèi)能上，這個(gè)情形應(yīng)該避免。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)處于Pg=Pm+Pc狀態(tài)時(shí)，再生電功率分別流向電客車(chē)取流電動(dòng)機(jī)和能饋裝置。

其中取流電動(dòng)機(jī)的損耗與其獲得的動(dòng)能的比是個(gè)固定值，不會(huì)因?yàn)殡姽β适莵?lái)自再生電能或者整流機(jī)組而改變。而能饋裝置的損耗則與通過(guò)它的電功率有正比關(guān)系。所以應(yīng)盡量使Pm盡量大，Pc盡量小，以減少系統(tǒng)電功率損耗。

綜上所述，能饋裝置的啟動(dòng)時(shí)機(jī)，是直接影響到再生能利用率的關(guān)鍵。也就是說(shuō)應(yīng)選擇合理的啟動(dòng)閾值，保證接觸網(wǎng)網(wǎng)壓低于電客車(chē)空氣制動(dòng)介入閾值的同時(shí)，盡量減少再生電能流向能饋裝置。

5 實(shí)際驗(yàn)證

以廈門(mén)地鐵2 號(hào)線為例，其車(chē)輛空氣制動(dòng)啟動(dòng)值為1890V。接觸網(wǎng)空載電壓為直流1700V。正線共有16 個(gè)牽引變電所，每個(gè)牽引變電所都安裝了一套2.5MW的能饋裝置。初始啟動(dòng)電壓閾值站平均為1722。試驗(yàn)中對(duì)正線全部16 臺(tái)同時(shí)進(jìn)行了多次閾值調(diào)整，記錄閾值調(diào)整后的能饋回饋電量和車(chē)載系統(tǒng)空氣制動(dòng)介入次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1：

表1 啟動(dòng)閾值調(diào)整結(jié)果

圖4 啟動(dòng)閾值與日均回饋電量趨勢(shì)

通過(guò)觀察表1 結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著啟動(dòng)閾值的升高，能饋日均回饋電量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在1780V時(shí)，日均回饋電量趨于穩(wěn)定。整個(gè)過(guò)程中平均啟動(dòng)電壓從1722V 至1787V 之間，車(chē)輛空氣制動(dòng)均未介入。

節(jié)約損耗計(jì)算：能饋裝置損耗包括自身?yè)p耗與循環(huán)損耗，約占6%，按初始回饋啟動(dòng)值1722V 計(jì)算，通過(guò)調(diào)整到1787V，減少了466kW·h/天的損耗，一年可節(jié)約170206kW·h。

6 結(jié)論

隨著軌道交通行業(yè)的發(fā)展，再生電能逆變回饋裝置能夠有效控制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，利用多余再生電能，其使用前景必將越來(lái)越廣。本次研究闡明了安裝能饋裝置無(wú)車(chē)載制動(dòng)電阻的1500V直流牽引供電系統(tǒng)中的電能流向原理，并就此提出了能饋裝置啟動(dòng)電壓閾值的調(diào)整方法，并作了相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證。明確提出在不出現(xiàn)車(chē)輛空氣制動(dòng)情況的基礎(chǔ)上，能饋啟動(dòng)電壓越高節(jié)能效果越好的結(jié)論，為今后能饋裝置在其他線路上運(yùn)用提供了一定依據(jù)。