張 巖，吳建華，張丙建，劉 煒，張 戩，張 浩

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷加速，截至2019年年底，全國(guó)有40座城市開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路，共計(jì)210條，總里程6 386.9 km。城市軌道交通作為我國(guó)重點(diǎn)用能單位之一，除人工成本外，電耗費(fèi)用在運(yùn)營(yíng)費(fèi)用中占比最高，一般占運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的20%以上[1]，其中一半以上電能用于牽引供電。城軌列車在頻繁電制動(dòng)過程中約產(chǎn)生牽引能耗30%以上的再生制動(dòng)能量，合理安裝再生能量利用裝置，提高再生能量利用率成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[2，3]。

現(xiàn)階段，儲(chǔ)能和逆變是實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量循環(huán)利用的主要方式[4]。文獻(xiàn)[5]研究電阻-逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置在地鐵中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了再生制動(dòng)能量的充分利用。文獻(xiàn)[6]提出了逆變+儲(chǔ)能的新型再生能量吸收裝置，理論上完善了單一再生制動(dòng)能量利用裝置方案在容量配置上的不足。文獻(xiàn)[7]研究了再生制動(dòng)能量在并網(wǎng)與儲(chǔ)能之間的分配，通過仿真驗(yàn)證采用儲(chǔ)能優(yōu)先的策略能夠有效減小再生制動(dòng)功率對(duì)交流電網(wǎng)的沖擊。文獻(xiàn)[8]根據(jù)地鐵逆變裝置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了逆變回饋型裝置本身在能量反饋方面的有效性。上述文獻(xiàn)沒有從牽引供電系統(tǒng)的角度對(duì)再生能量吸收裝置運(yùn)行性能進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，且未考慮不同位置再生制動(dòng)能量吸收裝置對(duì)牽引供電系統(tǒng)電壓、電流及再生制動(dòng)功率分配的影響。

文獻(xiàn)[9]對(duì)逆變回饋裝置在南京地鐵的長(zhǎng)期運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，得出逆變裝置節(jié)能效果良好，可代替地面制動(dòng)電阻，降低隧道散熱費(fèi)用支出。文獻(xiàn)[10，11]分析了再生能量回饋裝置的安裝位置對(duì)再生制動(dòng)能量利用率的影響，對(duì)實(shí)測(cè)逆變回饋裝置安裝方案具有一定指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[12]通過對(duì)上海地鐵列車運(yùn)行能耗進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，研究再生制動(dòng)能量利用裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

基于以上再生能量利用裝置研究現(xiàn)狀，本文對(duì)青島某地鐵線路含逆變回饋裝置的典型供電區(qū)間進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，對(duì)牽引降壓混合所（牽混所）中逆變回饋裝置的直流側(cè)、交流測(cè)電壓電流進(jìn)行同步測(cè)試，增加主變電所監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從裝置級(jí)和系統(tǒng)級(jí)評(píng)估逆變回饋裝置在直流牽引供電系統(tǒng)中的運(yùn)行性能。

1 測(cè)試方案

青島某地鐵線路目前開通運(yùn)營(yíng)24個(gè)牽引所，其中含牽混所18座，降壓變電所（降壓所）3座，區(qū)間所3座。線路長(zhǎng)度約為67 km，設(shè)置主變電所2座，開閉所1座，共21個(gè)車站。采用直流1 500 V接觸軌授流，鋼軌回流。列車類型為4B，2動(dòng)2拖編組。本次共測(cè)試2個(gè)含逆變回饋裝置的典型供電分區(qū)，分2次進(jìn)行。該地鐵線路2段典型供電分區(qū)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，牽混所和區(qū)間所以字母“T”加順序數(shù)字命名，降壓所以“S”加順序數(shù)字命名。逆變回饋裝置與牽引負(fù)荷不在同側(cè)。

圖1 開閉所供電分區(qū)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

測(cè)試分為2個(gè)階段進(jìn)行，第1階段測(cè)試對(duì)牽混所T5和T7的逆變回饋裝置及主變電所2進(jìn)行測(cè)試，第2階段對(duì)牽混所T16進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試期間，主要收集逆變回饋裝置不同啟動(dòng)電壓下全日負(fù)荷過程數(shù)據(jù)，得到反饋電能和反饋比率、逆變裝置響應(yīng)時(shí)間；測(cè)量逆變回饋裝置投切對(duì)主變電所返送功率、牽引網(wǎng)網(wǎng)壓等變化的影響，并評(píng)估逆變回饋裝置安裝后的節(jié)能效果。

2 逆變回饋裝置性能分析

2.1 響應(yīng)時(shí)間

國(guó)標(biāo)規(guī)定，逆變回饋裝置響應(yīng)時(shí)間為輸出功率從零到峰值功率所需的時(shí)間，其值不應(yīng)超過1 s[14]。

牽混所T7、T16逆變回饋裝置短時(shí)電流分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可以看出，牽混所T7、T16逆變回饋裝置電流在約0.9 s內(nèi)從0上升至裝置額定電流值1 200 A左右，符合國(guó)標(biāo)要求。

圖2 T7逆變回饋裝置響應(yīng)時(shí)間

圖3 T16逆變回饋裝置響應(yīng)時(shí)間

2.2 控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓效果

以牽混所T16為例，分析該所逆變回饋裝置穩(wěn)壓效果及啟動(dòng)電壓影響，其直流側(cè)負(fù)荷過程曲線如圖4所示。該所逆變回饋裝置工作時(shí)間為06：10—22：00，啟動(dòng)電壓設(shè)置為1 770 V。

圖4 T16直流側(cè)負(fù)荷過程曲線

由圖4可以看出：逆變回饋裝置未工作時(shí)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓水平較高，最高可達(dá)1 838 V；投入逆變回饋裝置后，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓最大值穩(wěn)定在1 770 V左右，逆變回饋裝置穩(wěn)壓效果較好。

2.3 裝置利用率

國(guó)標(biāo)規(guī)定逆變回饋裝置工作制為矩形間歇工作制，工作周期為120 s。占空比可以反映逆變回饋裝置的利用率，計(jì)算方法是以120 s為一個(gè)時(shí)間窗口，統(tǒng)計(jì)120 s內(nèi)電流的有效值，通過換算得到對(duì)應(yīng)額定功率運(yùn)行的占空比σ。σ的計(jì)算方法如下：

式中：IRMS為120 s內(nèi)電流的有效值；In為直流側(cè)額定電流；Ii為裝置第i秒的電流。

以牽混所T16為例，根據(jù)式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算，得到該牽混所逆變回饋裝置占空比如圖5、表1所示。該所的逆變回饋裝置工作時(shí)段為06：10—22：00，當(dāng)日06：10—17：35啟動(dòng)電壓為1 740 V，17：35—22：00啟動(dòng)電壓為1 770 V。

圖5 T16逆變回饋裝置占空比

表1 不同啟動(dòng)電壓下逆變回饋裝置最大占空比

由圖5可以看出：牽混所T16逆變回饋裝置以額定功率工作，啟動(dòng)電壓為1 740 V時(shí)，該牽混所逆變回饋裝置占空比最高為12.2%，整體占空比水平較高；調(diào)整啟動(dòng)電壓為1 770 V后，整體占空比降低，最大為5.2%。當(dāng)逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓降低時(shí)，逆變回饋裝置啟動(dòng)次數(shù)增加，其占空比提高，因此利用率上升。

由表1可以看出，牽混所T7逆變回饋裝置也均符合占空比變化規(guī)律，但牽混所T16啟動(dòng)電壓為1 740、1 770 V時(shí)分別與T7啟動(dòng)電壓為1 720、1 750 V相比，T16最大占空比均更大。這是由于T7平均空載電壓為1 710 V左右，而T16空載電壓為1 735 V左右，T16空載電壓水平較高且與逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓更接近。

3 主變電所負(fù)荷過程分析

該地鐵供電系統(tǒng)主變電所負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表2所示。其中改變逆變回饋裝置設(shè)置的牽混所為T5和T7，均為牽引負(fù)荷在Ⅰ段母線的牽混所，其逆變回饋裝置位于Ⅱ段母線。其他牽混所內(nèi)逆變回饋裝置設(shè)置為：主變電所1、2供電分區(qū)內(nèi)逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓為1 750 V，開閉所供電分區(qū)內(nèi)逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓為1 770 V。

表2 主變電所2全日負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，主變電所2供電分區(qū)內(nèi)，逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓為1 720 V時(shí)比1 750 V時(shí)主所Ⅱ段返送電量多。這是因?yàn)閱?dòng)電壓降低后，逆變回饋裝置反饋電能增加。主所負(fù)荷除牽引負(fù)荷外，還包括動(dòng)力照明等負(fù)荷變化波動(dòng)較大的負(fù)荷，因此日電度波動(dòng)較大。

4 節(jié)能效果評(píng)估

4.1 節(jié)能指標(biāo)

評(píng)價(jià)節(jié)能效果時(shí)，既要考慮裝置的節(jié)能效果，也應(yīng)顧及整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果。評(píng)價(jià)裝置級(jí)節(jié)能效果時(shí)可以將再生制動(dòng)反饋率ξ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)：

式中：ti為第i種發(fā)車間隔的運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)；J為全日發(fā)車間隔數(shù)量；PF為第i種發(fā)車間隔下牽引變電所逆變回饋裝置每小時(shí)的平均逆變功率；PT為第i種發(fā)車間隔下牽引變電所整流機(jī)組每小時(shí)的平均牽引功率。

評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能效果時(shí)，還應(yīng)考慮列車發(fā)車密度、牽引變電所數(shù)量與主所返送功率相關(guān)。綜合以上分析，系統(tǒng)節(jié)能效果評(píng)價(jià)應(yīng)以系統(tǒng)日回饋能量WFr、實(shí)際牽引能耗WTr作為考核指標(biāo)[13]，其計(jì)算式為

式中：M1為牽引變電所數(shù)量；M2為主變電所數(shù)量；PMik為第i種發(fā)車間隔，第k個(gè)主所每小時(shí)的平均返送電量；PFij為第i種發(fā)車間隔，第j個(gè)牽引變電所每小時(shí)平均反饋功率；PTij為第i種發(fā)車間隔，第j個(gè)牽引變電所每小時(shí)平均牽引有功功率。

4.2 節(jié)能效果分析

對(duì)該線路逆變回饋裝置不同啟動(dòng)電壓下節(jié)能效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3、表4所示。

表3 逆變回饋裝置不同啟動(dòng)電壓下裝置級(jí)節(jié)能效果

根據(jù)表3，牽混所T7和T16的再生制動(dòng)反饋率ξ隨啟動(dòng)電壓的提高而降低，牽混所T7的ξ最高為24.9%，比T16的ξ最大值46.2%低，與空載電壓水平有關(guān)。

當(dāng)改變T5和T7的逆變回饋裝置設(shè)置時(shí)，主變電所2供電分區(qū)系統(tǒng)級(jí)節(jié)能效果如表4所示，其他牽混所逆變回饋裝置設(shè)置同第3節(jié)。

表4 主變電所2供電分區(qū)系統(tǒng)級(jí)節(jié)能效果

由表4可以看出，逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓降低時(shí)WFr增加，最大為5 254 kW·h。T7和T16的逆變回饋裝置未投入時(shí)，T5、T8和T14的逆變回饋裝置仍投入，此時(shí)WFr為2 242 kW·h。啟動(dòng)電壓為1 750和1 720 V時(shí)，主變電所2供電分區(qū)WTr分別是逆變回饋裝置未投入時(shí)的98.4%和97.5%。由于主變電所2供電區(qū)間內(nèi)僅有兩逆變回饋裝置狀態(tài)改變，因此對(duì)系統(tǒng)實(shí)際牽引能耗影響有限。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)青島某地鐵線路含逆變回饋裝置的牽混所進(jìn)行測(cè)試和分析，逆變回饋裝置對(duì)控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓水平效果較好，其響應(yīng)時(shí)間在1 s內(nèi)，符合國(guó)標(biāo)要求；占空比最大為12.2%，啟動(dòng)電壓越低時(shí)占空比越高，且與空載電壓水平有關(guān)。

（2）對(duì)主變電所負(fù)荷過程進(jìn)行分析，逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓越低，主變電所全日返送電量越多，最大為989 kW·h。

（3）提出了以再生制動(dòng)反饋率ξ作為裝置級(jí)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)，ξ隨啟動(dòng)電壓的提高而降低，最大值為46.2%，且與空載電壓水平有關(guān)。提出了以系統(tǒng)日回饋能量WFr、實(shí)際牽引能耗WTr作為系統(tǒng)節(jié)能效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓降低時(shí)，WFr增加，WTr減小，WFr最大為5 254 kW·h。啟動(dòng)電壓為1 750和1 720 V時(shí)，主變電所2供電分區(qū)WTr分別是逆變回饋裝置未投入時(shí)的98.4%和

97.5%。