桑佳楠 丁明進 劉春松
(國電南京自動化股份有限公司,210043,南京∥第一作者,工程師)
城市軌道交通列車在運行過程中由于本身質(zhì)量較大、行駛速度較快,頻繁地制動會產(chǎn)生大量的再生制動能量。這部分再生制動能量如不被吸收利用,將引發(fā)直流接觸網(wǎng)電壓急速抬高,威脅城市軌道交通運行安全[1]。再生制動能量電容儲能裝置(以下簡稱“電容儲能裝置”)通過變流器以斬波的方式將直流電壓升高或者降低至可控范圍,存儲在超級電容中,以實現(xiàn)在列車制動時吸收多余的再生制動能量,從而避免直流接觸網(wǎng)電壓升高[2];在列車起動時釋放再生制動能量可為列車供電。在城市軌道交通實際運行線路中,由于再生制動能量受車輛運行速度、載客量及排車密度等參數(shù)影響,不同的牽引所能吸收的再生制動能量并不相同,但在實際工程設(shè)計中大多配置相同容量的電容儲能裝置,因此出現(xiàn)了不同牽引所的裝置功率輸出不均衡、不協(xié)調(diào)的情況,即有的裝置容量不足以吸收再生制動能量,有的裝置仍有剩余容量,對于整條線路的再生制動能量吸收率不高[3]。另一方面,如果某站再生制動能量吸收裝置故障或檢修,該站的牽引網(wǎng)壓將難以被穩(wěn)定住,會威脅列車行駛安全。
為解決上述問題,可將整條線路的電容儲能裝置進行組網(wǎng),當某牽引所電容儲能裝置因故障、檢修而退出運行,或者再生制動能量過大而吸收功率不足時,相鄰站裝置可以進行功率支援,能最大限度穩(wěn)定直流網(wǎng)壓,以確保列車運行安全。
電容儲能裝置的直流側(cè)直接并聯(lián)接入供電系統(tǒng)的直流牽引網(wǎng),其電氣主接線如圖1所示。
圖1 電容儲能裝置電氣主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of capacitor energy storage device
電容儲能裝置通過IGBT模組以斬波的方式將直流電壓升高或者降低至可控范圍內(nèi),進而存儲在超級電容組中,以實現(xiàn)在列車制動時對多余再生制動能量的吸收,并在列車牽引時供電穩(wěn)定直流網(wǎng)壓。
城市軌道交通牽引供電系統(tǒng),在牽引降壓所或降壓所中配置電容儲能裝置,由電容儲能裝置控制系統(tǒng)、綜合保護裝置(以下簡稱“綜保裝置”)、環(huán)網(wǎng)交換機和站間光纖組成環(huán)網(wǎng)或者鏈式網(wǎng)絡(luò)。多套電容儲能器裝置組網(wǎng)后工作原理如圖2所示。
圖2 電容儲能器裝置組網(wǎng)后工作原理圖
電容儲能裝置組網(wǎng)后的協(xié)同控制邏輯如圖3所示。協(xié)同控制包含以下步驟。
步驟1:判斷第K個牽引所內(nèi)電容儲能裝置是否發(fā)出協(xié)同控制請求,所述的發(fā)出協(xié)同控制指令具有兩個并行觸發(fā)條件:①第K個牽引所內(nèi)電容儲能裝置的電容電壓U達到最大值Umax,且直流牽引網(wǎng)壓UDC繼續(xù)上升;②第K個牽引所內(nèi)電容儲能裝置因故障、檢修而退出運行。
任一觸發(fā)條件滿足后,第K個牽引所內(nèi)電容儲能裝置的控制系統(tǒng)發(fā)出信號,請求相鄰的第K+1和K-1牽引所的設(shè)備進行功率支援。
步驟2:第K+1和K-1牽引所的設(shè)備判斷當前電容儲能狀態(tài)。當檢測到電容電壓U≤U0,則進行步驟3;若電容電壓U>U0,則進入步驟四,請求相鄰的第K+2和第K-2牽引所設(shè)備進行協(xié)同控制。其中,U0為低于電容電壓吸收上限值Umax的電壓比較值。
圖3 協(xié)同控制策略Fig.3 Synergetic control strategy
步驟3:相關(guān)設(shè)備的控制系統(tǒng)控制充電啟動閾值Uin降低20 V(重復過程最多降低2~3次),延遲T進入步驟5。其中,Uin為電容儲能裝置對于直流接觸網(wǎng)電壓抬高的啟動閾值。
步驟4:判斷第K+2和第K-2牽引所設(shè)備的電容儲能狀態(tài),若電容電壓U≤U0,則進入步驟3;若電容電壓U>U0,則進入步驟2。
協(xié)同控制請求最多發(fā)送到第K+2和第K-2的牽引所設(shè)備,因為牽引接觸網(wǎng)及回流軌本身的阻抗特性,距離越遠電壓損耗越高,相鄰站電容儲能裝置對于再生制動能量的吸收效果也就越差。
步驟5:判斷第K個牽引所內(nèi)電容儲能裝置發(fā)出的協(xié)同控制指令是否消失,若消失,恢復各設(shè)備被降低了的充電啟動閾值,退出本次協(xié)同控制;若沒有消失,進入步驟2重新判斷。
上述協(xié)調(diào)配合方式為典型方案,可根據(jù)實際測試情況和數(shù)據(jù)進行進一步優(yōu)化設(shè)備啟動閾值、延時時間、電容電壓上限值與下限值等。
電容儲能裝置安裝在某城市軌道交通試驗線,列車最高速度為80 km/h,采用6編組單軌制式。牽引供電制式采用DC 750 V接觸軌供電,接觸軌回流方式。
對電容儲能裝置應(yīng)符合以下設(shè)計要求:額定功率為1 000 kW間歇工作制(30 s/120 s),啟動閾值Uin為860 V,電容電壓上限值Umax為750 V,電壓比較值U0為600 V。
結(jié)合現(xiàn)場車輛AW3(超常荷載)工況試驗,對線路中電容儲能裝置的工作狀態(tài)進行了在線測試和分析。第1個牽引所內(nèi)電容儲能裝置發(fā)出協(xié)同控制請求,其信號通過網(wǎng)絡(luò)交換機傳輸?shù)较噜彔恳?,控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)解碼后得到由低電平變?yōu)楦唠娖降男盘?。協(xié)同控制請求信號如圖4所示。
圖4 協(xié)同控制請求信號示意圖Fig.4 Synergetic control request signal
綜保裝置之間采用Goose通訊協(xié)議[4],各控制系統(tǒng)間為對等控制,無需配置中央處理器,因此僅需進行開關(guān)量的傳輸,大大提高了協(xié)同控制的響應(yīng)速度。
2.2.1 第2個牽引站運行工況
第2個牽引所內(nèi)電容儲能裝置收到協(xié)同控制請求后,根據(jù)2.3節(jié)所述的步驟二控制策略,判斷當前電容儲能狀態(tài),檢測到電容電壓U≤600 V時,則進入步驟三,其控制系統(tǒng)控制充電啟動閾值Uin降低20 V,為840 V。第2個牽引所內(nèi)電容儲能裝置運行波形如圖5所示(其中,I為電容儲能裝置的吸收電流)。
圖5 第2站電容儲能裝置波形示意圖
列車在第1個牽引所制動后,由于該站電容儲能裝置故障不能吸收再生制動能量,因此再生制動能量引起第2站的牽引網(wǎng)壓繼續(xù)升高,當達到啟動閾值840 V時,該站的電容儲能裝置開始吸收制動能量,73 ms后達到最大輸出電流1 470 A。牽引網(wǎng)電壓被控制在目標值后,設(shè)備的輸出電流隨著制動功率的減小趨近于0。
電容儲能裝置額定運行后,直流牽引網(wǎng)壓的相關(guān)參數(shù)測量如表1所示。
表1 直流網(wǎng)壓的紋波因數(shù)Tab.1 Ripple factors of DC network voltage
電容儲能裝置設(shè)置的控制目標值為820 V,設(shè)備運行后,直流網(wǎng)壓有效值實測819.5 V。經(jīng)計算紋波因數(shù)為1.6%,滿足GB/T 36287—2018要求的3%[5]??梢娫O(shè)備可以有效穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓,抑制網(wǎng)壓波動。
2.2.2 第3個牽引站運行工況
為了使第3個牽引所內(nèi)電容儲能裝置能夠進行功率支援,模擬第2個牽引所內(nèi)電容儲能裝置不具備協(xié)同吸收的條件,則控制系統(tǒng)進入2.3節(jié)所述步驟四,判斷第3個牽引所設(shè)備的電容儲能狀態(tài)。檢測到該站電容電壓U≤600 V,控制系統(tǒng)控制充電啟動閾值Uin降低40 V,為820 V。第3個牽引所內(nèi)電容儲能裝置運行波形如圖6所示。
圖6 第3站電容儲能裝置波形示意圖
第3牽引站的電容儲能裝置最大吸收電流為530 A,最大電量為0.59 kWh,電容電壓充至700 V后開始放電穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓??梢姡撜倦娙輧δ苎b置成功投入運行,吸收了來自第1牽引站的制動能量,但由于距離較遠、線路損耗高,因此吸收的再生制動能量相比第2個牽引站少。
安裝組網(wǎng)及協(xié)同控制系統(tǒng)后,當某站的電容儲能裝置控制系統(tǒng)發(fā)出協(xié)同控制請求時,站間聯(lián)絡(luò)光纖會將信息傳輸給相鄰站的電容儲能裝置,裝置將依次降低啟動閾值,最大限度穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓,有效提高了全線再生制動能量的吸收效率,以保障行車安全。試驗證明系統(tǒng)協(xié)調(diào)性好、響應(yīng)速度快,具有顯著的推廣價值。