中壓能饋逆變裝置在軌道交通中的應用

1、中壓能饋逆變裝置在軌道交通中的應用lL：The nianuscript was revised on the evening of 2021中壓能饋逆變裝置在城市軌道交通中的應用王會豐劉恒摘要：通過對再生制動能量的分析及再生制動能量吸收裝置的對比介紹，得出 逆變回饋式裝置是當前解決列車再生制動能量問題的較優(yōu)措施。給出了中壓能 饋逆變裝置在北京地鐵15號線供電工程的設(shè)計方案，并進行了現(xiàn)場試驗和應用 效果分析。關(guān)鍵詞：軌道交通 再生能量 逆變回饋 節(jié)能減排1引言U前城市軌道交通普遍采用交流傳動即VVVF （Variable Voltage andVariable Frequency）動車組列車，其

2、制動一般為電制動（即再生制動、電阻制動）和空氣制動兩級。在車輛高速運行時，使用再生制動和電阻制動，當減速到 電制動不起作用時，使用空氣制動。列車在運行過程中，山于站間距較短，列 車啟動、制動頻繁，制動能量相當可觀，可以達到牽引能量的40%以上，部分 再生制動能量（一般為20%80%,根據(jù)列車運行密度和區(qū)間距離的不同而異） 可以被線路上同一供電區(qū)段相鄰車輛和本車輔助系統(tǒng)吸收，剩余部分將主要被 列車的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當列車發(fā)車 密度較低時，再生能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。資料表明，當列車發(fā)車間隔大于10 min再生制動能量被吸收的概率兒乎為零，此時絕大部

3、分 制動能量將被再生能量吸收裝置吸收，變成熱能并向四外散發(fā)，這不僅浪費能 量，而且也增加了站內(nèi)空調(diào)通風裝置的負擔，并使建設(shè)費用和運行費用增加。如能將這部分能量儲存再利用，這些問題將迎刃而解。2再生制動能量吸收裝置的類型和特點U詢，國內(nèi)外再生制動能量吸收裝置主要有電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型等4種。電阻耗能型電阻耗能型是在變電所設(shè)置一套電阻吸收裝置，將列車的再生制動能量消 耗掉，從而抑制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的飆升。該裝置的優(yōu)點：控制簡單，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車 倆投資，提高列車動力性能；對降低隧道溫度、減少閘瓦的消耗和制動粉塵、 凈化隧道環(huán)境比較有效，而且國內(nèi)有比較成

4、熟的產(chǎn)品制造經(jīng)驗，價格也較低。該裝置的缺點：再生制動能量消耗在吸收電阻上集中發(fā)熱消耗，對再生電 能不能有效利用；電阻散熱也導致環(huán)境溫度上升，因此當該裝置設(shè)置在地下變 電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，設(shè)備房間也必須采取措施保證有足夠的通風 量。從發(fā)展的角度，它不代表再生電能吸收技術(shù)的方向。電容儲能型電容儲能吸收裝置是用超級電容將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引 時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。電容儲能吸收裝置的技術(shù)原理較佳，但 國內(nèi)企業(yè)暫無生產(chǎn)供貨能力，進口設(shè)備不成熟，技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成 本奇，在馬德里、法蘭克福軌道交通有應用，國內(nèi)尚無成功的丄程應用實例。北京地鐵5號線曾設(shè)置了 4套電容

5、儲能吸收裝置，但一直未投入運行。飛輪儲能型飛輪儲能型的基本原理與電容儲能型一樣，吸收裝置是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛 輪，將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的 作用。飛輪儲能吸收裝置的技術(shù)原理也較佳，但國內(nèi)企業(yè)暫無生產(chǎn)供貨能力, 進口設(shè)備不成熟，技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成本高，在紐約、香港地鐵有應 用，但國內(nèi)尚無成功的工程應用實例。逆變回饋型能量逆變回饋裝置是利用電力電子變流器，將列車制動能量逆變?yōu)榻涣麟?能回饋到交流電網(wǎng)，供其他設(shè)備再利用。該裝置充分利用了列車再生制動能 量，提高了再生能量的利用率，節(jié)能效果好，并可減少列車制動電阻的容量;其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲能

6、元件，也不要吸收電阻；對環(huán)境溫度 影響小，在大功率室內(nèi)安裝的1W況下多采用此方案。根據(jù)交流電網(wǎng)的電壓等 級，能量逆變型乂分為中圧逆變型(35kV或lOkV)和低壓逆變型(380V),中壓 電網(wǎng)容量更大、更穩(wěn)定，對于能量的流動和分配利用更有利。國外已有批量生產(chǎn)的能饋逆變裝置，其中以歐美和日本的產(chǎn)品技術(shù)較為成 熟。國內(nèi)在地鐵運營中應用再生能量回饋技術(shù)尚屬起步階段，在重慶地鐵、北 京地鐵十號線二期、北京地鐵15號線進行了有限投入。3能饋逆變裝置能饋逆變裝置原理能饋逆變裝置是將地鐵車輛進站制動時產(chǎn)生的直流電能逆變成與交流電網(wǎng) 同幅值、同相位交流電能的電力電子裝置，其原理圖如圖3-1所示。整流圖3-1能

7、饋逆變裝置示意圖能饋逆變裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該裝 置的直流側(cè)與牽引變電所中的直流母線相聯(lián)，其交流進線接到交流電網(wǎng)上，當 再生制動使接觸網(wǎng)直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電 流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。中圧能饋逆變裝置生產(chǎn)的中圧能饋逆變裝置可以實現(xiàn)上述U的，在國內(nèi)地鐵中得到了初步應 用。該中圧能饋逆變裝置包含直流控制柜一面、逆變柜若干面、升壓變壓器柜 一面。逆變柜配置數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)需求吸收功率進行設(shè)置，一般為14面，每面 逆變柜包含4個XPC模塊和一個并網(wǎng)斷路器。對于1500V直流牽引系統(tǒng)每面逆 變柜額定輸出功率為ISOOkW,

8、對于750V直流牽引系統(tǒng)每面逆變柜額定輸出功 率為750kWo主電路結(jié)構(gòu)直浚控制柜逆變柜 1升壓變壓覇NPC1 I Z按觸網(wǎng)OFIOS亞 IR、 KM3I “ !KM1MPC4 KU3 QS-F LR2相位的能;逆變柜NNPCN 0 QFN柜：將逆變柜低壓交流電能進行升壓。NPC模塊原理圖U=L、交流電壓器TO1KK(Ian ITan IanOKI<IkM圖3-3 NPC模塊原理圖列車進站產(chǎn)生的再生直流電通過熔斷器進入XPC模塊的直流支撐電容，三 電平三相全橋?qū)⒅绷麟娔孀兂膳c電網(wǎng)同幅值、同相位的交流電。C1、C2為直流 支撐電容，C3C8為IGBT吸收電容，IGBT1IGBT12與D1D

9、4構(gòu)成三電平三 相全橋、輸出電感以及電壓、電流檢測。NPC模塊功能介紹:將直流電逆變成與電網(wǎng)同幅值、同相位的交流電:檢測交直流測電壓.電流，并提供完善的保護:將檢測的各種信號量和XPC內(nèi)部狀態(tài)信號上送。控制與通訊中壓能饋逆變裝置控制系統(tǒng)采用主控+分控方式，主控山DSP主控制器+PLC 組成，多個XPC模塊采用分控方式。主控主要完成工作包括：系統(tǒng)預充電、各 開關(guān)器件分合閘控制、HMI、與PSCADA通訊以及多個XPC模塊的協(xié)調(diào)控制；分 控主要完成：同期并網(wǎng)、雙閉環(huán)控制、SVPW發(fā)波、并網(wǎng)功率控制等。系統(tǒng)保護中壓能饋逆變裝置保護包括主控系統(tǒng)保護和NPC模塊保護兩大類。主控系 統(tǒng)保護定值及延時時間比

10、NPC模塊保護定值及延時時間稍大一些，當主控系統(tǒng) 保護動作時，通常會有相應的開關(guān)動作；NPC模塊保護時，通常只封鎖本模塊 輸出，故障消失后模塊可以重新投入運行。4中壓能饋逆變裝置的應用方案及效果分析應用方案北京地鐵15號線西段共七個車站，在大屯路東、奧林匹克公園、六道口站 等3個車站設(shè)置了電阻吸收裝置，在關(guān)莊、安立路、北沙灘、清華東路西口站 等4個車站設(shè)置了中壓能饋逆變裝置，主要功能定位：穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓，吸收 列車再生制動能量并回饋至中壓電網(wǎng)，節(jié)約能源。技術(shù)方案北京地鐵15號線西段供電系統(tǒng)采用lOkV開閉所供電方式，牽引網(wǎng)釆用DC750V接觸軌供電，直流側(cè)空載電壓為DC823V,直流系統(tǒng)長期工

11、作電壓波動范W為DC500V900V,直流側(cè)再生制動時電壓不高于1200Vo根據(jù)仿真計算 結(jié)果，選用了 HXXS-NB-750/3000型中壓能饋逆變裝置，該裝置額定輸入電流為DC750V,最大輸入電流3500A,額定輸出功率3000kW,隔離變壓器低壓側(cè) 額定電壓AC500V,輸出電流諧波3%,啟動電壓值為820V950V。接線方案中壓能饋逆變裝置的直流控制柜中的85、86電動隔離開關(guān)分別接到750V 負極柜和750V饋出柜的80斷路器開關(guān)，完成中壓能饋逆變裝置與直流系統(tǒng)的 輸入連接：變壓器柜中的高壓側(cè)U、V、W母排分別接到lOkV開關(guān)柜H202的822斷路器的U、V、W三相，完成中壓能饋逆

12、變裝置與lOkV交流系統(tǒng)的輸出連接。運行方式變電所正常運行時，交、直流側(cè)所有開關(guān)處于合閘位，中壓能饋逆變裝置投入運行。當中圧能饋逆變裝置內(nèi)部發(fā)生任何故障時，中圧能饋逆變裝置退出運行。當兩套牽引整流機組中的任何一組退出運行時，中壓能饋逆變裝置不退出運行。應用效果下文分別從靜調(diào)測試、車輛配合測試、車輛壓力測試、車倆跑圖測試這兒個階段，分別介紹中壓能饋逆變裝置的運行W況，根據(jù)現(xiàn)場實測的示波器波形及工控機記錄的數(shù)據(jù)驗證裝置對接觸軌電壓所起到的控制作用。靜調(diào)測試靜調(diào)測試是驗證沒有列車制動時，中壓能饋逆變裝置在額定功率下能否正常運行。測試時，使用示波器觀察接觸軌電壓及中壓能饋逆變裝置變壓器低壓端的并網(wǎng)回饋

13、電流，同時使用功率分析儀測試并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量。(I)測試儀器電壓差分探頭1個、羅氏線圈2個、示波器1臺、功率分析儀1臺，具體型號及儀器作用如下表描述:序號名稱型號數(shù)量備注1電壓差分探頭Tektronix OIDP-1001測試接觸軌電壓2羅氏線圈CWT30B/4/5002測試并網(wǎng)電流3四通道示波器MSO-X 3054A1觀察電壓、電流波 形4功率分析儀HIOKI 33901測試并網(wǎng)電流諧波(2)測試數(shù)據(jù)選擇關(guān)莊站的數(shù)據(jù)進行分析，圖41和圖42為中壓能饋逆變裝置進行靜調(diào)的示波器和功率分析儀測試波形。2UUV/OQs1U03SZ停1L/DCDCDCutElMSP 氏 3334(刪 5340016

14、1: Thu JJ 31 QQ21:12 2014貳e效Is() gtfl有效值J： 交沅肓效g - -(?1BI6291kA 36V1.SS69kA均fg2 y 1 1最小/最大標旳計軟112-94/ 3.6924kAVM21A1551736V V/ SiOV22zI99VH5313G-5A*l-SS82kA孤74A22V71«7kA5Vl.FW.A席JE#(«圖41系統(tǒng)滿功率運行時電壓.電流波形圖f Z -3L UAI V； Agilent 采s 標檢懼式S.QOMSa/1000:11000:1 500*1'LLU._ :兗統(tǒng)有效值-帝3-689ikA賣效值.7

15、36V交眾有及值：1.8569kA圖中藍色波形線為接觸軌電圧，平均值為754V,黃色波形線為變壓器低壓側(cè)(500V)的并網(wǎng)電流，有效值為3689A,中壓能饋系統(tǒng)回饋至lOkV電網(wǎng)功率為二。 < 5 :'、6 : 1 :8 ； * 9 : ；W : : ' 12 1 、W - M : W : ；16 : n : 18 : 19 :6：d9OTOO： 0 V V.045 *03 b40 0.07 w 2' 06V.ii8:觴8:溫-9.983 «z :6>5864顧22：23 :24 :25 :26 :27 : 一28 :和-31 :-32 :33 :

16、34 : 36 ：36 :37 1 3R 5 5):060203一 J2 渾00000000(3)測試結(jié)論02 04 0202圖42變壓器低壓側(cè)電流諧波通過波形圖可以看出，沒有列車制動時，中壓能饋逆變裝置在額定功率下能正常工作，且變壓器低圧側(cè)并網(wǎng)電流諧波3%,優(yōu)于國標要求，接觸軌電壓波形接近一條直線，測試結(jié)果符合測試要求。車輛配合測試車輛配合測試是驗證有車輛進行電制動時，中壓能饋設(shè)備能否對接觸軌電圧進行有效的控制。實際測試時，使用示波器同時監(jiān)視接觸軌電壓及并網(wǎng)電流，驗證中壓能饋逆變裝置的控制效果。(I)測試儀器電壓差分探頭1個、羅氏線圈2個、示波器1臺、功率分析儀1臺，具體 型號及儀器作用如下

17、表描述：序號名稱型號數(shù)量備注1電壓差分探頭Tektronix OIDP-1001測試接觸軌電壓2羅氏線圈CWT30B/4/5002測試并網(wǎng)電流3四通道示波器MSO-X 3054A1觀察電壓、電流波 形4功率分析儀HIOKI 33901測試并網(wǎng)電流諧波(2)測試數(shù)據(jù)選擇安立路站的數(shù)據(jù)進行分析，圖4-3為中壓能饋逆變裝置進行車輛配合調(diào)試的示波器測試波形。gOX3C34A MZ534Q0161:Wftj0a0110:3111 2314圖43車輛電制動時電壓、電流波形圖中黃色波形線為接觸軌電壓，接觸軌電壓兒乎沒有波動，最大電壓不超過855V,綠色波形線為變壓器低壓側(cè)并網(wǎng)電流，波形幅度從無到有，表示列車

18、制動開始，波形從有到無，表示列車制動完成，整個制動過程持續(xù)時間約30s 0(3) 測試結(jié)論從示波器數(shù)據(jù)和中壓能饋逆變裝置的歷史數(shù)據(jù)可以看到，在車輛進行電制動時，中壓能饋逆變裝置進入吸收運行狀態(tài)，制動開始到制動結(jié)束的整個過程中，接觸軌母線電壓控制穩(wěn)定在835V左右，最大母線電壓不大于855V,符合測試預期的要求。車輛壓力測試車輛壓力測試是驗證車倆在特殊條件下制動時，中壓能饋逆變裝置能否對接觸軌電壓進行有效的控制。測試時，使用示波器同時監(jiān)測接觸軌電壓波形及并網(wǎng)電流，觀察在各種極限條件下中壓能饋逆變裝置的控制效果。(I)測試儀器電圧差分探頭1個、羅氏線圈1個、示波器1臺，具體型號及儀器測試作用如下表

19、:序號名稱型號數(shù)量備注I電壓差分探頭Tektronix OIDP-1001測試接觸軌電壓2羅氏線圈CWT30B/4/5001測試并網(wǎng)電流3四通道示波器MSO-X 3054A1觀察電壓、電流波 形(2)測試數(shù)據(jù)下表為車輛壓力測試的內(nèi)容及測試結(jié)果。測試 項U測試內(nèi)容車輛速 度(km/h)接觸軌最高電壓(V)最大吸收 功率(MW)設(shè)備投運情況1兩車同時進 站，同時制動408514個站中壓能饋 及3個站電阻消 耗裝置全部投入2703854相同站，一車 制動，一車牽 引408415706807本站一車制408動，鄰站一車709牽引8010兩車同時進 站，同時制動40117012804個站中壓能饋 裝置投

20、入，3個 站電阻消耗裝置 切除13相同站，一車4014制動，一車牽7015引8016本站一車制4017動，鄰站一車7085718牽引80860選擇安立路站的數(shù)據(jù)進行分析，圖44為上表中測試項3的波形圖，圖45為上表中測試項12的波形圖。測試項3是在4個車站中壓能饋裝置及3個車站 電阻消耗裝置全部投入悄況下，兩列車同時進站，同時制動；測試項12是在4 個車站中壓能饋裝置投運，3個站電阻消耗裝置切除悄況下，兩列車同時進|fai*0344VTf53403l61: Qnto 12 1621:05254-?：j n(is hriiiHs/ 停止站，同時制動。8；：? Agilent標用惜兀30,0kSa

21、/sDC500:1AC1000:1DC1000 1LL501JL 希 _AX：*16.0000000000051心+55.555fnH£AY：+856 8DWM通覽1b-ft合圖4-4測試項3中的電壓、電流波形圖圖中黃色波形線為接觸軌電壓，在列車電制動時接觸軌電壓有了波動，最 大電壓不超過857V,仍處于控制U標電壓（900V）范IS內(nèi)。綠色波形線為變 壓器低圧側(cè)并網(wǎng)電流，峰值頂端表示S達到額定電流，系統(tǒng)滿功率運行。Mg次30244 MY里¥¥ Sw Oc: 121&48 ：54光持設(shè)a戛9 s式-tY1祭 Agilent標浪模貳_通道LDC500:1AC

22、1000:1DC1000: r 叢：+1.0900130000000$+9l7.43mH! A丫868 lOOVft位XI: -23 76000000000s Yl: 900JOOV*X2: -22 67000000000$ Y2: 0 QV圖45測試項12中的電壓、電流波形圖圖中黃色波形線為接觸軌電圧，在列車電制動時接觸軌電壓有了較大波動，最大值達到968V,超出控制U標電壓（900V）,說明在該站相鄰的2站電阻消耗裝置退出時，在本站2列車輛同時制動時，中壓能饋逆變裝置已不能把制動能量完全吸收，導致接觸軌電壓提升，但還未達到裝置的過壓保護值1000V.因此裝置正常工作。綠色波形線為變壓器低壓

23、側(cè)并網(wǎng)電流,峰值頂端表示已達到額定電流，系統(tǒng)滿功率運行。（3）測試結(jié)論從上述18個測試項的示波器測試波形及歷史數(shù)據(jù)來看，除項U11和項u12外，其他所有項U的測試中，接觸軌電壓均能控制在855V以內(nèi),符合測試預期要求。但項U 11、12是在中壓能饋站相鄰的2個車站電阻消耗裝置撤出，在70Km/h和80Km/h高速下進行滿級制動時測試所得，由于制動能量過大.裝置無法完全吸收，導致接觸電壓超過控制U標值（900V）,但未達到中圧能饋逆變裝置的過壓保護值，因此裝置依然能正常工作。車輛跑圖測試在車輛進行跑圖（運營測試）期間，4個站的中壓能饋逆變裝置及3個站的電阻消耗裝置均已投入運行，通過分析裝置的連續(xù)

24、5天歷史曲線數(shù)據(jù)，來判斷中圧能饋逆變裝置是否正常投入運行，接觸軌電壓是否能得到較好的控制,同時分析設(shè)備運行的最大功率、接觸軌最高電壓統(tǒng)計、節(jié)能悄況。(1)測試數(shù)據(jù)圖46為某一日安立路站中壓能饋逆變裝置的24小時歷史曲線圖。從歷史曲線可以看到，中壓能饋逆變裝置能正常運行，在車輛制動時能正常吸收能量，接觸軌電圧穩(wěn)定。開獅寸祐 亦a譏-rrco時Z國 O分0 可結(jié)東時間"3旳 通回為分£網(wǎng)刑徒®囹片保存1尋出瞬 發(fā)企溜IS：下表為安立路連續(xù)5日跑車的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，接觸軌電壓控制在控制U標值(900V)以下，系統(tǒng)運行正常。日期時間接觸軌最高電壓(V)最大運行功率(MW)2

25、014:12:13 00:00-23:598792014:12:14 00:00-23:592014:12:15 00:00-23:592014:12:16 00:00-23:592014:12:17 00:00-23:59(2)節(jié)能分析下表記錄了安立路站每小時中壓能饋逆變裝置回饋到lOkV電網(wǎng)的電度值,從表中可以il算出當天的回饋電度為：38335-37548=787 (KWh)。日期時間中壓能饋逆變裝置回饋總電度 (KWh)2014-12-17 7:30375482014-12-17 &003756520I4-I2-I7 9:00376082014-12-17 10:00376402014-12-17 11:00376802014-12-17 12:003772