軌道交通牽引供變電技術(shù)第7章第5節(jié)-列車再生制動課件

第七章城市軌道交通供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與列車再生能量利用第五節(jié)列車再生制動能量吸收與利用軌道交通牽引供變電技術(shù)第七章城市軌道交通供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與列車再生能量利用第五節(jié)列車再生制動能量吸收與利用

城市軌道交通列車運行在再生制動工況時，列車上的牽引電機處于發(fā)電機運行狀態(tài)，將列車動能轉(zhuǎn)換為電能反饋回直流牽引網(wǎng)。當(dāng)列車再生制動反饋的能量，不能被鄰近列車吸收時，將臺高牽引網(wǎng)絡(luò)，因此，有必要在城市軌道交通牽引系統(tǒng)中設(shè)置再生制動能量吸收裝置，從而可節(jié)約能源和穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓。目前，城市軌道交通再生制動能量吸收方案主要分為電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型等。軌道交通牽引供變電技術(shù)第五節(jié)列車再生制動能量吸收與利用城市軌道交通列一、電阻耗能型電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。由IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管D、濾波裝置（濾波電容C和濾波電抗器L）、直流快速斷路器DQF13、電動隔離開關(guān)等組成，其接線示意圖如圖7.11所示。軌道交通牽引供變電技術(shù)一、電阻耗能型軌道交通牽引供變電技術(shù)圖7.11電阻吸收裝置接線軌道交通牽引供變電技術(shù)軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：控制簡單、直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；對降低隧道溫度、減少閘瓦制動對閘瓦的消耗、減少閘瓦制動粉塵、凈化隧道環(huán)境比較有效，技術(shù)成熟，價格較低；確定有再生電能需要吸收的判斷條件是否完善，不會引起誤判，從而造成電能的額外消耗。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；電阻散熱導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，當(dāng)該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，并且該房間需采取措施保證有足夠的通風(fēng)量，需要相應(yīng)的通風(fēng)動力裝置，也增加相應(yīng)的電能消耗。軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：控制簡單、直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降目前國內(nèi)重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線、北京首都機場線都有采用該方式制動。二、電容儲能型

電容儲能型再生制動能量吸收裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車處于啟動、加速階段需要取流時，再將電容器組所儲存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。該裝置由儲能電容器組、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機控制單元等組成，其主接線示意圖如圖7.12所示。軌道交通牽引供變電技術(shù)目前國內(nèi)重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線、北京首圖7.12電容儲能裝置接線示意圖軌道交通牽引供變電技術(shù)軌道交通牽引供變電技術(shù)由于電容儲能裝置是一個大容性設(shè)備，因此它同時具有儲能（儲存車輛再生電能）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓）兩種工作模式，這兩種工作模式可以自動切換。（1）儲能模式。當(dāng)電容儲能裝置工作在儲能模式時，在車輛制動且再生能量不能被其他車輛吸收時，電容組充電，吸收車輛再生電能，將列車制動能量存儲在儲能裝置中，可以減少車輛使用空氣制動的頻率；在變電所附近車輛需要通過牽引網(wǎng)取電時，釋放存儲的電能，給車輛提供牽引用電。從而可以減少牽引變電所輸出功率，減少牽引供電用電量，達(dá)到節(jié)約電能和減少能源消耗的目的。軌道交通牽引供變電技術(shù)由于電容儲能裝置是一個大容性設(shè)備，因此它同時具有儲能（儲當(dāng)電容儲能裝置工作在儲能模式時，儲能量在大部分時間都處于低水平，以備隨時吸收車輛的制動能量。（2）穩(wěn)壓模式。當(dāng)電容儲能裝置工作在穩(wěn)壓模式時，可以通過車輛的再生制動能量快速充電，在沒有車輛制動的情況下，也可以通過變電所中的直流供電設(shè)備慢速充電；在牽引網(wǎng)電壓較低時，釋放儲存的電能，以穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，從而起到改善牽引供電質(zhì)量的作用，避免網(wǎng)壓過低造成車輛的欠壓保護動作，影響正常行車。軌道交通牽引供變電技術(shù)當(dāng)電容儲能裝置工作在儲能模式時，儲能量在大部分時間都處于當(dāng)電容儲能裝置工作在穩(wěn)壓模式時，儲能量在大部分時間都處于高水平，只有當(dāng)檢測到網(wǎng)壓低于規(guī)定的下限時，才向牽引網(wǎng)釋放儲存的電能。優(yōu)點：有效利用了列車制動時的再生電能，節(jié)能效果好；直接接在牽引網(wǎng)或變電所正負(fù)母線間，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)不會造成影響；維護和更換元器件較為方便，并可減少或取消列車制動電阻的容量。缺點：對于運量較大的軌道交通線路，目前的產(chǎn)品容量較小，不能滿足完全吸收列車再生電能的需要。軌道交通牽引供變電技術(shù)當(dāng)電容儲能裝置工作在穩(wěn)壓模式時，儲能量在大部分時間都處于三、飛輪儲能型飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置通過對變電所直流空載電壓、母線電壓的跟蹤判斷，確定是否有列車在再生制動，且再生電能不能完全被本車輔助設(shè)備和相鄰車輛吸收，當(dāng)判斷變電所附近列車有再生電能需要吸收時，飛輪加速轉(zhuǎn)動，儲存能量；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動牽引用電時，飛輪轉(zhuǎn)速降低，作為發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)反饋電能。除具有電能吸收功能外，還具有穩(wěn)壓功能，即通過檢測運行狀態(tài)，在牽引網(wǎng)電壓較高時吸收電能，在電壓較低時釋放電能，穩(wěn)定電壓。軌道交通牽引供變電技術(shù)三、飛輪儲能型軌道交通牽引供變電技術(shù)

該裝置由儲能飛輪電機、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機控制單元等組成，直接接在變電所正負(fù)母線或牽引網(wǎng)和回流軌間，主接線示意圖如圖7.13所示。圖7.13飛輪裝置接線示意圖軌道交通牽引供變電技術(shù)該裝置由儲能飛輪電機、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電優(yōu)點：有效利用了列車制動時的再生電能，節(jié)能效益好；并可取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；直接接在牽引網(wǎng)或變電所正負(fù)母線間，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)不會造成影響，但維護復(fù)雜。

目前，英國UPT電力公司已有成熟的飛輪產(chǎn)品，在英國電力系統(tǒng)、紐約部分地鐵、我國香港巴士公司等都有應(yīng)用。軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：有效利用了列車制動時的再生電能，節(jié)能效益好；并可取消（四、逆變回饋型逆變回饋型再生制動能量吸收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，該裝置由晶閘管逆變器RCT3、逆變變壓器T3、平衡電抗器L、交流斷路器QF3、直流快速斷路器DQF13、電動隔離開關(guān)、直流電壓變換器UT和調(diào)節(jié)控制柜等部分構(gòu)成，主接線示意圖如圖7.14所示。該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上；當(dāng)再生制動使直流電壓超過規(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)。軌道交通牽引供變電技術(shù)四、逆變回饋型軌道交通牽引供變電技術(shù)

調(diào)節(jié)控制柜中設(shè)有反映牽引網(wǎng)Ud和逆變電流I1、I2形成并轉(zhuǎn)換為直流電壓U1的電壓變換器。當(dāng)牽引網(wǎng)有列車再生能量反饋，Ud增大超過規(guī)定值時，啟動脈沖發(fā)生器工作并輸出觸發(fā)脈沖TS1、TS2等，從而使RCT3導(dǎo)通，逆變器開始反饋。U1的作用是利用逆變器導(dǎo)通后，將逆變電流產(chǎn)生的U1和Ud同時加至脈動發(fā)生器的啟動電路環(huán)節(jié)，以保證Ud波動時逆變器工作的可靠性。軌道交通牽引供變電技術(shù)調(diào)節(jié)控制柜中設(shè)有反映牽引網(wǎng)Ud和逆變電流I1、I2形成并圖7.14逆變回饋裝置接線示意圖軌道交通牽引供變電技術(shù)軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：部分利用了列車再生制動能量，具有一定的節(jié)能作用，可減少列車制動電阻的容量；其能量直接回饋到電網(wǎng)，不需要配置儲能元件；因此對環(huán)境溫度影響小，在大功率室內(nèi)安裝的情況下可考慮采用此方案。缺點：再生制動電能經(jīng)逆變器逆變后接入35kV系統(tǒng)，存在一些系統(tǒng)安全性問題，如不能妥善地配置保護，有發(fā)生惡性事故的可能。此外，逆變裝置本身就是一個諧波源，運行時將產(chǎn)生一定的諧波。

該裝置在日本軌道交通中應(yīng)用較多，國內(nèi)城市軌道交通尚無成熟工程應(yīng)用案例。軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：部分利用了列車再生制動能量，具有一定的節(jié)能作用，可減少第七章城市軌道交通供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與列車再生能量利用第五節(jié)列車再生制動能量吸收與利用軌道交通牽引供變電技術(shù)第七章城市軌道交通供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析與列車再生能量利用第五節(jié)列車再生制動能量吸收與利用

城市軌道交通列車運行在再生制動工況時，列車上的牽引電機處于發(fā)電機運行狀態(tài)，將列車動能轉(zhuǎn)換為電能反饋回直流牽引網(wǎng)。當(dāng)列車再生制動反饋的能量，不能被鄰近列車吸收時，將臺高牽引網(wǎng)絡(luò)，因此，有必要在城市軌道交通牽引系統(tǒng)中設(shè)置再生制動能量吸收裝置，從而可節(jié)約能源和穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓。目前，城市軌道交通再生制動能量吸收方案主要分為電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型等。軌道交通牽引供變電技術(shù)第五節(jié)列車再生制動能量吸收與利用城市軌道交通列一、電阻耗能型電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。由IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管D、濾波裝置（濾波電容C和濾波電抗器L）、直流快速斷路器DQF13、電動隔離開關(guān)等組成，其接線示意圖如圖7.11所示。軌道交通牽引供變電技術(shù)一、電阻耗能型軌道交通牽引供變電技術(shù)圖7.11電阻吸收裝置接線軌道交通牽引供變電技術(shù)軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：控制簡單、直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；對降低隧道溫度、減少閘瓦制動對閘瓦的消耗、減少閘瓦制動粉塵、凈化隧道環(huán)境比較有效，技術(shù)成熟，價格較低；確定有再生電能需要吸收的判斷條件是否完善，不會引起誤判，從而造成電能的額外消耗。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；電阻散熱導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，當(dāng)該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，并且該房間需采取措施保證有足夠的通風(fēng)量，需要相應(yīng)的通風(fēng)動力裝置，也增加相應(yīng)的電能消耗。軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：控制簡單、直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降目前國內(nèi)重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線、北京首都機場線都有采用該方式制動。二、電容儲能型

電容儲能型再生制動能量吸收裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車處于啟動、加速階段需要取流時，再將電容器組所儲存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。該裝置由儲能電容器組、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機控制單元等組成，其主接線示意圖如圖7.12所示。軌道交通牽引供變電技術(shù)目前國內(nèi)重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線、北京首圖7.12電容儲能裝置接線示意圖軌道交通牽引供變電技術(shù)軌道交通牽引供變電技術(shù)由于電容儲能裝置是一個大容性設(shè)備，因此它同時具有儲能（儲存車輛再生電能）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓）兩種工作模式，這兩種工作模式可以自動切換。（1）儲能模式。當(dāng)電容儲能裝置工作在儲能模式時，在車輛制動且再生能量不能被其他車輛吸收時，電容組充電，吸收車輛再生電能，將列車制動能量存儲在儲能裝置中，可以減少車輛使用空氣制動的頻率；在變電所附近車輛需要通過牽引網(wǎng)取電時，釋放存儲的電能，給車輛提供牽引用電。從而可以減少牽引變電所輸出功率，減少牽引供電用電量，達(dá)到節(jié)約電能和減少能源消耗的目的。軌道交通牽引供變電技術(shù)由于電容儲能裝置是一個大容性設(shè)備，因此它同時具有儲能（儲當(dāng)電容儲能裝置工作在儲能模式時，儲能量在大部分時間都處于低水平，以備隨時吸收車輛的制動能量。（2）穩(wěn)壓模式。當(dāng)電容儲能裝置工作在穩(wěn)壓模式時，可以通過車輛的再生制動能量快速充電，在沒有車輛制動的情況下，也可以通過變電所中的直流供電設(shè)備慢速充電；在牽引網(wǎng)電壓較低時，釋放儲存的電能，以穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，從而起到改善牽引供電質(zhì)量的作用，避免網(wǎng)壓過低造成車輛的欠壓保護動作，影響正常行車。軌道交通牽引供變電技術(shù)當(dāng)電容儲能裝置工作在儲能模式時，儲能量在大部分時間都處于當(dāng)電容儲能裝置工作在穩(wěn)壓模式時，儲能量在大部分時間都處于高水平，只有當(dāng)檢測到網(wǎng)壓低于規(guī)定的下限時，才向牽引網(wǎng)釋放儲存的電能。優(yōu)點：有效利用了列車制動時的再生電能，節(jié)能效果好；直接接在牽引網(wǎng)或變電所正負(fù)母線間，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)不會造成影響；維護和更換元器件較為方便，并可減少或取消列車制動電阻的容量。缺點：對于運量較大的軌道交通線路，目前的產(chǎn)品容量較小，不能滿足完全吸收列車再生電能的需要。軌道交通牽引供變電技術(shù)當(dāng)電容儲能裝置工作在穩(wěn)壓模式時，儲能量在大部分時間都處于三、飛輪儲能型飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置通過對變電所直流空載電壓、母線電壓的跟蹤判斷，確定是否有列車在再生制動，且再生電能不能完全被本車輔助設(shè)備和相鄰車輛吸收，當(dāng)判斷變電所附近列車有再生電能需要吸收時，飛輪加速轉(zhuǎn)動，儲存能量；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動牽引用電時，飛輪轉(zhuǎn)速降低，作為發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)反饋電能。除具有電能吸收功能外，還具有穩(wěn)壓功能，即通過檢測運行狀態(tài)，在牽引網(wǎng)電壓較高時吸收電能，在電壓較低時釋放電能，穩(wěn)定電壓。軌道交通牽引供變電技術(shù)三、飛輪儲能型軌道交通牽引供變電技術(shù)

該裝置由儲能飛輪電機、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機控制單元等組成，直接接在變電所正負(fù)母線或牽引網(wǎng)和回流軌間，主接線示意圖如圖7.13所示。圖7.13飛輪裝置接線示意圖軌道交通牽引供變電技術(shù)該裝置由儲能飛輪電機、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電優(yōu)點：有效利用了列車制動時的再生電能，節(jié)能效益好；并可取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；直接接在牽引網(wǎng)或變電所正負(fù)母線間，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對系統(tǒng)不會造成影響，但維護復(fù)雜。

目前，英國UPT電力公司已有成熟的飛輪產(chǎn)品，在英國電力系統(tǒng)、紐約部分地鐵、我國香港巴士公司等都有應(yīng)用。軌道交通牽引供變電技術(shù)優(yōu)點：有效利用了列車制動時的再生電能，節(jié)能效益好；并可取消（四、逆變回饋型逆變回饋型再生制動能量吸收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，該裝置由晶閘管逆變器RCT3、逆變變壓器T3、平衡電抗器L、交流斷路器QF3、直流快速斷路器DQF13、電動隔離開關(guān)、直流電壓變換器UT和調(diào)節(jié)控