能馈式牵引供电装置在轨道交通领域的应用

陈德胜 刘志刚 张 钢

(1.北京交通大学电气工程学院 北京 100044;2.北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

能馈式牵引供电装置在轨道交通领域的应用

陈德胜1，2刘志刚1张 钢1

(1.北京交通大学电气工程学院 北京 100044;2.北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

通过对国内外列车再生制动能量吸收技术对比分析，得出能馈式牵引供电装置是当前解决列车再生制动能量问题的较优措施。给出能馈式牵引供电装置在北京地铁10号线二期工程的应用设计方案，并进行现场试验和应用效果分析。对能馈式牵引供电装置在城市轨道交通中的适应性进行分析，为进一步工程推广应用提出建议。

城市轨道交通;列车;能量回馈;再生制动;北京地铁10号线二期工程

根据国家有关部委颁布的《中国节能技术大纲》的精神，城市轨道交通领域需大力推广应用节能技术及产品。能馈式牵引供电装置可以有效地吸收利用地铁车辆的再生制动能量，降低地铁电能消耗，降低运营成本，达到减少能耗的目的［1］。研究并逐步推广应用能馈式牵引供电装置，是未来轨道交通践行节能要求的重要措施之一。

1 列车制动能量利用方式分析

根据能量处理方式的不同，将列车再生制动能量吸收装置分为3类:能量消耗型、能量储存型、能量回馈型［2］。

1.1 能量消耗型

能量消耗型是指利用电阻吸收装置，将列车的再生制动能量消耗掉，从而抑制接触网网压的飙升。电阻吸收装置会造成能量的浪费，还由于电阻的发热量大，对规划、景观、散热、防雨等方面的要求比较高。目前，北京地铁昌平线、亦庄线等线路设置了电阻吸收装置。

1.2 能量储存型

能量储存型主要包括电容储能吸收装置和飞轮储能吸收装置。

1.2.1 电容储能吸收装置

电容储能吸收装置是用超级电容将列车制动能量存储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用［3］。电容储能吸收装置的技术原理较佳，但国内企业暂无生产供货能力，进口设备不成熟，技术有待完善和提高，建设成本高，国内尚无成功的工程应用实例。北京地铁5号线曾设置了4套电容储能吸收装置，但一直未投入运行。

1.2.2 飞轮储能吸收装置

飞轮储能吸收装置是利用高速旋转的飞轮，将列车制动能量存储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用。飞轮储能吸收装置的技术原理也较佳，但国内企业暂无生产供货能力，进口设备不成熟，技术有待完善和提高，建设成本高，国内尚无成功的工程应用实例。

1.3 能量逆变型

能量逆变型是利用电力电子变流器，将列车制动能量逆变为交流电能回馈到交流电网，供其他设备再利用。根据交流电网的电压等级，能量逆变型又分为中压逆变型(35 kV或10 kV)和低压逆变型(380 V)，其中能馈式牵引供电装置属于中压逆变型。中压电网容量更大、更稳定，对于能量的流动和分配利用更有利。此外，能馈式牵引供电装置还具备参与牵引供电、维持网压稳定以及无功补偿的特点，且接口简单、工程实施容易，所以是未来的发展趋势。

综上所述，结合目前地铁的工程特点和相关技术的发展方向，从技术先进性、合理性、经济性、可实施性、知识产权等方面综合比较，能馈式牵引供电装置具有自主知识产权、功能齐全、工程可实施性强等优点，是近期城轨工程建设的一个选择方向。

2 北京地铁应用方案及效果分析

2.1 应用方案

2.1.1 目标需求

基于列车制动能量吸收、与列车信号控制系统匹配、与列车电制动措施匹配等因素，从节约能源的角度考虑，北京地铁10号线二期工程在十里河、西钓鱼台两个车站设置了能馈式牵引供电装置。主要功能定位:吸收列车再生制动能量并回馈至中压电网，达到节约能源的目的;保证列车再生制动能力的发挥，减少轮轨磨耗。

2.1.2 技术方案

1)容量计算与选择方案:根据牵引仿真计算，当行车间隔为3 min时，十里河站制动能量的有效功率为775 kW，西钓鱼台站制动能量的有效功率为778 kW;两站的制动能量瞬时功率峰值约为1 500 kW，图1所示为单列车正常运行单向全程电压及电流曲线。因此，选配了2 000 kW的能馈式牵引供电装置。

图1 单列车正常运行单向全程电压及电流曲线

2)接线方案:能馈式牵引供电装置中压侧通过中压馈线开关H1接入10 kV电网，直流侧正极与直流进线开关Z1连接，负极与隔离开关G1连接，最终能馈式牵引供电装置与两套牵引整流机组构成并联关系，如图2所示。

3)运行方式:在正常运行时，交直流侧所有开关处于合闸位，能馈式牵引供电装置投入运行。当能馈式牵引供电装置内部发生任何故障时，能馈式牵引供电装置退出运行。当两套牵引整流机组中的任何一组退出运行时，能馈式牵引供电装置同时也退出运行。

4)保护方案:能馈式牵引供电装置设置了电压失步、过电流、过负荷、过热、短路、绝缘栅双极晶体管(IGBT)故障、温度等保护，所有保护信息上传电力监控系统，并联跳中压馈线开关，与之连接的中压馈线开关增设了失压跳闸保护。能馈式牵引供电装置在设置了框架泄露保护，动作时可联跳中压馈线开关和直流进线开关。

图2 系统接线

2.2 应用效果分析

以十里河站为例，对试验测试数据进行分析，验证能馈式牵引供电装置的实施效果，图3所示的是设备所在试验区段的情况。

图3 试验区段情况

设备主要技术参数［4］如下:系统容量2 MW，交流电压10 kV，直流电压750～1 000 V，功率因数大于0.99，变流器效率大于98%，电流谐波畸变小于3%。

图4所示为能馈式牵引供电装置未投入时，列车上一个牵引逆变器的直流电压、直流电流及车速之间的变化曲线。可以看出，列车牵引时直流电压跌落明显，列车制动时直流电压迅速飙升到980 V，电制动被切除，列车再生制动失效。图5所示为能馈式牵引供电装置投入工作后对应的波形。可以看出，列车制动时牵引逆变器直流电流为负值(最大为－700 A左右)，直流牵引网电压被有效抑制在920 V以下，使列车再生制动能力得到有效发挥。

表1所示为2013年9月1日—17日十里河能馈式牵引供电装置回馈电能以及宋家庄开闭所反送10 kV电网的电能数据。其中，定义反送率=(宋家庄反送电能/十里河回馈电能)×100%。根据表1数据，这段时间能馈式牵引供电装置单日最高回馈电能为2 161 kW·h，宋家庄向城市电网单日最高反送电能为277 kW·h，反送率最高为15.63%。由此可见，能馈式牵引供电装置回馈的再生制动能量绝大部分可以在地铁内部消耗掉，有小部分会被反送到城市电网。

图4 设备未投入时电压、电流、速度曲线

图5 设备投入后电压、电流、速度曲线

表1 节能数据

3 进一步应用思考

列车具有启动时消耗大量电能，制动时再生大量电能的特点，因此直流牵引系统在最大运行方式下，当多列车同时启动时，牵引网网压存在较大跌落的情况;当多列车制动时，牵引网网压存在骤升的可能性。能馈式牵引供电装置的正向整流、反向逆变回馈正好与列车的各项特性相匹配、相吻合。

虽然具有较好的特性匹配之处，但在具体工程推广应用时，还需进一步进行研究分析，体现针对性和目标性。

3.1 功能定位适应性分析

3.1.1 制动能量吸收

制动能量吸收是能馈式牵引供电装置的首要功能。能馈式牵引供电装置可以将列车制动能量逆变回馈至交流中压网络，通过中压网络再分配、再利用，起到显著的节能效果。此外，由于列车制动能量能够快速、有效地吸收，可以进一步改善列车的制动停车效果，减少列车的闸瓦磨耗，提高列车的停车精度。

3.1.2 牵引整流功能

当能馈式牵引供电装置开放正向牵引整流功能时，可以实现牵引整流机组的效果。当开放牵引整流功能后，相当于增加了一套牵引整流机组，扩大了牵引变电所的牵引供电容量，可以进一步优化牵引变电所的布点及容量配置方案。另外，当开放牵引整流功能后，可以进一步改善牵引网的网压水平，抑制牵引网网压的跌落，提高供电品质。

3.2 系统匹配性分析

结合能馈式牵引供电装置的各项功能，在城市轨道交通工程应用中可以采取不同的方案。

3.2.1 三机组方案

在设置两套12脉波牵引整流机组的基础上，增设一套能馈式牵引供电装置，与另外两套牵引整流机组构成并联关系，如图6所示(北京地铁10号线采用的是该方案)。

该方案在传统两套牵引整流机组基础上增设了能馈式牵引供电装置，牵引供电的可靠性进一步加强，容量进一步扩大，可以有效优化牵引变电所的布点及容量配置，使正向牵引整流、反向逆变回馈的功能充分体现。事实上，若采取该方案，可以适当降低两套牵引整流机组的容量配置。

3.2.2 两机组方案

设置一套牵引整流机组、一套能馈式牵引供电装置，如图7所示。

图6 三机组应用方案

图7 两机组应用方案

该方案减少了一套牵引整流机组，建设投资降低，同时能保证牵引整流功能及逆变回馈功能，系统及设备配置进一步优化。若采取该方案，需要关注牵引整流机组及能馈式牵引供电装置的容量配置，建议结合双边供电、大双边供电的容量需求，加大两套机组的容量配置，提高机组的过载能力。

4 结语

能馈式牵引供电装置能够将列车制动能量回馈到交流电网再利用，同时兼有牵引整流、稳压、无功补偿等功能，应用前景广阔。通过对能馈式牵引供电装置不同功能的适应性分析可知，在今后的城市轨道交通工程建设中，可以根据不同的目标需求，适时开放相应的功能，梳理与其他牵引设备之间的关系，从系统配置的角度出发整合牵引设备配置，达到系统、设备、功能方面的最优配置。

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Application Analysis of Energy Feedback Type Traction Power Supply Device in Urban Rail Transit Field

Chen Desheng Liu Zhigang Zhang Gang
(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044;2.Beijing Urban Construction Design＆Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:By comparing domestic and international regenerative braking energy absorption technologies of the subway train，it was concluded that the energy feedback traction power supply device is a good measure to solve the current issue of train regenerative braking energy.This article introduces the application design scheme of energy feedback traction power supply device which is used in the Beijing subway line 10 and the field test and application effect analysis.The adaptability of energy feedback traction power supply device on urban mass transit is analyzed for further engineering promotion and application.

Key words:urban rail transit;train;energy feedback;regenerative brake;the second stage project of Beijing subway Line 10

U231.8;U260.4+9

A

1672-6073(2014)01-0111-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.027

收稿日期:2013-12-21

2014-01-01

作者简介:陈德胜，男，硕士研究生，研究方向为城市轨道交通牵引供电技术，chends@buedri.com

中央高校基本科研业务费专项基金(2014JBM114)

(编辑:郭 洁)