北京地铁10号线中压能馈型再生制动电能利用装置

陈 哲

北京地铁10号线中压能馈型再生制动电能利用装置

陈 哲

摘 要：介绍北京地铁10号线所采用的中压能馈型再生制动电能利用装置（简称中压能馈装置）的构成、原理和应用方案。理论分析和运行数据证明该装置具有良好的应用前景。

关键词：再生制动；电能利用装置；PWM逆变器

陈 哲：中铁电气化局第一工程有限公司，工程师，北京 100070

0　引言

城市轨道交通通常采用电动车组列车，制动方式是以电制动（再生制动）为主、空气制动（闸瓦制动）为辅。

在非高峰时段，列车发车密度相对较低时，相邻列车再生制动能量相互利用率低。为了限制网压抬升，保证列车再生制动能力的发挥，减少列车闸瓦制动带来的闸瓦磨耗和粉层污染，传统的做法是在变电所或车上装设电阻制动装置。但是，电阻制动装置不仅笨重，浪费能量，而且其发热被释放到隧道中，还会导致隧道温升加剧，进而增大环控设备耗电量。

图1　装置一次系统图

随着社会环保节能意识的增强和科技进步，在牵引变电所设置中压能馈型再生制动电能利用装置，减少城市轨道交通的用电量，同时减少环境污染，已经成为当前的研究热点。

1　中压能馈装置设备构成

中压能馈型再生制动电能利用装置主要包括10 kV开关柜（H）、能馈变压器(N K B)、能馈低压柜(NKD)、能馈变流器柜(NKS)、直流开关柜(Z)、负极隔离开关柜(G)六大部分，如图1所示。

其中，能馈变压器、能馈低压柜、能馈变流器柜为系统核心设备（图2 ） ，10 kV开关柜、直流1 500 V开关柜、负极隔离开关柜用作与交直流电网之间接口。

中压能馈型再生制动电能利用装置主要设备功能如下。

(1）能馈变压器采用轴向双分裂变压器，将10 kV或35 kV交流电压转换为500 V交流电压，实现与变流器交流输入电压等级匹配。同时，变压器两副边绕组之间实现相互隔离。

(2）能馈低压柜内含2台断路器及相应预充电电路，断路器主要用于对每个变流器支路实现过流及短路保护。

(3）能馈变流器柜是整个系统的核心，内含2台大功率脉宽调制（PWM）整流器（又称双向变流器），每台变流器直流输出750 V，直流侧通过并联或串联，可实现对750 V和1 500 V这2种供电制式的完全兼容；变流器结构采用基于功率组件的系统设计理念，可实现快速维护维修，容量大小可根据需要配置；绝缘栅双极晶体管（IGBT）采用当前最先进的大功率智能IGBT功率模块，确保系统高可靠性、高功率密度以及完善保护功能；基于以太网的实时数据采集与记录，可实现系统运行状态的实时监控以及智能故障诊断。

图2　主要设备实物图

图3　逆变器主电路原理图拓扑

图4　逆变器单相等效电路

图5　现场应用方案

2　设备工作原理

中压能馈型再生制动电能利用装置的核心是大功率的逆变器。逆变器是在脉宽调制技术的基础上发展而来的一种功率变换装置，其主电路构成可以看成是1台三相逆变器（PWM逆变器）加上1个交流电感L，如图3所示。

PWM逆变器采用脉宽调制技术，能够在其交流侧输出幅值和相位可控的三相交流电，如图3中Ua、Ub、Uc。而交流电感 L在逆变器与电网之间起缓冲作用，电源电压ea、eb、ec与逆变器输出电压Ua、Ub、Uc的电压差降落在电感 L上，并决定交流电流的大小。

图4所示单相等效电路的数学表达式如下：

如上所述，在电网电压ea和交流电感L一定的情况下，通过控制Ua大小和相位，就可以控制电流ia大小和相位，进而控制逆变器传输功率。

交流电流的控制是逆变器控制的核心。为了实现对交流电流ia、ib、ic控制，需要控制逆变器输出电压Ua、Ub、Uc的幅值和相位。值得注意的是，Ua、Ub、Uc的幅值和相位是相对于电网电压ea、eb、ec而言的。为此，必须对电网电压ea、eb、ec的幅值和相位进行精确检测，并作为Ua、Ub、Uc控制参照，实现逆变器输出与电网电压的同步。

再生制动电能利用装置其他功能的实现（例如串并联控制、外特性控制等）都是以交流电流控制为基础。

3　系统的应用

3.1应用方案

中压能馈型再生制动能量利用装置在北京地铁10号线（二期）十里河和西钓鱼台变电所进行了示范应用。具体应用方案如图5所示，在既有的24脉波整流机组（2个12脉波整流机组并联）的交直流母线上接入再生制动能量利用装置。

图6　十里河变电所中压能馈装置3个月运行数据图

3.2保护配置

系统相关保护分为内部保护和外部保护两大类。

内部保护为设置在能馈逆变器装置内部的保护，其中保护值可调的主要有过压、欠压、过流、温度等。保护跳闸需要逆变器柜以外的各开关柜去执行。

外部保护即设置在逆变柜以外各开关柜上自带的保护。其中12 kV开关柜保护采取既有的保护设置，设电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、断路器失灵保护；1 500 V开关柜保护在传统保护配置基础上去掉逆流保护。能馈低压柜保护设置长延时、短延时、瞬时电流脱扣保护。

3.3应用数据

图6所示为北京地铁10号线十里河变电所中压能馈型再生制动能量利用装置投入运行后3个月回馈电能数据。其中，单日最高回馈电能2 470 kW.h，3个月累计回馈电能142 443 kW.h，每日平均回馈电能1 675 kW.h。定义节能率=中压能馈装置回馈电能/该变电所输出总牵引电能×100%，则该装置3个月平均节能率=142 443/762 191×100%≈18.68%，节能效果非常显著。

事实上，中压能馈型再生制动能量利用装置具备四象限工作能力，其工作在整流工况，可以为列车提供牵引能量，减小直流电压波动，提高供电品质；其工作在无功补偿状态，可以实现对交流中压环网的无功补偿，提高系统功率因数。因此，随着该设备技术的逐渐成熟和批量化生产，将在城市轨道交通牵引供电系统中得到广泛应用。

参考文献

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[2] 余龙，张钢. 双向变流器在城市轨道交通中的应用浅析[J]. 电气化铁道，2012（6）：42-44，48.

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[4] 王磊，刘志刚，张钢，等. 基于PWM整流器的城轨牵引供电系统研究[J]. 电力电子技术，2009，43（7)：75-77.

责任编辑 冒一平

Medium-Voltage Regenerative Braking Energy Utilization Device on Beijing Metro Line 10

Chen Zhe

Abstract:The paper introduces the composition, principle and application program of the medium-voltage regenerative braking power device of on Beijing metro line 10. Theoretical analysis and operating data show that the regenerative braking energy utilization device has a good application prospectives.

Keywords:regenerative braking, electric energy utilization device, PWM inverter

收稿日期2014-07-17

中图分类号：U231.8