中压逆变回馈装置在石家庄地铁中的容量配置方案

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100071) (2.石家庄市轨道交通有限责任公司 河北 石家庄 050000)

一、引言

城市轨道交通具有站间距离短、车行密度大等特点，在运行过程中伴随频繁启动、制动会产生数量较大的再生制动能量，可以占到牵引能量的30%左右。其中，20%～80%的再生制动能量通过接触网(轨)被相邻车辆吸收，剩余部分主要被车辆吸收电阻以热量的形式消耗，导致区间隧道和车站站台温度升高，额外增加空调通风装置电能消耗，并提高工程整体的建设和运营费用。且车体制造、控制等技术的提高加剧车内空间的紧张程度，车载吸收电阻散发的热量也对其他设备安全运行产生不利的影响。

因此，利用设置在车体外的再生制动能量吸收装置可以提高制动能量的利用率，降低运营负担，保证车辆安全平稳运行。再生制动能量吸收装置主要有电阻吸收型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等类型。其中，逆变回馈型装置节能效果好，能量直接回馈至电网，不需储能元件，对环境温度影响小。因此，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。近年来，逆变回馈型再生制动能量装置已广泛应用于城市轨道交通中。

二、逆变回馈型装置方案介绍

逆变回馈型再生制动能量吸收装置利用高频大功率晶闸管三相逆变器吸收车辆制动产生的能量，并逆变转换为交流电源，再经能馈变压器回馈至交流侧(中压或低压母线)。该装置自动监测直流母线电压，当制动能量抬升直流电压并超过设定值时，利用PWM脉冲信号立即开启逆变器并从直流母线吸收电流，在回馈电能的同时也稳定直流电压。

该装置主要由晶闸管逆变器、能馈变压器、直流开关设备、交流开关设备、调节控制设备、传感器和微机控制单元等电气设备组成。

根据制动能量回馈位置的不同，将逆变回馈装置分为两类：回馈至400V母线的逆变电阻混合型、回馈至中压母线的逆变型。

(一)回馈至400V母线

这类再生制动能量吸收装置由逆变装置和电阻吸收装置组成。当制动能量抬升直流电压超过设定值时，装置启动工作，首相将制动能量逆变回馈至车站400V低压配电系统供车站动力、照明灯设备利用，以及通过动力变压器向中压侧回馈。当因400V母线负荷容量小而吸收功率不够时，吸收电阻投入工作，多余的能量由吸收电阻消耗。该装置综合逆变和吸收电阻的优点，且逆变回馈至400V低压系统，可以一定程度避免对系统的谐波影响。但再生制动能量利用率相对较低，环控系统仍要增加额外的电能消耗，且低压侧设备额定容量较小，回馈的能量容易造成设备的损耗。具体原理如图1所示。

图1 低压逆变回馈装置原理示意图

该装置是逆变与电阻双模式吸收设备，逆变优先投入工作，若制动能量过大，400V母线难以吸收，则再用电阻吸收。这种特点使得装置可以克服运营低峰、出入库、高速制动灯特定环境下引发的脉冲尖峰，保证400V系统的机电设备安全平稳运行。目前，这种装置在北京9号线、重庆1号线和3号线已有成功应用的案例。

(二)回馈至中压母线

相较于低压母线，中压母线容量更大、系统更稳定，可以吸收更多再生制动能量且不需要配置吸收电阻。这类装置的逆变单元通过断路器与直流母线连接，另一端通过能馈变压器与中压母线连接。装置监测交、直流电压的变化，若再生制动能量抬升直流侧电压高于设定值，并综合直流电流极性等参数，然后将逆变回馈装置投入工作，最终将制动能量回馈至中压侧，将电压保持在设定值以下。虽然会将含有较高谐波的电能注入到中压侧，但利用PWM脉冲控制技术以及相应电感滤波装置可以有效降低谐波含量，有效消除对电网的不利影响。

且该型装置再生能量利用率高、对环境要求较低，适合于大功率室内安装。具体原理如图2所示。

图2 中压逆变回馈装置原理示意图

该装置不需要吸收电阻配合，直接将再生制动能量回馈至负荷容量较大的中压侧，因此不要增加空调通风设备，在提高制动能量利用率的同时也降低相关建设和运营成本。近来，这种装置在北京8号线、15号线已成功应用。

综上所述，低压逆变回馈装置对电网冲击小，但再生制动能量利用率相对较低，且对环境要求较高；中压逆变回馈装置再生制动量利用率高，且不需额外的环控设备投资，但会产生较多谐波。近年来，随着电力电子技术发展，注入谐波问题已得到有效缓解和控制，中压逆变回馈装置逐渐成为市场主流产品。因此，在石家庄地铁2号线中也主要对这种装置进行应用调研和技术分析。

三、中压逆变回馈装置的仿真分析

石家庄地铁2号线全长19.16km,正线共设置8座牵引所。全线采用110/35kV两级电压集中供电方式，并通过DC1500V接触网对车辆供电。全线高峰小时行车密度设置为初期12对/h、近期21对/h、远期30对/h.

为评估中压逆变回馈装置的有效性和经济性，在正线8个牵引所各设置一套该装置，包括嘉华站、塔谈南站、东岗头站、大戏院站、长安公园站、运河桥站和西古城站。具体配置如图3所示。

图3石家庄地铁2号线正线8座牵引所示意图

目前，DC1500V牵引制式的中压逆变回馈装置主流所采用容量多是2MW。因此，仿真时将所有装置容量都设置为2MW，启动电压设置为1730V。利用PSCAD软件搭建牵引所和中压逆变回馈装置的瞬时模型，并在初期、近期、远期三种工况下进行仿真，并统计各个所2MW以下及以上的再生制动电能。每天再生电能统计如表1所示。

表1 各牵引所三种工况下的每天再生电能统计表(kWh)

由表1可知，中压逆变回馈装置潜在的经济效益非常大。其中，2MW以下的再生电能占到总再生电能的72%，其余再生制动能量由于中压逆变回馈装置容量的限制不能被吸收，从而会抬升直流电压。而各个牵引所仿真时最大网压统计如表2所示。

表2 三种工况下，各个牵引所得最大网压值(kV)

从表2可以看出，2MW以上不能及时被中压逆变回馈装置吸收的能量抬升网压，使得嘉华站网压在初期和远期工况下，超出规定值DC1800V，从而会导致机车和牵引所内的机电设备受损，不利于运营安全。从表1可以看到作为边站的嘉华站、西古城站2MW以上的电能较多，对抬升网压有较大影响。因此，调整两站中压逆变回馈装置容量的配置方案，将其容量设置为3MW，并继续仿真。则新容量配置方案下的各个牵引所每天再生电能统计如图4所示。

图4 各牵引所三种工况下的每天再生电能统计图(kWh)

新容量配置方案下，各个牵引所最大网压值统计如表3所示。

表3 三种工况下，各个牵引所得最大网压值(kV)

表3显示出，在中压逆变回馈装置新容量配置方案下，边站的装置有效吸收了部分的2MW以上的再生制动能量，使得牵引所网压可以保持在DC1800V以下，保障车辆和牵引所内设备的安全平稳运行。且全线网压低压DC1800V，车辆可以取消车载电阻。

同时结合表1和图4，可以看出中压逆变回馈装置经济效益和社会效益非常大。在三种工况下，该装置在初期回馈电能1.74万度/天(637万度/年)，近期回馈电能1.61万度/天(590万度/年)，远期回馈电能1.71万度/天(624万度/年)。可以看出，中压逆变回馈装置每天可回馈的电能大于1.6万度，经济效果良好。

因此，采用新容量配置方案既可以有效利用再生制动能量，节约能源，又可以将全线牵引所网压维持在DC1800V以下。

四、结论

中压逆变回馈装置因中压母线负荷容量大，不需要配置吸收电阻，直接将列车再生制动直流电能逆变转换为交流电能回馈到中压侧，供其他机电设备实时消耗。由仿真结果可知该装置在新的容量配置方案下，可以保证列车和牵引变电所内的机电设备安全运行，也有效再利用制动能量，节能效果显著。且电力电子技术的发展，会降低设备的造价并有效控制谐波含量，更好的推动中压逆变回馈装置运用在工程实践中。

【参考文献】

[1]于松伟,杨兴山,韩连祥,等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008:450-455.

[2]许爱国.城市轨道交通再生制动能量利用技术研究[D].南京航空航天大学,2009.

[3]缪晓宇,曾之煜,方雨菡.基于超级电容的再生制动能量吸收装置分析[J].电气化铁道，2012(4).

[4]曾之煜,陈桁,敖娜娜.逆变回馈型再生制动能量吸收装置系统的控制[J].电气化铁道，2011(4).

[5]苏劼.城市轨道交通能馈式牵引供电系统的应用研究[D].北京交通大学,2009.

[6]再生能馈装置在城市轨道交通供电系统中的优化配置研究[D].北京交通大学,2016.