中压能馈逆变装置在轨道交通中的应用.docx
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中压能馈逆变装置在轨道交通中的应用
中压能馈逆变装置在城市轨道交通中的应用
王会丰刘恒
摘要：
通过对再生制动能量的分析及再生制动能量吸收装置的对比介绍，得出逆变回馈式装置是当前解决列车再生制动能量问题的较优措施。
给出了中压能馈逆变装置在北京地铁15号线供电工程的设计方案，并进行了现场试验和应用效果分析。
关键词：
轨道交通再生能量逆变回馈节能减排
1引言
目前城市轨道交通普遍采用交流传动即VVVF（VariableVoltageandVariableFrequency）动车组列车，其制动一般为电制动（即再生制动、电阻制动）和空气制动两级。
在车辆高速运行时，使用再生制动和电阻制动，当减速到电制动不起作用时，使用空气制动。
列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观，可以达到牵引能量的40％以上，部分再生制动能量（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。
当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。
资料表明，当列车发车间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被再生能量吸收装置吸收，变成热能并向四外散发，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使建设费用和运行费用增加。
如能将这部分能量储存再利用，这些问题将迎刃而解。
2再生制动能量吸收装置的类型和特点
目前，国内外再生制动能量吸收装置主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等4种。
电阻耗能型
电阻耗能型是在变电所设置一套电阻吸收装置，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。
该装置的优点：
控制简单，可以取消（或减少）列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；对降低隧道温度、减少闸瓦的消耗和制动粉尘、净化隧道环境比较有效，而且国内有比较成熟的产品制造经验，价格也较低。
该装置的缺点：
再生制动能量消耗在吸收电阻上集中发热消耗，对再生电能不能有效利用；电阻散热也导致环境温度上升，因此当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，设备房间也必须采取措施保证有足够的通风量。
从发展的角度，它不代表再生电能吸收技术的方向。
电容储能型
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。
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，在马德里、法兰克福轨道交通有应用，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。
飞轮储能型
飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样，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，在纽约、香港地铁有应用，但国内尚无成功的工程应用实例。
逆变回馈型
能量逆变回馈装置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。
该装置充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻；对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。
根据交流电网的电压等级，能量逆变型又分为中压逆变型（35kV或10kV）和低压逆变型（380V），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。
国外已有批量生产的能馈逆变装置，其中以欧美和日本的产品技术较为成熟。
国内在地铁运营中应用再生能量回馈技术尚属起步阶段，在重庆地铁、北京地铁十号线二期、北京地铁15号线进行了有限投入。
3能馈逆变装置
能馈逆变装置原理
能馈逆变装置是将地铁车辆进站制动时产生的直流电能逆变成与交流电网同幅值、同相位交流电能的电力电子装置，其原理图如图3-1所示。
能馈式逆变装置
图3-1能馈逆变装置示意图
能馈逆变装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该装置的直流侧与牵引变电所中的直流母线相联，其交流进线接到交流电网上，当再生制动使接触网直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。
中压能馈逆变装置
生产的中压能馈逆变装置可以实现上述目的，在国内地铁中得到了初步应用。
该中压能馈逆变装置包含直流控制柜一面、逆变柜若干面、升压变压器柜一面。
逆变柜配置数量根据系统需求吸收功率进行设置，一般为1～4面，每面逆变柜包含4个NPC模块和一个并网断路器。
对于1500V直流牵引系统每面逆变柜额定输出功率为1500kW，对于750V直流牵引系统每面逆变柜额定输出功率为750kW。
主电路结构
图3-2主电路原理图
各柜体功能如下：
直流控制柜：
直流电源隔离、预充电、NPC模块协调控制及人机界面显示；
逆变柜：
将直流电能逆变成与电网电压同幅值、同相位的交流电能；
变压器柜：
将逆变柜低压交流电能进行升压。
NPC模块原理图
图3-3NPC模块原理图
列车进站产生的再生直流电通过熔断器进入NPC模块的直流支撑电容，三电平三相全桥将直流电逆变成与电网同幅值、同相位的交流电。
C1、C2为直流支撑电容，C3～C8为IGBT吸收电容，IGBT1～IGBT12与D1～D4构成三电平三相全桥、输出电感以及电压、电流检测。
NPC模块功能介绍：
将直流电逆变成与电网同幅值、同相位的交流电；
检测交直流测电压、电流，并提供完善的保护；
将检测的各种信号量和NPC内部状态信号上送。
控制与通讯
中压能馈逆变装置控制系统采用主控+分控方式，主控由DSP主控制器+PLC组成，多个NPC模块采用分控方式。
主控主要完成工作包括：
系统预充电、各开关器件分合闸控制、HMI、与PSCADA通讯以及多个NPC模块的协调控制；分控主要完成：
同期并网、双闭环控制、SVPWM发波、并网功率控制等。
系统保护
中压能馈逆变装置保护包括主控系统保护和NPC模块保护两大类。
主控系统保护定值及延时时间比NPC模块保护定值及延时时间稍大一些，当主控系统保护动作时，通常会有相应的开关动作；NPC模块保护时，通常只封锁本模块输出，故障消失后模块可以重新投入运行。
4中压能馈逆变装置的应用方案及效果分析
应用方案
北京地铁15号线西段共七个车站，在大屯路东、奥林匹克公园、六道口站等3个车站设置了电阻吸收装置，在关庄、安立路、北沙滩、清华东路西口站等4个车站设置了中压能馈逆变装置，主要功能定位：
稳定牵引网网压，吸收列车再生制动能量并回馈至中压电网，节约能源。
技术方案
北京地铁15号线西段供电系统采用10kV开闭所供电方式，牵引网采用DC750V接触轨供电，直流侧空载电压为DC823V，直流系统长期工作电压波动范围为DC500V~900V，直流侧再生制动时电压不高于1200V。
根据仿真计算结果，选用了HXXS-NB-750/3000型中压能馈逆变装置，该装置额定输入电流为DC750V，最大输入电流3500A，额定输出功率3000kW，隔离变压器低压侧额定电压AC500V，输出电流谐波<3%，启动电压值为820V~950V。
接线方案
中压能馈逆变装置的直流控制柜中的85、86电动隔离开关分别接到750V负极柜和750V馈出柜的80断路器开关，完成中压能馈逆变装置与直流系统的输入连接；变压器柜中的高压侧U、V、W母排分别接到10kV开关柜H202的822断路器的U、V、W三相，完成中压能馈逆变装置与10kV交流系统的输出连接。
运行方式
变电所正常运行时，交、直流侧所有开关处于合闸位，中压能馈逆变装置投入运行。
当中压能馈逆变装置内部发生任何故障时，中压能馈逆变装置退出运行。
当两套牵引整流机组中的任何一组退出运行时，中压能馈逆变装置不退出运行。
应用效果
下文分别从静调测试、车辆配合测试、车辆压力测试、车辆跑图测试这几个阶段，分别介绍中压能馈逆变装置的运行情况，根据现场实测的示波器波形及工控机记录的数据验证装置对接触轨电压所起到的控制作用。
静调测试
静调测试是验证没有列车制动时，中压能馈逆变装置在额定功率下能否正常运行。
测试时，使用示波器观察接触轨电压及中压能馈逆变装置变压器低压端的并网回馈电流，同时使用功率分析仪测试并网电流的电能质量。
（1）测试仪器
电压差分探头1个、罗氏线圈2个、示波器1台、功率分析仪1台，具体型号及仪器作用如下表描述：
序号
名称
型号
数量
备注
1
电压差分探头
TektronixOIDP-100
1
测试接触轨电压
2
罗氏线圈
CWT30B/4/500
2
测试并网电流
3
四通道示波器
MSO-X3054A
1
观察电压、电流波形
4
功率分析仪
HIOKI3390
1
测试并网电流谐波
（2）测试数据
选择关庄站的数据进行分析，图4-1和图4-2为中压能馈逆变装置进行静调的示波器和功率分析仪测试波形。
图4-1系统满功率运行时电压、电流波形图
图中蓝色波形线为接触轨电压，平均值为754V，黄色波形线为变压器低压侧（500V）的并网电流，有效值为3689A，中压能馈系统回馈至10kV电网功率为=。
图4-2变压器低压侧电流谐波
（3）测试结论
通过波形图可以看出，没有列车制动时，中压能馈逆变装置在额定功率下能正常工作，且变压器低压侧并网电流谐波<3%，优于国标要求，接触轨电压波形接近一条直线，测试结果符合测试要求。
车辆配合测试
车辆配合测试是验证有车辆进行电制动时，中压能馈设备能否对接触轨电压进行有效的控制。
实际测试时，使用示波器同时监视接触轨电压及并网电流，验证中压能馈逆变装置的控制效果。
（1）测试仪器
电压差分探头1个、罗氏线圈2个、示波器1台、功率分析仪1台，具体型号及仪器作用如下表描述：
序号
名称
型号
数量
备注
1
电压差分探头
TektronixOIDP-100
1
测试接触轨电压
2
罗氏线圈
CWT30B/4/500
2
测试并网电流
3
四通道示波器
MSO-X3054A
1
观察电压、电流波形
4
功率分析仪
HIOKI3390
1
测试并网电流谐波
（2）测试数据
选择安立路站的数据进行分析，图4-3为中压能馈逆变装置进行车辆配合调试的示波器测试波形。
图4-3车辆电制动时电压、电流波形
图中黄色波形线为接触轨电压，接触轨电压几乎没有波动，最大电压不超过855V，绿色波形线为变压器低压侧并网电流，波形幅度从无到有，表示列车制动开始，波形从有到无，表示列车制动完成，整个制动过程持续时间约30s。
（3）测试结论
从示波器数据和中压能馈逆变装置的历史数据可以看到，在车辆进行电制动时，中压能馈逆变装置进入吸收运行状态，制动开始到制动结束的整个过程中，接触轨母线电压控制稳定在835V左右，最大母线电压不大于855V，符合测试预期的要求。
车辆压力测试
车辆压力测试是验证车辆在特殊条件下制动时，中压能馈逆变装置能否对接触轨电压进行有效的控制。
测试时，使用示波器同时监测接触轨电压波形及并网电流，观察在各种极限条件下中压能馈逆变装置的控制效果。
（1）测试仪器
电压差分探头1个、罗氏线圈1个、示波器1台，具体型号及仪器测试作用如下表：
序号
名称
型号
数量
备注
1
电压差分探头
TektronixOIDP-100
1
测试接触轨电压
2
罗氏线圈
CWT30B/4/500
1
测试并网电流
3
四通道示波器
MSO-X3054A
1
观察电压、电流波形
（2）测试数据
下表为车辆压力测试的内容及测试结果。
测试项目
测试内容
车辆速度
（km/h）
接触轨最高电压（V）
最大吸收功率（MW）
设备投运情况
1
两车同时进站，同时制动
40
851
4个站中压能馈及3个站电阻消耗装置全部投入
2
70
3
85
4
相同站，一车制动，一车牵引
40
841
5
70
6
80
7
本站一车制动，邻站一车牵引
40
8
70
9
80
10
两车同时进站，同时制动
40
4个站中压能馈装置投入，3个站电阻消耗装置切除
11
70
12
80
13
相同站，一车制动，一车牵引
40
14
70
15
80
16
本站一车制动，邻站一车牵引
40
17
70
857
18
80
860
选择安立路站的数据进行分析，图4-4为上表中测试项3的波形图，图4-5为上表中测试项12的波形图。
测试项3是在4个车站中压能馈装置及3个车站电阻消耗装置全部投入情况下，两列车同时进站，同时制动；测试项12是在4个车站中压能馈装置投运，3个站电阻消耗装置切除情况下，两列车同时进站，同时制动。
图4-4测试项3中的电压、电流波形图
图中黄色波形线为接触轨电压，在列车电制动时接触轨电压有了波动，最大电压不超过857V，仍处于控制目标电压（900V）范围内。
绿色波形线为变压器低压侧并网电流，峰值顶端表示已达到额定电流，系统满功率运行。
图4-5测试项12中的电压、电流波形图
图中黄色波形线为接触轨电压，在列车电制动时接触轨电压有了较大波动，最大值达到968V，超出控制目标电压（900V），说明在该站相邻的2站电阻消耗装置退出时，在本站2列车辆同时制动时，中压能馈逆变装置已不能把制动能量完全吸收，导致接触轨电压提升，但还未达到装置的过压保护值1000V，因此装置正常工作。
绿色波形线为变压器低压侧并网电流，峰值顶端表示已达到额定电流，系统满功率运行。
（3）测试结论
从上述18个测试项的示波器测试波形及历史数据来看，除项目11和项目12外，其他所有项目的测试中，接触轨电压均能控制在855V以内，符合测试预期要求。
但项目11、12是在中压能馈站相邻的2个车站电阻消耗装置撤出，在70Km/h和80Km/h高速下进行满级制动时测试所得，由于制动能量过大，装置无法完全吸收，导致接触电压超过控制目标值（900V），但未达到中压能馈逆变装置的过压保护值，因此装置依然能正常工作。
车辆跑图测试
在车辆进行跑图（运营测试）期间，4个站的中压能馈逆变装置及3个站的电阻消耗装置均已投入运行，通过分析装置的连续5天历史曲线数据，来判断中压能馈逆变装置是否正常投入运行，接触轨电压是否能得到较好的控制，同时分析设备运行的最大功率、接触轨最高电压统计、节能情况。
（1）测试数据
图4-6为某一日安立路站中压能馈逆变装置的24小时历史曲线图。
从历史曲线可以看到，中压能馈逆变装置能正常运行，在车辆制动时能正常吸收能量，接触轨电压稳定。
下表为安立路连续5日跑车的历史数据统计，接触轨电压控制在控制目标值（900V）以下，系统运行正常。
日期时间
接触轨最高电压（V）
最大运行功率（MW）
2014:
12:
1300:
00–23:
59
879
2014:
12:
1400:
00–23:
59
2014:
12:
1500:
00–23:
59
2014:
12:
1600:
00–23:
59
2014:
12:
1700:
00–23:
59
（2）节能分析
下表记录了安立路站每小时中压能馈逆变装置回馈到10kV电网的电度值，从表中可以计算出当天的回馈电度为：
38335-37548=787（KWh）。
日期时间
中压能馈逆变装置回馈总电度（KWh）
2014-12-177:
30
37548
2014-12-178:
00
37565
2014-12-179:
00
37608
2014-12-1710:
00
37640
2014-12-1711:
00
37680
2014-12-1712:
00
37724
2014-12-1713:
00
37779
2014-12-1714:
00
37824
2014-12-1715:
00
37881
2014-12-1716:
00
37940
2014-12-1717:
00
37999
2014-12-1718:
00
38046
2014-12-1719:
00
38080
2014-12-1720:
00
38133
2014-12-1721:
00
38208
2014-12-1722:
00
38290
2014-12-1723:
00
38335
5结束语
本文通过实例分析，验证了中压能馈逆变装置在实际应用中起到了稳定接触轨网压、回馈电能的双重效果，可以降低地铁电能消耗，降低运营成本，达到了“节能减排”的目的。
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。
研究并逐步推广应用逆变回馈式装置，是未来轨道交通践行节能要求的重要措施之一。
参考文献：
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111—114.
（2）吉正华、江平、王文荣、杨海英.城市轨道交通再生制动能量回收方案及控制技术研究[C].中国电机工程学会年会论文集.西安.中国电机工程学会，2008：
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（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：
北京交通大学，2009.
（6）肖莹.能馈式牵引供电装置在地铁供电中的应用研究[D].广州：
华南理工大学，2011.
作者简介：
王会丰，华铁工程咨询有限责任公司，工程师，，北京市东城区东直门外大街航空服务楼7楼71710007
刘恒，北京城市快轨建设管理有限公司，工程师，，北京市东城区东直门外大街航空服务楼7楼71710007
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