北京地鐵10號線中壓能饋型再生制動電能利用裝置

陳 哲

北京地鐵10號線中壓能饋型再生制動電能利用裝置

陳 哲

摘 要：介紹北京地鐵10號線所采用的中壓能饋型再生制動電能利用裝置（簡稱中壓能饋裝置）的構成、原理和應用方案。理論分析和運行數據證明該裝置具有良好的應用前景。

關鍵詞：再生制動；電能利用裝置；PWM逆變器

陳 哲：中鐵電氣化局第一工程有限公司，工程師，北京 100070

0　引言

城市軌道交通通常采用電動車組列車，制動方式是以電制動（再生制動）為主、空氣制動（閘瓦制動）為輔。

在非高峰時段，列車發車密度相對較低時，相鄰列車再生制動能量相互利用率低。為了限制網壓抬升，保證列車再生制動能力的發揮，減少列車閘瓦制動帶來的閘瓦磨耗和粉層污染，傳統的做法是在變電所或車上裝設電阻制動裝置。但是，電阻制動裝置不僅笨重，浪費能量，而且其發熱被釋放到隧道中，還會導致隧道溫升加劇，進而增大環控設備耗電量。

圖1　裝置一次系統圖

隨著社會環保節能意識的增強和科技進步，在牽引變電所設置中壓能饋型再生制動電能利用裝置，減少城市軌道交通的用電量，同時減少環境污染，已經成為當前的研究熱點。

1　中壓能饋裝置設備構成

中壓能饋型再生制動電能利用裝置主要包括10 kV開關柜（H）、能饋變壓器(N K B)、能饋低壓柜(NKD)、能饋變流器柜(NKS)、直流開關柜(Z)、負極隔離開關柜(G)六大部分，如圖1所示。

其中，能饋變壓器、能饋低壓柜、能饋變流器柜為系統核心設備（圖2 ） ，10 kV開關柜、直流1 500 V開關柜、負極隔離開關柜用作與交直流電網之間接口。

中壓能饋型再生制動電能利用裝置主要設備功能如下。

(1）能饋變壓器采用軸向雙分裂變壓器，將10 kV或35 kV交流電壓轉換為500 V交流電壓，實現與變流器交流輸入電壓等級匹配。同時，變壓器兩副邊繞組之間實現相互隔離。

(2）能饋低壓柜內含2臺斷路器及相應預充電電路，斷路器主要用于對每個變流器支路實現過流及短路保護。

(3）能饋變流器柜是整個系統的核心，內含2臺大功率脈寬調制（PWM）整流器（又稱雙向變流器），每臺變流器直流輸出750 V，直流側通過并聯或串聯，可實現對750 V和1 500 V這2種供電制式的完全兼容；變流器結構采用基于功率組件的系統設計理念，可實現快速維護維修，容量大小可根據需要配置；絕緣柵雙極晶體管（IGBT）采用當前最先進的大功率智能IGBT功率模塊，確保系統高可靠性、高功率密度以及完善保護功能；基于以太網的實時數據采集與記錄，可實現系統運行狀態的實時監控以及智能故障診斷。

圖2　主要設備實物圖

圖3　逆變器主電路原理圖拓撲

圖4　逆變器單相等效電路

圖5　現場應用方案

2　設備工作原理

中壓能饋型再生制動電能利用裝置的核心是大功率的逆變器。逆變器是在脈寬調制技術的基礎上發展而來的一種功率變換裝置，其主電路構成可以看成是1臺三相逆變器（PWM逆變器）加上1個交流電感L，如圖3所示。

PWM逆變器采用脈寬調制技術，能夠在其交流側輸出幅值和相位可控的三相交流電，如圖3中Ua、Ub、Uc。而交流電感 L在逆變器與電網之間起緩沖作用，電源電壓ea、eb、ec與逆變器輸出電壓Ua、Ub、Uc的電壓差降落在電感 L上，并決定交流電流的大小。

圖4所示單相等效電路的數學表達式如下：

如上所述，在電網電壓ea和交流電感L一定的情況下，通過控制Ua大小和相位，就可以控制電流ia大小和相位，進而控制逆變器傳輸功率。

交流電流的控制是逆變器控制的核心。為了實現對交流電流ia、ib、ic控制，需要控制逆變器輸出電壓Ua、Ub、Uc的幅值和相位。值得注意的是，Ua、Ub、Uc的幅值和相位是相對于電網電壓ea、eb、ec而言的。為此，必須對電網電壓ea、eb、ec的幅值和相位進行精確檢測，并作為Ua、Ub、Uc控制參照，實現逆變器輸出與電網電壓的同步。

再生制動電能利用裝置其他功能的實現（例如串并聯控制、外特性控制等）都是以交流電流控制為基礎。

3　系統的應用

3.1應用方案

中壓能饋型再生制動能量利用裝置在北京地鐵10號線（二期）十里河和西釣魚臺變電所進行了示范應用。具體應用方案如圖5所示，在既有的24脈波整流機組（2個12脈波整流機組并聯）的交直流母線上接入再生制動能量利用裝置。

圖6　十里河變電所中壓能饋裝置3個月運行數據圖

3.2保護配置

系統相關保護分為內部保護和外部保護兩大類。

內部保護為設置在能饋逆變器裝置內部的保護，其中保護值可調的主要有過壓、欠壓、過流、溫度等。保護跳閘需要逆變器柜以外的各開關柜去執行。

外部保護即設置在逆變柜以外各開關柜上自帶的保護。其中12 kV開關柜保護采取既有的保護設置，設電流速斷保護、過電流保護、零序電流保護、過負荷保護、斷路器失靈保護；1 500 V開關柜保護在傳統保護配置基礎上去掉逆流保護。能饋低壓柜保護設置長延時、短延時、瞬時電流脫扣保護。

3.3應用數據

圖6所示為北京地鐵10號線十里河變電所中壓能饋型再生制動能量利用裝置投入運行后3個月回饋電能數據。其中，單日最高回饋電能2 470 kW.h，3個月累計回饋電能142 443 kW.h，每日平均回饋電能1 675 kW.h。定義節能率=中壓能饋裝置回饋電能/該變電所輸出總牽引電能×100%，則該裝置3個月平均節能率=142 443/762 191×100%≈18.68%，節能效果非常顯著。

事實上，中壓能饋型再生制動能量利用裝置具備四象限工作能力，其工作在整流工況，可以為列車提供牽引能量，減小直流電壓波動，提高供電品質；其工作在無功補償狀態，可以實現對交流中壓環網的無功補償，提高系統功率因數。因此，隨著該設備技術的逐漸成熟和批量化生產，將在城市軌道交通牽引供電系統中得到廣泛應用。

參考文獻

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責任編輯 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

中圖分類號：U231.8