城市軌道交通再生制動技術及其對電網的影響

田 華 陳玉瓊

城市軌道交通再生制動技術及其對電網的影響

田 華 陳玉瓊

在城市軌道交通中，由于列車質量大、速度快、起停頻繁，因此在進站制動過程中會產生巨大的能量。再生制動能量利用技術在不斷發展，目前列車再生制動能量吸收方式主要有電阻耗能、電容儲能、飛輪儲能和逆變回饋四種，本文介紹了這四種制動能量吸收方式的技術及特點，并從電能質量、電能計量、繼電保護等方面分析了能饋式再生制動技術對電網的影響，為電網應對逆變回饋能量的評估提供基礎。

概述

隨著城市的發展，大中型城市交通問題愈發嚴重，而地鐵作為一種交通工具在這種情況下顯得尤為重要。在城市軌道交通中，由于站間距較短，一般為1000～3000m，列車啟動、制動狀態切換頻繁，為了保證列車乘坐的舒適性，列車在加速啟動、減速制動以及平穩制動等方面應具備良好性能。列車在減速制動過程中，由于重量大、速度快、制動距離短等特點，會有大量的機械能轉化為其他形式的能量而消耗。列車上普遍裝有電阻耗能設備，但由于列車空間有限，所裝設電阻不能夠將再生制動能量全部消耗，因此剩余部分能量仍需通過機械制動補充。在列車牽引變電站，由于采用二極管將交流電壓整流為直流電壓，因此為單向供電方式。當列車將再生制動能量逆變反饋給直流牽引網時，如果能量不能及時被利用，會使得牽引網電壓升高，對列車用電設備造成危害，例如北京某條地鐵線，采用DC750V供電系統，當再生制動逆變回饋時，牽引網電壓最高達到了1000V。由于站間距離以及發車間隔不同，再生制動產生的電能有10%～80%可被吸收再利用，剩余的能量將經過電阻，以熱能的形式消耗，從而導致隧道和站臺溫度的升高，也使得站內環空系統負擔加重。因此，對列車制動再生能量吸收裝置的研究和應用，對降低列車重量、提高列車性能、減少系統投資等方面都有很大的幫助。本文主要完成了兩個工作：①分析對比四種列車再生制動能量吸收裝置的特點及技術；②通過三個方面分析回饋電能對電網的影響。

再生制動能量吸收技術

在城市軌道交通中，列車制動通常分為機械制動和電制動兩種，電制動又包括電阻制動和再生制動兩種，列車制動時，電阻制動和再生制動往往結合使用：采用再生制動技術將列車機械能轉化為電能，產生的電能如果不能夠及時被列車設備或者附近列車所消耗，則使用電阻制動作為補充將電能以熱量的形式消耗。采用電阻消耗電能雖然可靠，但是不經濟，同時會產生大量的熱量，使得溫度升高。

為了吸收直流牽引網上因再生制動而累積的電量，國內外通常在列車牽引變電所直流母線上安裝能量吸收裝置，主要有電阻耗能裝置、電容儲能裝置、飛輪儲能裝置以及逆變回饋裝置。當列車進站制動而產生的電能不能及時被車站輔助用電設備或者附近列車所消耗時，直流母線上的能量吸收裝置則投入使用，吸收多余電量，維持牽引網電壓穩定，提高再生制動能量的利用率。例如英國倫敦地鐵、日本沖繩地鐵等線路，都安裝了再生制動能量吸收裝置。

電阻耗能型

電阻耗能型再生制動能量吸收裝置利用吸收電阻和IGBT斬波器相結合的穩壓方案，根據直流牽引網電壓的大小調節IGBT斬波器的導通比，以此來控制吸收電阻的功率，將多余電能通過吸收電阻消耗，從而將直流牽引網電壓穩定在合理范圍內。電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要由吸收電阻、IGBT斬波器、濾波器、二極管、斷路器以及控制模塊等元器件組成。在裝置的主要優點是結構簡單、穩定性強，主要缺點就是將制動產生的電能以熱能的形式而消耗，造成能源的浪費及溫度升高等問題。當城市軌道交通采用這種設備時，消耗電阻需要獨立放置，并且需要額外增加通風設備，保證良好的通風性能。

電容或者飛輪儲能型

電容儲能裝置與飛輪儲能裝置，它們在結構組成、工作原理等方面都非常相似，最大的不同之處就是所用的儲能元件，因此本文以飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置為例進行介紹。

飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置通過利用IGBT逆變器將從列車再生制動產生的多余電能快速存儲到旋轉的飛輪中，當附近有列車經過需要電能的時候，該儲能裝置將所存電能傳輸給列車，從而實現能量的重復利用。該能量吸收裝置主要包括飛輪機、IGBT斬波器、斷路器、隔離開關及控制模塊等元器件。飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置的優點是可以快速吸收直流牽引網上多余電量，電量重復利用率高，同時也減少了耗能電阻的比例，但是主要的缺點是飛輪電機占地面積較大，大容量的裝置成本較高，很多問題仍在繼續研究過程中，因此該類裝置應用線路目前較少。

逆變回饋型

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置通過逆變器將牽引網直流逆變為交流，反饋至交流網絡。裝置中的逆變器是由電力電子元件組成的大功率三相逆變器，其直流側與供電系統中的直流母線相連，交流側與供電系統交流網絡相連。當再生制動時牽引變電所直流母線上電壓超過正常范圍時，逆變器開始工作，將直流電流逆變成交流電流，調壓并反饋至系統交流電力網絡，從而保證直流母線上電壓的穩定。逆變回饋裝置主要包括晶閘管、變壓器、斷路器、電抗器等元器件。該逆變吸收裝置的優點是用可以充分吸收利用列車再生制動產生的電能，減少再生制動能量的浪費，還可以減少耗能電阻的比例，從而降低投資，其缺點是可能引起交流側電網質量的降低。在這種能量吸收裝置中，由于電能直接逆變回饋給了交流電力網絡，因此不需要額外配置儲存能量的元件，也不會造成隧道和站臺處溫度的明顯上升?；谝陨蟽烖c，逆變回饋型再生制動能量吸收裝置已經在很多地鐵線路中得到了實際應用。

再生制動對電網的影響

對電能質量的影響

逆變回饋式能量吸收裝置，由于通過電力電子元件將直流電逆變成交流電，并反饋至交流電網，因此會對交流電網電能質量帶來一定的影響，根據逆變器元件工作特性，交流側電網通常會出現電壓波動與閃變、諧波增多等問題。

在城市軌道交通供電系統中，由于供電區間列車數量不確定，列車在加速、惰性、制動等運行狀態下，速度變化快、幅度大，所需電能也相差很大，如果牽引變電所加設再生制動能量逆變反饋裝置，將使得交流側電網負荷波動更加劇烈。負荷的不穩定將會導致電壓的隨機波動次數的增多以及電壓閃變的頻率升高。在國家標準GB/T12326－2008《電能質量電壓波動與閃變》中，對電壓波動限值和閃變限值的規定如表1和表2所示。

表1 電壓波動限值

表2 閃變限值

當交流側電網電壓波動、閃變或者諧波出現并超過標準規定時，系統可以通過靜止無功補償器或者快速電壓調節器等方法提高電能質量。

在電網中，諧波出現的主要原因是變流器，變流器主要有三種：變頻器、逆變器和整流器。在逆變回饋型再生制動能量吸收裝置中，逆變器一側接直流母線，一側接交流電網，直流電流轉變成交流電流并在交流三相之間循環交換，從而在交流側產生大量諧波，但是諧波的次數及諧波的特性具有一定的規律，因此這種諧波也叫作特征諧波。對于普通逆變器而言，如果交流側三相特性相同互相對稱，且逆變器每周期有X個觸發脈沖，則產生的諧波次數為kX±1（k為正整數），諧波含量則受控制角和換相角的影響。

在國家標準GT/T14549－93《電能質量公用電網諧波》中，對電網中畸變率和諧波限值都做出了詳細規定，具體數據如表3所示。

表3 畸變率及諧波限值

為了減少交流電網中的諧波含量，通?？梢圆捎眉釉O濾波器或者調諧補償等措施，并且采用基于PWM技術的逆變器會減少諧波的產生，也是現在很多科研單位重點研究的課題。

對電能計量的影響

由于采用了逆變回饋裝置，列車制動產生的電能便可以向交流側流動，因此在對電能計量時，需要計算有功功率的雙向流動量，所以使用可以同時考慮雙向流動并計算費用的策略和儀器。常見的計量設備只能夠考慮單向，不能識別雙向流動有功功率的流出或者流入，從而無法滿足核算計量要求。另外一點，列車再生制動產生的經過逆變回饋給交流電網絡的電能與列車運行所消耗的電能不只是正負之別，因為逆變回饋的交流電含有較大的諧波，電價與正常電價不同，因此在計量設備對反饋的有功功率計量時，還應根據國家規定對價錢進行核算，因此逆變回饋對電能計量設備的功能特性提出了更高的標準。

在電能逆變回饋過程中，向交流側輸入的基波功率為有效功率，諧波功率為無效功率，也稱為有害功率。傳統常見的電能計量設備可以對實際電能進行準確測量，也就是基波電能和諧波電能的綜合，通常是基波電能含量與各次諧波電能含量的矢量和。如果逆變回饋系統仍然采用這種計量方式，反饋側不但對諧波進行了計量，并且不能夠說明諧波的流入對電網其他用戶的影響，因此這種方法和設備不合理。

為了避免以上所述逆變回饋中諧波對計量的影響，我們采用基波電能表與低通濾波器相串聯的結構方式，從而可以將反饋電能中的高次諧波進行濾除，實現對反饋電能基波含量的計量，并且計量設備結構簡單、安裝費用較少，但其缺點是不能夠反映出諧波電能對交流電網絡的影響。如果將工頻電能表和寬頻帶功率電能表相結合，則不僅能夠檢測諧波電能的流向，還可以同時對基波電能的測量。由于最近幾年，智能電表技術逐漸成熟，價格也下降很多，我們可以通過在智能電表并結合頻譜分析的策略來對基波電能和諧波電能分別進行計量。

對繼電保護的影響

城市軌道交通中，列車的頻繁起停會造成供電系統中大幅度的沖擊電流的頻繁出現，為了保證供電系統的穩定性與安全性，因此給供電系統中繼電保護裝置提出了更高的要求。逆變回饋裝置的投入使用，使得功率的流向成為雙向流動，從而使得繼電保護裝置更為復雜。

當供電系統出現意外情況時，繼電保護裝置動作是否正確和及時，對供電系統的穩定性和安全性起著重要作用。由于逆變反饋裝置的存在，能量的流動具有雙向性，這就會對部分具有方向性的繼電保護裝置造成影響，導致誤動作或者不動作。在電力系統中，在電網電壓等級大于或者等于110kV以及其他電壓等級的主保護的線路保護中，具有方向性的繼電保護設備會有很多，因此對這些設備動作的方向有嚴格要求。當列車再生制動逆變反饋至交流電網的過程中，如果繼電保護設備動作不正確，有可能會給整個供電系統帶來很大的危險。同時，電能逆變回饋時所產生的諧波也是繼電保護裝置應該考慮的問題。

結語

隨著經濟的發展，城市軌道交通正在快速發展，列車再生制動產生的能量不容忽視，本文對目前國內外較常用的能量吸收裝置進行了介紹，并對各種裝置的優缺點進行了對比。根據逆變回饋裝置的特點，通過三個方面分析了該裝置的投入使用對電網的影響，并且提出了應對措施和改進方法，為電網應對逆變回饋能量的評估提供了基礎。

田 華1陳玉瓊2

1.無錫地鐵建設分公司；2.無錫地鐵運營分公司

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.001