基于地鐵列車制動能量回饋裝置的能量管理系統

葉 飛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥工程師)

基于地鐵列車制動能量回饋裝置的能量管理系統

葉 飛

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥工程師)

地鐵列車制動能量回饋裝置雖然回饋電能可觀,而且減少電阻消耗以改善地鐵通道熱環境,但是也帶來了能量逆流至110 kV側電網的隱患。而且，城市軌道交通供電系統還具有夜間停運期間負荷低時功率因數偏低的特點。針對上述特點提出基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統。充分利用地鐵制動能量回饋裝置的有功和無功獨立可控的控制原理,通過能量管理系統對主變電所的檢測、判斷、計算，以及對地鐵制動能量回饋裝置下達命令,實現了對地鐵制動能量回饋裝置的有功和無功能量管理,不僅可實現對地鐵供電系統的無功補償,也可實現對地鐵制動回饋能量裝置回饋能量時能量逆流的控制。

地鐵列車; 制動能量回饋裝置; 能量管理

由于地鐵站間距短,列車起動、制動頻繁,再生制動能量非常可觀。國內外目前多利用能量回饋變流器將多余制動能量以逆變回饋的方式回饋至交流電網,供全線列車及車站負荷使用,以實現制動能量的最大程度節約利用[1]。

地鐵制動能量回饋裝置饋送至35 kV中壓環網的再生制動能量,一般會被臨近牽引的動車及站點內部照明空調等用電耗掉。在站點內部耗電量小、鄰近動車較遠、距離地鐵供電系統對電網的連接處較近等情況下,地鐵逆變回饋裝置所回饋的電能可能會逆流至110 kV側高壓網絡,從而對電網的安全、可靠運行造成影響[1-3]。

我國地鐵主要采用集中供電方式。首先，通過主變電所將城市電力系統的高壓電源(一般110 kV)降壓為地鐵系統中使用的中壓網絡電壓(一般35 kV)；然后，再通過中壓網絡送至各個牽引變電所和降壓變電所(如圖1所示)。

圖1 地鐵供電系統示意圖

由于地鐵供電系統中壓網絡電纜較長,對地電容大,故會產生大量的容性無功。在地鐵運營初期尤其是在正式運營后的夜間地鐵停運時,由于地鐵用電負荷低,電纜產生的容性無功不能實現內部平衡,故功率因數不符合要求,進而導致無功功率倒送,地鐵運營企業會由此受到電力部門的違約罰款[2，4-5]。

為了解決地鐵供電系統由于用電負荷變化導致的功率因數低的問題,以及地鐵逆變回饋裝置帶來的回饋電能逆流至110 kV側問題,本文提出了一種基于地鐵逆變回饋裝置的能量管理系統。該系統充分利用了地鐵制動能量回饋裝置的有功和無功獨立可控的控制原理,不但可以實現對地鐵供電系統的無功補償,還可以實現對逆變回饋裝置能量回饋時能量逆流至110 kV電網的控制。

1 地鐵制動能量回饋裝置

地鐵制動能量回饋裝置應用于地鐵直流供電系統中,取代傳統的能耗電阻吸收裝置,將制動能量逆變至交流電網。當地鐵列車制動時,逆變回饋裝置快速將列車制動能量回饋至中壓35 kV交流電網；同時，穩定直流接觸網電壓,確保地鐵列車安全可靠運行。地鐵制動能量回饋裝置系統接入示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵制動能量回饋裝置系統接入示意圖

1.1 工作原理

地鐵制動能量回饋裝置在不同階段的工作原理及狀態切換情況也不同。

1.1.1 從待機到回饋

當列車進站,開始制動減速時,由于列車采用電制動,其電動機變為發電機,將動能轉化為電能,并將制動的電能回饋至直流接觸網。與此同時,直流接觸網電壓會上升。

地鐵逆變回饋裝置可實時監測并判斷直流接觸網電壓。當直流接觸網電壓超過地鐵逆變回饋裝置的回饋閾值時,地鐵逆變回饋裝置打開PWM(脈寬調制)整流器脈沖,開始控制功率器件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)工作,并通過快速調節并網電流,將直流側由地鐵列車制動時產生的能量快速回饋到交流電網中；同時，穩定直流母線電壓,以確保地鐵直流供電系統的穩定。

1.1.2 從回饋到待機

地鐵列車制動進站過程中，隨著列車制動減速直至停車,其回饋至直流接觸網的能量也逐漸減小至零。

地鐵制動能量回饋裝置可實時判斷回饋電流。當回饋電流逐漸減小至待機電流閾值時,地鐵逆變回饋裝置立即退出運行,封鎖IGBT驅動脈沖,隨后進入待機狀態。地鐵牽引所需能量完全由牽引整流器提供。

1.2 裝置的控制原理

地鐵制動能量回饋裝置采用的拓撲結構為電壓型PWM整流器(如圖3所示)。PWM整流器是1個其交流側與直流側均可控的四象限運行變流裝置。PWM變流器交流側矢量關系如圖4所示。

注:Udc——直流電壓；C——直流母線電容

圖3 電壓型PWM整流器

通過PWM整流器交流側穩壓矢量關系圖可以看出,通過改變交流電流與交流電網電壓相位的夾角可以得到變流器不同的運行模式。其中,圖4a)是純電感特性運行;圖4b)是單位功率因數整流運行,此時電流方向與電網電壓矢量方向一致;圖4c)是純電容特性運行;圖4d)單位功率逆變器運行,此時電流方向與電網電壓矢量方向相反。因此,要實現PWM變流器的四象限運行,關鍵在于對交流電流的控制[4]。

注:E——交流電網電動勁勢；Vl——交流側電感電壓；V——交流側電壓;I——交流側電流圖4 PWM變流器交流側穩態矢量關系

地鐵制動能量回饋裝置采用同步旋轉坐標系的控制方案,易于實現對有功和無功的獨立控制。有功無功獨立可控的控制策略,既可滿足白天實現功率因數為1的逆變回饋要求,也可滿足根據地鐵供電需要進行無功補償的要求；而且，通過對有功的控制還可防止回饋能量逆流至110 kV側電網。地鐵制動能量回饋裝置的系統控制框圖如圖5所示。

電壓外環控制直流側電壓,實現對直流側的穩壓控制。將實時采樣的直流電壓Udc與給定閾值電壓Udc，0的差值作為PI(比例積分)調節器的輸入,并將PI調節器的輸出對應有功功率d軸給定電流id,0。通過調節變流器可將有功功率傳送到交流電網,使直流接觸網電壓穩定為給定的參考電壓。

內環為電流環。在與電網電壓矢量同步旋轉的d、q坐標系下,采用2個PI調節器對變流器輸出電流的d、q軸分量進行解耦控制。q軸給定電流iq，0設置為0,則變流器輸出功率因數為1。也可根據需要對iq,0進行設置,以向交流電網輸出感性或容性無功。通過對id，0的設置可以實現對有功能量的控制,從而實現防止回饋能量逆流至110 kV側電網。

2 能量管理系統

根據地鐵制動能量回饋裝置有功和無功獨立可控的控制原理,可通過對變流器的控制,實現對有功和無功的能量管理。

基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統,可實時監測并判斷主變電所的有功方向及功率因數情況,還可分析監測結果并通過光纖下發對各個站內的地鐵逆變回饋裝置的命令,從而進行功率調度。基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統結構如圖6所示。

2.1 有功調度管理

地鐵制動能量回饋裝置以逆變回饋并網的方式將地鐵列車制動產生的電能回饋至地鐵供電系統的35kV中壓環網。這部分能量一般會被臨近牽引的列車及站點內部照明空調等耗用,但也可能會導致回饋裝置所回饋的能量逆流到110 kV側高壓網絡,從而對電網的安全、可靠運行造成影響。

基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統,可通過對主變電所的實時檢測及判斷來實現對回饋裝置的有功調度管理,即防止地鐵供電系統的逆流控制。

地鐵回饋裝置的防逆流方法如下:

(1) 在整個地鐵供電系統的主變電所,設置有功無功監測裝置,且該檢測裝置與能量管理系統采用光纖連接。

(2) 有功無功檢測裝置實時檢測監測點處的有功電流方向,并實時將逆流信息上傳給能量管理系統。

(3) 能量管理系統實時接收并判斷檢測裝置發送的信息,如果有逆流發生,則將逆流信號通過光纖下發至每個地鐵逆變回饋裝置。

(4) 正在回饋運行的回饋裝置接收到逆流信號后,按照一定的步長Δ遞減輸出有功,直至使得逆流信號快速消失,并且維持當前的功率作為功率限幅輸出,并持續一定的時間后,再逐漸增大功率限幅值。其中,地鐵逆變回饋裝置的防逆流處理流程圖如圖7所示。

2.2 無功調度管理

地鐵供電系統主要是35 kV中壓環網，為地鐵列車牽引、列車內部空調照明、站內空調照明等供電。地鐵正常運行后,白天由于地鐵列車運行、列車內空調照明、站內空調照明等有功負載較大,故其功率因數高;而夜間由于地鐵列車停運，列車內空調照明關閉，站內空調照明關閉等,有功負載大大減小,故供電系統功率因數較低。

注：SCADA系統為數據采集與監視控制系統

圖6 地鐵制動能量回饋裝置能量管理系統

圖7 地鐵逆變回饋裝置防逆流處理流程圖

鄭州地鐵1號線自2013年12月28日正式運營開始,其供電系統功率因數一直較低(見表1),尤其是晚上。主要是表現為容性無功較大。例如2014年3月份的供電系統功率因數為0.66,離標準值0.85相差較遠。

表1 鄭州地鐵1號線2014年3-5月功率因數情況

基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統,可通過對主變電所的檢測實現對地鐵回饋系統的無功調度管理,提高地鐵供電系統的功率因數。

無功調度具體方法如下:

(1) 通過地鐵供電主變電所的檢測裝置,實時監測地鐵供電系統的有功無功情況,并通過光纖傳輸給能量管理系統。

(2) 能量管理系統實時接收并判斷檢測裝置發送的無功和有功情況,同時，根據所有回饋裝置的數量來計算需要補償的無功功率，并下發指令至每臺回饋裝置(可按每min計算);

(3) 回饋裝置接收到無功補償命令后,根據調度指令對電網進行無功補償;

(4) 無功補償開始后,變流器控制中的有功電流指令Idr仍根據實際情況(回饋運行或是系統待機)計算得到,無功電流指令Iqr則按照接收到的無功功率計算得到。

基于地鐵制動能量回饋裝置的無功調度管理,在鄭州地鐵1號線進行了試驗驗證。對地鐵制動能量回饋裝置的無功調度,使其輸出無功功率對地鐵供電系統進行無功補償。

圖8為地鐵制動能量回饋裝置無功輸出從150 kVar到300 kVar的變化過程。圖9為無功補償展開波形圖。

圖8 輸出無功從150 kVar到300 kVar變化過程截圖

圖9 回饋裝置輸出感性300 kVar無功截圖

由圖8可以看出,無功輸出功率的變化對電網電壓及直流接觸網電壓并無影響,系統依然穩定運行。由圖9可以看出,無功補償過程中,并網無功電流及電網電壓的波形平滑。圖8及圖9充分驗證了地鐵逆變回饋裝置有功和無功獨立可控的控制策略的正確性和合理性。

3 結語

地鐵制動能量回饋裝置列車制動的能量回饋至交流電網,但如回饋的能量不能被鄰近列車或車站設備消耗掉,則有可能會導致能量逆流至110 kV側電網。而且，城市軌道交通供電系統在正常運營時,其用電負荷大,能抵消大部分容性無功,功率因數較高;而在夜間地鐵停運時,其用電負荷低,故電纜產生的容性無功不能實現內部平衡,功率因數不符合要求。

本文提出的基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統,充分利用了地鐵逆變回饋變流器的有功和無功獨立可控的控制原理,不但可實現對地鐵供電系統的無功補償,同時也可解決對逆變回饋裝置能量回饋時的能量逆流問題。

[1] 張秋瑞,畢大強,葛寶明.地鐵再生制動能量逆變回饋電氣裝置的研究[J].電力電子技術,2012,46(9):60-63.

[2] 王靖滿,黃書明.城市軌道交通供電系統技術[M].上海:上海科學普及出版社,2011:1-40.

[3] 黃海.光伏電站中的逆功率保護功能[J].電氣技術與自動化,2010,39(5):159-161.

[4] 陸然.城市軌道交通變電站中的無功補償分析[J].天津電力技術,2011(2):31-33.

[5] 禹華軍,潘俊民.一種同時實現無功補償的光伏并網發電技術[J].上海交通大學學報(自然科學版),2005,39(8):49-52.

Energy Management System Base on Braking Energy-feedback Device in Rail Transit System

YE Fei

The braking energy-feedback device in rail transit system can not only collect a lot of energy, but can also improve the air condition and reduce the economic cost in cooling the tunnel air caused by the resistor heat. However, it can also harm the power grid of 110 kV,i.e.the off-line operation of rail transit at night results in the light load of the systems which would cause the low power factor. On this basis, a management system of rail transit energy feedback system is proposed, which makes good use of the independent controllability of active and reactive power, calculates, gives order and executes better management of the energy systems.The proposed system can not only realize the reactive compensation of the rail transit systems, but also reduce the harmfulness of the feedback energy to the 110 kV power grid.

metro train; braking energy-feedback device; energy management

China Railway Fourth Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

U 231.8; U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.03.010

2016-01-14)