地鐵系統逆變回饋裝置的探討及仿真

蘇霄+矯世楠

摘 要： 城市軌道交通作為國內新興交通方式，越來越多的城市建立起了軌道交通系統，然而能源的節約成為了我們研究的主要方向之一。本文介紹了一種新型城市軌道交通能量逆變回饋裝置，并通過實際的仿真測試進行了分析，仿真結果表明，該逆變裝置具有良好的制動能量回饋性能，如果合理分配安裝該裝置可以達到能源的節約，同時降低了經濟成本。

關鍵詞：逆變回饋 仿真測試 城市軌道 節能

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0308-02

引言

城市軌道交通車輛（地鐵、輕軌等）從中、高速牽引運行切換至制動過程時，異步電動機的轉子轉速大于定子磁場給定的“同步轉速”，產生負轉差率，轉矩與轉速反向，吸取機械功率，輸出電功率，此時變頻器控制勵磁的給定頻率、反并聯的續流管為定子電流提供回路，整流后回饋至觸線網，造成直流母線電壓升高。為穩定其母線電壓，目前的方案包括制動電阻、電容儲能、飛輪儲能及逆變回饋等。其中逆變回饋裝置可將能量回饋電網，節能效果好，且系統簡單，投資小，得到越來越多的關注和應用。

一、逆變回饋裝置的簡介

1.逆變回饋裝置的基本原理

裝置通過將運動中負載上產生的位能、機械能等通過能量回饋裝置變換成電能，并通過回饋裝置有效并網，將電能回饋到交流網中，可供負載再次使用或供其他用電設備使用，使負載本身在單位時間能耗能的降低，從而達到節約電能效果。

2.逆變回饋裝置的優勢

采用再生制動能量吸收逆變裝置的優勢在于：

2.1 牽引變電所吸收，可適度提高制動轉換電壓，增強再生功能；

2.2 將制動產生的能量回饋電網，降低隧道溫升，減輕送風、排風、站臺空調、車載空調的負荷；

2.3 免除車載制動電阻及其散熱風機的輔助能耗；

2.4 回饋節能；

2.5 以高再生率弱化機械磨擦制動，延長制動系統的使用壽命等。

3.逆變回饋裝置的組成

裝置主要由隔離開關柜、逆變柜和隔離變壓器柜組成，其主要功能為：能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回中壓電網。

隔離開關柜內的主要器件有隔離開關、直流接觸器、預充電接觸器、放電接觸器、預充電電阻、放電電阻等，其主要功能是用于連接直流電網，可以實現對整套裝置上電時主回路的預充電和斷電時主回路的放電，配備有隔離開關，可以用于設備在檢修和維護時脫開直流電網，確保設備和人身安全。

逆變柜內的主要器件有直流濾波電容、逆變功率單元、濾波電抗器、電流互感器、電壓互感器、同步變壓器、交流接觸器等，其主要功能是將列車產生的制動能量逆變成交流電反饋給交流電網供其他設備使用。

隔離變壓器柜的主要器件有隔離變壓器、溫控器等，其主要功能是根據不同的交流電網配備不同電壓等級的變壓器，與并網的電壓等級相匹配，具有溫度顯示和報警功能。

4.可靠性與可維護性

4.1可靠性

設備在設計時采用高可靠性措施。這些措施通過利用如下的技術以降低系統故障概率和有關影響正常運行的隨機性：

4.1.1采用冗余措施，采用多單元并聯的方式，其中一個單元出現故障后，整機會自動封鎖對應單元的輸出信號，不影響其余單元的正常運行。

4.1.2使用已證明具有高可靠性的元器件和零部件，整個裝置均選用高可靠性的元器件和零部件，裝置上選用的元器件和零部件都經過長期使用的考驗。

4.1.3電磁輻射及兼容。

對于電子設備充分考慮防電磁干擾措施。任何子系統的運行都不應受其它子系統產生之電磁輻射的影響，或受到跟據經驗所知的城市電磁環境及地鐵環境的影響。

4.1.4預防蟲害，所提供設備，都采用適當的措施以預防蟲害。

4.2可維護性

4.2.1設備應設計成只需最少的調整和預防性維護，以及運行維護。產品設計包括故障隔離及診斷措施，以減少設備修復時間、維護材料和人工成本。

4.2.2通過制定合理的維修/更換策略、在線維修措施及維修支持設備的最佳運用來減少停機時間。

4.2.3整個裝置維修到板級。

二、仿真測試

本次仿真測試以大連地鐵1號線為例，通過仿真測試結果來探討逆變回饋裝置的在地鐵中應用的可行性。

1.大連地鐵一號線概況

大連地鐵1號線經由姚家至河口站，全線長約26.623km共22站。共設牽引降壓混合變電所9座，分別位于華北路、中華廣場、松江路、春光街、興工街、功成街、醫大二院、海事大學、河口停車場；設獨立牽引變電所1座，位于河口站；設降壓變電所11座，分別位于姚家、泉水路、千山路、東緯路、香工街、沙河口火車站、會展中心、星海廣場、黑石礁、學苑廣場、高新園區，設跟隨式降壓變電所7座，其中正線4座，南關嶺車輛段3座。

2.仿真測試條件設置

2.1行車參數設置

大連地鐵1號線的行車計劃為雙線，右側行車，采用受電弓的受流方式。所采用的車型為B2型車，初、近、遠期均為6輛編組，4M2T，列車最大運行速度為120km/h，基本阻力。運行模式采用目標速度為50 km/h的模式。

2.2供電仿真條件設置

供電仿真主要是對整個供電系統的仿真，主要設置的參數包括發車對數計劃、牽引所布點方案和供電系統參數。本次針對近期和遠期情況進行逆變回饋裝置系統設計的供電仿真計算。結合逆變回饋裝置的啟動電壓在1690V-1750V之間可調，經之前所做諸多案列分析，在全所安裝逆變回饋裝置的前提下，大連地鐵1號線逆變回饋裝置啟動電壓設置為1730V較為合理。

3.仿真測試結果分析

3.1根據仿真計算結果統計，在逆變回饋裝置啟動電壓為1730V時，大連地鐵1號線近期全線安裝逆變回饋裝置的日反饋能量為8401.35kWh，節能率為8.92%。按照收費標準0.75元/度電，全日節省電費6301.01元，按一年365天計算，全年節能電費2299869.56元，約230萬元。

3.2根據仿真計算結果統計，在逆變回饋裝置啟動電壓為1730V時，大連地鐵1號線遠期全線安裝逆變回饋裝置的日反饋能量為3097.07kWh，節能率為1.47%。按照收費標準0.75元/度電，全日節省電費2322.80元，按一年365天計算，全年節能電費847822.91元，約85萬元。

3.3當僅對部分牽引所試點安裝逆變回饋裝置時，假設每套逆變回饋裝置200萬元，若一牽引所每日反饋能量小于900kWh，當時該所逆變回饋裝置的投資回報周期約8年，可以不該所安裝逆變回饋裝置；對于連續多個牽引所日反饋能量低于900kWh的情況，可以每隔2到3個所安裝逆變裝置，據經驗值估計一逆變回饋裝置可吸收相鄰牽引所區間回饋能量的60%左右，節能效果將更好。

三、結語

在軌道交通系統中，對于節能減排要求越來越高，伴隨著科學技術的不斷發展，各種技術手段也不斷增加，逆變回饋技術作為新興技術已經逐步進入了各節能系統當中。通過一系列的實踐及仿真測試可以看出逆變回饋裝置有著很好的節能作用，如果通過仿真計算，合理的安裝裝置，節能效果會更好、更經濟，有效的將低了地鐵的運營成本。

參考文獻

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[2]GB3859-2013，《半導體變流器通用技術要求和電網換相變流器》.

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