中壓逆變回饋裝置在石家莊地鐵中的仿真研究

盧 偉, 王建鳳, 姜 彬

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100071；2.石家莊市軌道交通有限責任公司，河北石家莊 050000）

0 引言

作為城市用電大戶的地鐵若采取節能措施將會產生巨大的經濟效益和社會效益。地鐵受限于車站站間距較短、列車運行密度大，啟動、制動頻繁，產生較多的制動能量（可達到牽引能量的40%以上）。但再生制動能量只有一部分（一般為20%～80%，隨著列車運行密度和區間距離變化）被其他相鄰列車吸收，而剩余部分被車上制動電阻吸收，以發熱的方式消耗掉，致使區間隧道和車站站臺區溫度升高，增加站內空調通風裝置負擔，不僅造成能源浪費，也增加了工程的建設和運營費用[1]。而且隨著車輛制造技術、控制技術要求的提高，車上的布局空間緊張，車載電阻散發的熱量對其他設備的安全運行有一定不利影響。

設置在地面的再生制動能量吸收裝置的使用可以在高效利用能源、降低運營負擔、提高列車安全運行等方面發揮重要作用。目前，再生制動能量吸收裝置在國內外城市軌道交通中被廣泛使用，包括國外的加拿大多倫多輕軌、意大利米蘭地鐵以及國內的重慶輕軌、北京地鐵?9?號線等。目前國內城市軌道交通新線大部分采用再生制動能量吸收裝置，達到提高電能利用率和改善車輛運營情況的目的。

1 再生制動能量吸收裝置類型

目前，國內外城市軌道交通中應用的再生制動能量吸收裝置主要有地面電阻吸收型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型[2]。

1.1 地面電阻吸收型

在牽引變電所內直流母線上設置?1?套電阻吸收裝置，當制動工況下列車產生的能量不能被其他列車完全吸收時，電阻型再生制動能量吸收裝置立即投入工作，吸收多余能量，以熱量的形式散發到空氣中。具體工作原理如圖?1?所示。

該裝置主要采用多相?IGBT?斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，即根據列車再生制動時直流母線電壓的變化調節斬波器的導通比，從而調整吸收率，利用吸收電阻將制動能量消耗掉，最終將直流電壓穩定在設定值范圍內。同時，也防止電壓過高損壞與其相連的設備。電阻型再生制動能量吸收裝置的電氣系統主要包括IGBT?斬波器、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、吸收電阻、電動隔離開關、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機控制單元。

圖1 地面電阻吸收型裝置原理示意圖

1.2 電容儲能型

該裝置主要采用?IGBT?逆變器將列車制動產生的能量吸收存儲在大容量電容器組中，并在相關供電區間內有列車啟動、加速時，將存儲的能量釋放出去再利用。電容器充放電不需能量轉換，直接以電能形式儲存或釋放[3]。因此，該裝置效率高，充放電速度較快。作為大型容性設備，其具有儲能（儲存列車再生能量）和穩壓（穩定牽引網電壓）2?種工作模式，且可以自由切換。

電容儲能型裝置的核心技術是雙層電容器，還包括IGBT?斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關、傳感器和微機控制單元等電氣設備，具體原理如圖?2?所示。

圖2 電容儲能型裝置原理示意圖

1.3 飛輪儲能型

該裝置利用高速旋轉大質量飛輪的慣性將多余的再生制動能量儲存起來。其通過對變電所空載電壓、母線電壓的跟蹤，判斷是否存在不能被相鄰列車完全吸收的多余再生制動能量，從而決定飛輪是加速轉動儲存電能，還是降低轉速并向牽引網回饋電能。因此，該裝置既可以儲能也可以穩壓。

飛輪儲能型裝置的核心是特殊材料繞制的高密度合成磁筒，然后利用三相?IGBT電源轉換器組成的控制電路進行控制。該裝置還包括直流快速斷路器、電動隔離開關、傳感器和微機控制單元等。具體原理如圖?3所示。

圖3 飛輪儲能型裝置原理示意圖

1.4 逆變回饋型

該裝置主要是通過大功率晶閘管構成的三相逆變器將列車再生制動產生的能量吸收，并逆變轉換為交流電源，再經變壓器回饋至交流側（中壓或低壓母線）。逆變回饋型裝置自動檢測直流母線電壓，并與裝置啟動電壓設定值比較，若高于設定值，則立即開啟?PWM?脈沖信號，控制逆變器工作，在回饋電能的同時也穩定直流側電壓[4-6]。

該裝置主要由晶閘管逆變器、變壓器、直流開關設備、交流開關設備、調節控制設備、傳感器和微機控制單元等電氣設備組成。由于逆變回饋裝置傳送電能時，也產生諧波注入電網，會產生較大的電壓畸變率，造成電氣設備使用壽命短、線路損耗增大、運營費提高等不利影響。因此，相關濾波設備、調相設備的有效利用至關重要。其具體原理如圖?4?所示。

圖4 逆變回饋型裝置原理示意圖

1.5 對比

通過以上介紹，對?4?種類型裝置進行綜合比較，具體見表?1。

從表?1?中可知：電阻吸收裝置價格便宜且維護簡單，但制動能量消耗在電阻上，造成能源浪費且增加環控設備的投資；電容儲能裝置的制動效果好，既穩壓且無諧波產生，但該產品國產化率低，且只有?DC750V?電壓等級的產品；飛輪儲能裝置的國產化率低，國內尚無應用；相比來說，逆變回饋裝置隨著技術的發展，造價和諧波都得到有效的降低和控制，且在國內多個項目上都有成功應用，前景十分值得期待。

表1 4 種類型再生制動能量吸收裝置比較

2 中壓逆變回饋裝置的仿真分析

以石家莊市軌道交通?2?號線為例，該工程全線長19.16??km，共設置?10?座牽引降壓變電所，其中正線8座，車輛段和停車場各?1?座。全線采用?110/35??kV?的?2?級電壓集中供電方式和?DC1500V?接觸網供電的牽引供電制式。全線高峰小時行車密度設置為初期?12?對/h、近期21?對/h、遠期?30?對/h。該工程的再生制動能量吸收裝置采用中壓逆變回饋型裝置。

為評估中壓逆變回饋裝置的有效性和經濟性，在正線?8?個牽引所各設置?1?套該裝置，牽引所分別設在嘉華站、塔談南站、東崗頭站、大戲院站、長安公園站、運河橋站和西古城站。

其中嘉華站（邊站）和西古城站（邊站）的中壓逆變回饋裝置容量設為?3??MW，其余逆變裝置容量設為?2??MW，且所有逆變裝置啟動電壓都設為?1??730??V。在初期（12?對/h）、近期（21?對/h）、遠期（30?對/h）3?種工況下，利用?PSCAD?對全線牽引所及中壓逆變回饋裝置建立瞬態模型進行仿真，各個牽引所最大網壓仿真值如表?2?所示。

表2 3 種工況下各個牽引所最大網壓值 kV

表?2?顯示?8?個牽引變電所在配置中壓逆變回饋裝置時，可以有效地將列車制動產生的再生能量回饋到中壓側，從而降低接觸網的電壓，并始終將各個牽引所最大接觸網電壓維持在?1??800??V?以下，保證列車的機電設備以及牽引變電所內機電設備安全運轉，證明中壓逆變回饋裝置的有效性。并且最大網壓值低于?1??800??V，列車的車載電阻可以取消，減少相關投資。

同時，為驗證中壓逆變回饋裝置的經濟性，在?3?種工況下，仿真統計各個牽引所的再生電能分布，具體如圖?5?所示。

圖?5?顯示出，在?3?種工況下，中壓逆變回饋裝置在初期回饋電能為?1.746?萬?kW?·?h/天（637?萬kW?·?h/年），近期回饋電能為?1.618?萬?kW?·?h/天（590?萬kW?·?h/年），遠期回饋電能為?1.711?萬?kW?·?h/天（624?萬?kW?·?h/年）?？梢钥闯?，中壓逆變回饋裝置每天可回饋的電能大于1.6?萬?kW?·?h，經濟效果良好，具有一定的經濟效益和社會效益。

3 結論

中壓逆變回饋裝置不需要吸收電阻，直接將列車再生制動直流電能逆變轉換為交流電能回饋到中壓側，供其他機電設備實時消耗。由仿真結果可知，該裝置在保證列車和牽引變電所內的機電設備安全運行時，可利用制動能量，節能效果顯著。且隨著電力電子技術的發展，會降低設備的造價并有效控制諧波含量，使其能更好地運用在工程實踐中。

圖5 各牽引所每天電能分布統計