基于逆變型能量回饋系統的地鐵保護配置方案設計研究

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著城市軌道交通建設的迅速發展，地鐵運營已然由少數幾條線路轉向成網運行。隨著城市軌道交通需求的不斷增大，地鐵站間距離不斷縮小，行車密度不斷增大，地鐵車輛需要不斷在牽引啟動和減速制動工況之間切換，這樣的運行特點使得機車既會消耗大量的牽引電能，又會在制動過程中產生大量的制動能量回饋。對于地鐵車輛運行在減速制動工況下產生的再生制動能量，如果不能及時被車載制動電阻或同時運行的其他列車吸收時，會對直流母線電壓的穩定產生沖擊。因此，如何對地鐵車輛再生制動能量加以有效利用成為國內外研究的重點。

當前，日本、歐美等地區研究較早，已有再生制動裝置成功運用的經驗[1]。而國內已建設的地鐵線路中，采用的再生制動回饋裝置主要有三類：儲能設備型、電阻耗能型和逆變回饋型。其中，儲能設備型裝置主要分為飛輪儲能型和電容儲能型兩種，當地鐵車輛處于啟動牽引或制動工況時，可利用安裝在車站的儲能設備型裝置對能量進行相應的吸收或釋放，從而有效改善牽引網直流電壓質量[2]，但這兩種儲能設備型裝置目前應用程度較低，尚未有成熟的國內廠家可以生產制造。電阻耗能型裝置依靠IGBT與制動電阻共同作用，將制動產生的電能轉化為熱能[3]，它在國內的早期地鐵線路中應用較為廣泛，但由于電阻耗能型裝置在工作過程中會產生大量的熱，在造成資源浪費的同時還給隧道內通風排熱系統造成負擔，并存在裝置使用壽命短等隱患。逆變回饋型裝置主要由開關柜、三相變流器柜、隔離變壓器組成，一旦牽引網電壓超過逆變器控制回路設定閾值，回饋型裝置便即刻投入系統，并將直流電網中電流逆變為50 Hz交流電，并反饋到中壓交流電網中，從而實現穩定直流母線電壓[4]。

綜上，基于再生制動逆變型能量回饋的方案憑借其具有能量雙向流動的優勢得到了業內廣泛的推崇，該方案可將地鐵車輛制動產生的能量進行回收再利用，有效解決了制動能量浪費且減輕了通風空調對隧道內溫升排放的負擔[5]。但是，隨著逆變型能量回饋系統并入供電網絡，能量的反向輸送對既有供電網絡產生了新的影響，例如反饋的能量會造成供電網絡電壓的抬升，從而威脅到供電網絡的安全可靠性。逆變型能量回饋系統的廣泛應用實際上也對供電系統的保護配置方案提出了新的要求[6-7]，所以合理地設計逆變型能量回饋系統的地鐵保護配置方案很有必要。

本文首先對典型逆變回饋系統基本原理進行分析，并在此基礎上建立了逆變回饋系統的仿真模型，根據牽引網電壓的仿真結果改進了既有地鐵交直流系統保護配置方案，并且確立了新方案下繼電保護的范圍，增加了逆變器保護裝置，從而保障地鐵供電網絡的安全與可靠，有效解決了能量的反向輸送對既有供電網絡的影響。

1 逆變回饋系統的基本原理

逆變回饋系統采用能量回饋方式，通過控制大功率逆變器的工作狀態，將直流牽引網上的再生制動能量逆變反饋到交流電網中[8-9]。該系統包括隔離開關、回饋變流器、隔離變壓器等功能部件，其中作為核心功能部件的回饋變流器由電力電子器件IGBT、控制電路與濾波器等構成[10]。機車再生制動時可通過逆變回饋系統將多余電能傳遞給交流側的電網中，從而確保整個供電系統的穩定運行。

實現再生制動電能回饋至交流供電網絡的主要思路是根據直流牽引網電壓、電流等狀態量的變化，利用回饋裝置的控制系統判定列車是否處于制動工況，當車輛制動返送的電能導致直流側牽引網壓超過閾值時，立刻向供電系統中投入再生電能回饋裝置，從而將列車再生制動電能轉化為系統中壓工頻交流電供給本站或相鄰車站的用電負荷[11]。

典型逆變型能量回饋系統接線圖如圖1所示。當檢測裝置監測到DC 1 500 V母線電壓大于設定閾值時，將逆變回饋裝置投入系統，機車產生的再生電流通過圖1中虛線路徑回饋至中壓交流供電網，最終達到母線電壓、電流相對穩定和回收能量的目的。

圖1 典型逆變型能量回饋系統接線圖Fig.1 Diagram of typical inverse energy feedback system

2 牽引及逆變回饋系統建模及仿真分析

2.1 逆變回饋系統建模

現有的地鐵牽引供電系統中，牽引網電壓在地鐵列車制動情況下很容易迅速升高，甚至有可能超過牽引網網壓允許波動的范圍，這給城市軌道交通帶來了很大的安全隱患。再生制動能量回饋系統中的核心部分為大功率逆變器，本文采用三相電壓型PWM逆變器[12]，將地鐵機車再生制動時產生的電能經PWM變流器逆變回到交流電網，供其它負載使用。該能量回饋系統不僅能夠保持直流牽引網電壓的穩定，還能同時解決電能的浪費以及隧道內通風散熱等問題。

逆變回饋系統裝置的組成模塊如圖2所示，該系統主要分為主電路和控制電路兩部分，其中主電路的主要組成部分為回饋變流器、逆變器驅動模塊、LCL濾波器和隔離變壓器，控制電路采用SVPWM脈沖生成策略。

圖2 逆變回饋裝置示意圖Fig.2 Schematic of inverter feedback device

圖3為逆變回饋系統的主電路仿真模型，其中，Udc為直流側電壓，其主要參數如表1所示。

圖3 地鐵逆變回饋系統主電路模型Fig.3 Main circuit model of subway inverter feedback system

表1 主要仿真參數Tab.1 Main simulation parameters

逆變回饋系統控制電路采用SVPWM矢量控制方法，電壓和電流采用雙環PI控制方式（電壓外環和電流內環），非工作狀態下，傳感器對直流牽引網電壓進行實時檢測，當傳感器檢測到電壓超過設定閾值（1 680 V）時，電壓信號將觸發逆變器工作，對直流牽引網電壓進行調節[13]。當傳感器檢測到電壓低于閾值后，傳感器信號消失，逆變回饋裝置停止運行，等待下一次電壓信號的來臨。逆變回饋系統的控制電路仿真模型如圖4所示。

圖4 地鐵逆變回饋系統控制電路模型Fig.4 Control circuit model of subway inverter feedback system

2.2 牽引供電系統建模

為了簡化建模過程，對機車和牽引變電站進行簡化處理，將機車用受控源進行替換，將牽引變電站利用24脈波整流模塊進行替換[3]。由于是直流供電，牽引網和鋼軌利用電阻代替。牽引供電系統在Simulink中的等效仿真模型如圖5所示。其中Rw為接觸網等效電阻，R為鋼軌等效電阻，Rg為過渡電阻，Rd為大地等效電阻。

圖5 牽引供電系統等效仿真模型Fig.5 Equivalent simulation model of traction power supply system

2.3 仿真分析

為模擬地鐵動車組制動時的狀態，仿真中做如下假設：1）地鐵動車組在制動過程中以恒定加速度減速；2）一個供電區間內只有一輛機車運行。

仿真時設定最大速度為45 km∕h，對應轉速1 800 r∕min。逆變回饋系統投入前后直流牽引網網壓波形如圖6所示，直流牽引網電流波形如圖7 所示。其中，Ud1∕Id1和 Ud2∕Id2分別為逆變回饋裝置投入前后直流牽引網的電壓∕電流波形。

圖6 逆變回饋裝置工作前后牽引網電壓波形對比Fig.6 Comparison diagram of traction network voltage waveforms before and after operation of inverter feedback device

圖7 逆變回饋裝置工作前后牽引網電流波形對比Fig.7 Comparison diagram of traction network current waveforms before and after operation of inverter feedback device

由圖6可以看出，t=1.0 s時，地鐵車輛開始進入制動工況，此時電動機轉變為發電機狀態，為地鐵車輛的制動提供制動力矩，并將多余的電能返送至牽引網，這導致牽引網壓迅速抬升，其中Ud1峰值攀升至2 550 V附近，然后逐漸穩定在2 300 V附近。由于仿真中沒有接入其他機車負載，此時多余的能量不能消耗或吸收。但在投入逆變回饋裝置后，當牽引網電壓Ud2迅速升高并超過1 680 V的閾值時，電壓傳感器檢測到直流牽引網電壓變化，觸發逆變回饋裝置進入逆變工作狀態，立即將直流側的能量回饋到高壓交流電網中，成功降低網壓Ud2，并可穩定在閾值1 680 V附近。與此同時，由圖7可看出，投入逆變回饋裝置后也可有效降低直流側牽引網的回流電流Id2，從而保證直流牽引網的安全及穩定性。

3 交直流側保護配置方案及影響分析

目前國內現有地鐵牽引供電系統主要采用直流牽引供電系統，由交流側和直流側組成，其中交流側主要元件為牽引變壓器（traction trans?former）及整流器（rectifier），直流側主要包含饋線回路。而現有地鐵牽引供電系統的繼電保護配置方案存在著“拒動”和“誤動”的潛在風險，因此，如何對現有的繼電保護配置方案進行改進成為國內外學者的關注重點。本節以地鐵直流牽引供電系統為研究對象，對交、直流側保護配置方案進行分析。

3.1 交流側保護配置方案及影響分析

根據目前典型的地鐵繼電保護裝置的特點，交流側牽引網主要選用的保護裝置為電流速斷保護和過電流保護，其保護裝置均不具備判別電流方向的功能，交流側保護配置方案如圖8所示。

圖8 典型交流側護配置方案Fig.8 Typical protection configuration scheme of AC-side

當逆變回饋的能量達到一定的量級，會造成整個地鐵中壓系統潮流的劇烈變化，嚴重影響地鐵供電交流側保護裝置的可靠運行。根據現場實測數據顯示，再生制動回饋的電能具有間歇性強、瞬時功率大的特點，一旦牽引變壓器容量達到4 MV·A，變壓器空載合閘產生的勵磁涌流難免造成交流側保護裝置誤動，影響牽引供電系統的正常供電[14]。因此，當逆變回饋裝置并入中壓系統后，需要對逆變回饋瞬時最大功率、間隔時間等因素綜合分析，分析是否存在引發交流系統保護誤動的風險。

3.2 直流側保護配置方案及影響分析

現有的地鐵直流保護配置方案有大電流脫扣保護、電流增量（ΔI）保護、熱力過負荷保護等多種保護方式[14]，直流側保護配置方案如圖9所示。

圖9 典型直流側保護配置方案Fig.9 Typical protection configuration scheme of DC-side

由于逆變回饋裝置中主要通過采集直流母線電壓的大小來判斷車輛是否進入制動工況以及是否啟動逆變回饋裝置，在直流系統這一側逆變回路的饋線與其它饋線回路相對獨立，且整流器目前并不具備逆變反向輸送的功能，因此逆變回饋對直流系統既有保護配置影響不大。考慮到逆變回饋裝置的并柜（開關柜并行連接方式）安裝策略，故需對直流系統的框架保護重新布置，降低由于逆變裝置出現的框架故障導致直流牽引系統退出運行的風險。

由于地鐵直流側保護配置方案的配合狀態互不影響，高效的保護配合機制相對匱乏。因此在牽引供電線路末端發生短路故障時，短路電流大小與機車啟動電流相近，容易導致地鐵繼電保護系統拒動；而當牽引供電系統發生振蕩時，容易導致地鐵繼電保護系統誤動[12，15-16]。

4 能量返送下的保護配置方案改進

能量的反向輸送對既有供電網絡產生了新的影響，對供電系統的保護配置方案提出了新的要求。本節主要對既有地鐵交直流系統保護配置方案進行改進。

根據某地鐵線路仿真計算的結果，再生逆變回饋能量波形如圖10所示，車輛制動產生的瞬時最大功率約4 MW，因此折算到35 kV中壓側，每相電流約64 A。35 kV交流系統設置的保護參數為：相CT變比為400∶1；相電流整定值為1.25 A[17]。因此，車輛制動在每相二次側產生的電流約為 64∕400=0.16 A，遠小于整定值 1.25 A。因此，逆變回饋電流數量級不會對交流側電流保護發生影響，從而導致保護裝置誤動。

圖10 某地鐵站再生逆變回饋能量波形Fig.10 Feedback energy waveform on a subway Station

但直流系統需根據再生逆變裝置并柜特點，對既有的框架電流保護范圍進行調整。即：

1）1#框架電流元件保護范圍為整流器柜與負極柜，電流元件的跳閘范圍為交直流側斷路器；

2）2#框架電流元件保護范圍為進線柜與饋線柜（包括再生逆變的饋線柜），電流元件跳閘范圍為直流側所有斷路器并且聯跳交流側斷路器；

3）增加3#框架，電流元件保護范圍為再生功率柜與控制柜，電流元件跳閘范圍為再生裝置的交直流側斷路器，如圖11所示。

圖11 框架電流保護范圍劃分Fig.11 Frame current protection range

5 結論

本文首先分析了逆變回饋系統的原理及建立了逆變回饋系統的Matlab∕Simulink仿真模型，并對既有地鐵交直流系統保護配置方案進行改進，重新劃分了繼電保護范圍，增加了逆變器保護裝置，提出了一種基于逆變型能量回饋系統的地鐵保護配置方案，從而保障地鐵供電網絡的安全與可靠。本文主要得出了以下結論：

1）逆變回饋裝置監測到網壓變化能快速地將直流牽引網上的能量逆變到中壓環網，電壓下降，使其穩定在某個閾值，最終達到母線電壓、電流相對穩定和回收能量的目的。

2）逆變回饋系統并入地鐵中壓系統后對交流側中壓保護配置方案不會產生影響。

3）直流側保護配置方案應根據逆變回饋系統的拼柜特點對框架保護的電流元件進行重新劃分，降低逆變回饋系統框架故障對直流牽引系統的影響。