青島地鐵逆變回饋裝置的運行性能與節(jié)能效果評估

張 巖，吳建華，張丙建，劉 煒，張 戩，張 浩

0 引言

隨著城市化進程不斷加速，截至2019年年底，全國有40座城市開通運營城市軌道交通線路，共計210條，總里程6 386.9 km。城市軌道交通作為我國重點用能單位之一，除人工成本外，電耗費用在運營費用中占比最高，一般占運營費用的20%以上[1]，其中一半以上電能用于牽引供電。城軌列車在頻繁電制動過程中約產(chǎn)生牽引能耗30%以上的再生制動能量，合理安裝再生能量利用裝置，提高再生能量利用率成為當前研究熱點[2，3]。

現(xiàn)階段，儲能和逆變是實現(xiàn)再生制動能量循環(huán)利用的主要方式[4]。文獻[5]研究電阻-逆變型再生制動能量地面吸收裝置在地鐵中的應(yīng)用，實現(xiàn)了再生制動能量的充分利用。文獻[6]提出了逆變+儲能的新型再生能量吸收裝置，理論上完善了單一再生制動能量利用裝置方案在容量配置上的不足。文獻[7]研究了再生制動能量在并網(wǎng)與儲能之間的分配，通過仿真驗證采用儲能優(yōu)先的策略能夠有效減小再生制動功率對交流電網(wǎng)的沖擊。文獻[8]根據(jù)地鐵逆變裝置的實測數(shù)據(jù)，驗證了逆變回饋型裝置本身在能量反饋方面的有效性。上述文獻沒有從牽引供電系統(tǒng)的角度對再生能量吸收裝置運行性能進行實測分析，且未考慮不同位置再生制動能量吸收裝置對牽引供電系統(tǒng)電壓、電流及再生制動功率分配的影響。

文獻[9]對逆變回饋裝置在南京地鐵的長期運行情況進行實測分析，得出逆變裝置節(jié)能效果良好，可代替地面制動電阻，降低隧道散熱費用支出。文獻[10，11]分析了再生能量回饋裝置的安裝位置對再生制動能量利用率的影響，對實測逆變回饋裝置安裝方案具有一定指導(dǎo)意義。文獻[12]通過對上海地鐵列車運行能耗進行實測分析，研究再生制動能量利用裝置的系統(tǒng)設(shè)計。

基于以上再生能量利用裝置研究現(xiàn)狀，本文對青島某地鐵線路含逆變回饋裝置的典型供電區(qū)間進行實測分析，對牽引降壓混合所（牽混所）中逆變回饋裝置的直流側(cè)、交流測電壓電流進行同步測試，增加主變電所監(jiān)測點，從裝置級和系統(tǒng)級評估逆變回饋裝置在直流牽引供電系統(tǒng)中的運行性能。

1 測試方案

青島某地鐵線路目前開通運營24個牽引所，其中含牽混所18座，降壓變電所（降壓所）3座，區(qū)間所3座。線路長度約為67 km，設(shè)置主變電所2座，開閉所1座，共21個車站。采用直流1 500 V接觸軌授流，鋼軌回流。列車類型為4B，2動2拖編組。本次共測試2個含逆變回饋裝置的典型供電分區(qū)，分2次進行。該地鐵線路2段典型供電分區(qū)供電系統(tǒng)簡圖如圖1所示，牽混所和區(qū)間所以字母“T”加順序數(shù)字命名，降壓所以“S”加順序數(shù)字命名。逆變回饋裝置與牽引負荷不在同側(cè)。

圖1 開閉所供電分區(qū)供電系統(tǒng)簡圖

測試分為2個階段進行，第1階段測試對牽混所T5和T7的逆變回饋裝置及主變電所2進行測試，第2階段對牽混所T16進行測試。測試期間，主要收集逆變回饋裝置不同啟動電壓下全日負荷過程數(shù)據(jù)，得到反饋電能和反饋比率、逆變裝置響應(yīng)時間；測量逆變回饋裝置投切對主變電所返送功率、牽引網(wǎng)網(wǎng)壓等變化的影響，并評估逆變回饋裝置安裝后的節(jié)能效果。

2 逆變回饋裝置性能分析

2.1 響應(yīng)時間

國標規(guī)定，逆變回饋裝置響應(yīng)時間為輸出功率從零到峰值功率所需的時間，其值不應(yīng)超過1 s[14]。

牽混所T7、T16逆變回饋裝置短時電流分別如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可以看出，牽混所T7、T16逆變回饋裝置電流在約0.9 s內(nèi)從0上升至裝置額定電流值1 200 A左右，符合國標要求。

圖2 T7逆變回饋裝置響應(yīng)時間

圖3 T16逆變回饋裝置響應(yīng)時間

2.2 控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓效果

以牽混所T16為例，分析該所逆變回饋裝置穩(wěn)壓效果及啟動電壓影響，其直流側(cè)負荷過程曲線如圖4所示。該所逆變回饋裝置工作時間為06：10—22：00，啟動電壓設(shè)置為1 770 V。

圖4 T16直流側(cè)負荷過程曲線

由圖4可以看出：逆變回饋裝置未工作時，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓水平較高，最高可達1 838 V；投入逆變回饋裝置后，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓最大值穩(wěn)定在1 770 V左右，逆變回饋裝置穩(wěn)壓效果較好。

2.3 裝置利用率

國標規(guī)定逆變回饋裝置工作制為矩形間歇工作制，工作周期為120 s。占空比可以反映逆變回饋裝置的利用率，計算方法是以120 s為一個時間窗口，統(tǒng)計120 s內(nèi)電流的有效值，通過換算得到對應(yīng)額定功率運行的占空比σ。σ的計算方法如下：

式中：IRMS為120 s內(nèi)電流的有效值；In為直流側(cè)額定電流；Ii為裝置第i秒的電流。

以牽混所T16為例，根據(jù)式（1）、式（2）進行計算，得到該牽混所逆變回饋裝置占空比如圖5、表1所示。該所的逆變回饋裝置工作時段為06：10—22：00，當日06：10—17：35啟動電壓為1 740 V，17：35—22：00啟動電壓為1 770 V。

圖5 T16逆變回饋裝置占空比

表1 不同啟動電壓下逆變回饋裝置最大占空比

由圖5可以看出：牽混所T16逆變回饋裝置以額定功率工作，啟動電壓為1 740 V時，該牽混所逆變回饋裝置占空比最高為12.2%，整體占空比水平較高；調(diào)整啟動電壓為1 770 V后，整體占空比降低，最大為5.2%。當逆變回饋裝置啟動電壓降低時，逆變回饋裝置啟動次數(shù)增加，其占空比提高，因此利用率上升。

由表1可以看出，牽混所T7逆變回饋裝置也均符合占空比變化規(guī)律，但牽混所T16啟動電壓為1 740、1 770 V時分別與T7啟動電壓為1 720、1 750 V相比，T16最大占空比均更大。這是由于T7平均空載電壓為1 710 V左右，而T16空載電壓為1 735 V左右，T16空載電壓水平較高且與逆變回饋裝置啟動電壓更接近。

3 主變電所負荷過程分析

該地鐵供電系統(tǒng)主變電所負荷統(tǒng)計如表2所示。其中改變逆變回饋裝置設(shè)置的牽混所為T5和T7，均為牽引負荷在Ⅰ段母線的牽混所，其逆變回饋裝置位于Ⅱ段母線。其他牽混所內(nèi)逆變回饋裝置設(shè)置為：主變電所1、2供電分區(qū)內(nèi)逆變回饋裝置啟動電壓為1 750 V，開閉所供電分區(qū)內(nèi)逆變回饋裝置啟動電壓為1 770 V。

表2 主變電所2全日負荷統(tǒng)計

由表2可以看出，主變電所2供電分區(qū)內(nèi)，逆變回饋裝置啟動電壓為1 720 V時比1 750 V時主所Ⅱ段返送電量多。這是因為啟動電壓降低后，逆變回饋裝置反饋電能增加。主所負荷除牽引負荷外，還包括動力照明等負荷變化波動較大的負荷，因此日電度波動較大。

4 節(jié)能效果評估

4.1 節(jié)能指標

評價節(jié)能效果時，既要考慮裝置的節(jié)能效果，也應(yīng)顧及整個系統(tǒng)的節(jié)能效果。評價裝置級節(jié)能效果時可以將再生制動反饋率ξ作為評價指標：

式中：ti為第i種發(fā)車間隔的運營時長；J為全日發(fā)車間隔數(shù)量；PF為第i種發(fā)車間隔下牽引變電所逆變回饋裝置每小時的平均逆變功率；PT為第i種發(fā)車間隔下牽引變電所整流機組每小時的平均牽引功率。

評價系統(tǒng)的節(jié)能效果時，還應(yīng)考慮列車發(fā)車密度、牽引變電所數(shù)量與主所返送功率相關(guān)。綜合以上分析，系統(tǒng)節(jié)能效果評價應(yīng)以系統(tǒng)日回饋能量WFr、實際牽引能耗WTr作為考核指標[13]，其計算式為

式中：M1為牽引變電所數(shù)量；M2為主變電所數(shù)量；PMik為第i種發(fā)車間隔，第k個主所每小時的平均返送電量；PFij為第i種發(fā)車間隔，第j個牽引變電所每小時平均反饋功率；PTij為第i種發(fā)車間隔，第j個牽引變電所每小時平均牽引有功功率。

4.2 節(jié)能效果分析

對該線路逆變回饋裝置不同啟動電壓下節(jié)能效果進行統(tǒng)計，如表3、表4所示。

表3 逆變回饋裝置不同啟動電壓下裝置級節(jié)能效果

根據(jù)表3，牽混所T7和T16的再生制動反饋率ξ隨啟動電壓的提高而降低，牽混所T7的ξ最高為24.9%，比T16的ξ最大值46.2%低，與空載電壓水平有關(guān)。

當改變T5和T7的逆變回饋裝置設(shè)置時，主變電所2供電分區(qū)系統(tǒng)級節(jié)能效果如表4所示，其他牽混所逆變回饋裝置設(shè)置同第3節(jié)。

表4 主變電所2供電分區(qū)系統(tǒng)級節(jié)能效果

由表4可以看出，逆變回饋裝置啟動電壓降低時WFr增加，最大為5 254 kW·h。T7和T16的逆變回饋裝置未投入時，T5、T8和T14的逆變回饋裝置仍投入，此時WFr為2 242 kW·h。啟動電壓為1 750和1 720 V時，主變電所2供電分區(qū)WTr分別是逆變回饋裝置未投入時的98.4%和97.5%。由于主變電所2供電區(qū)間內(nèi)僅有兩逆變回饋裝置狀態(tài)改變，因此對系統(tǒng)實際牽引能耗影響有限。

5 結(jié)論

（1）通過對青島某地鐵線路含逆變回饋裝置的牽混所進行測試和分析，逆變回饋裝置對控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓水平效果較好，其響應(yīng)時間在1 s內(nèi)，符合國標要求；占空比最大為12.2%，啟動電壓越低時占空比越高，且與空載電壓水平有關(guān)。

（2）對主變電所負荷過程進行分析，逆變回饋裝置啟動電壓越低，主變電所全日返送電量越多，最大為989 kW·h。

（3）提出了以再生制動反饋率ξ作為裝置級節(jié)能評價指標，ξ隨啟動電壓的提高而降低，最大值為46.2%，且與空載電壓水平有關(guān)。提出了以系統(tǒng)日回饋能量WFr、實際牽引能耗WTr作為系統(tǒng)節(jié)能效果評價指標，逆變回饋裝置啟動電壓降低時，WFr增加，WTr減小，WFr最大為5 254 kW·h。啟動電壓為1 750和1 720 V時，主變電所2供電分區(qū)WTr分別是逆變回饋裝置未投入時的98.4%和

97.5%。