廈門(mén)地鐵2號(hào)線再生能饋裝置穩(wěn)壓試驗(yàn)分析

林家通

(廈門(mén)軌道交通集團(tuán)有限公司，361010，廈門(mén)∥工程師)

地鐵牽引供電系統(tǒng)中廣泛采用整流機(jī)組。然而，由于整流器的單導(dǎo)特性[1-2]，列車再生制動(dòng)電能無(wú)法正常回饋，造成接觸網(wǎng)電壓抬升。地鐵再生能饋裝置若要有效回收再生制動(dòng)電能[3-5]，則需在車輛制動(dòng)時(shí)能有效穩(wěn)定接觸網(wǎng)網(wǎng)壓，保證行車安全。為驗(yàn)證再生能饋裝置的逆變回饋功能，驗(yàn)證列車在不同制動(dòng)模式、制動(dòng)速度及電制動(dòng)功率下與再生能饋裝置的配合關(guān)系，本文以采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)再生能饋技術(shù)的廈門(mén)地鐵2號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“2號(hào)線”)作為研究對(duì)象，基于線路實(shí)際情況，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)分析再生能饋裝置回饋過(guò)程對(duì)35 kV電網(wǎng)的影響。詳細(xì)描述了再生能饋裝置穩(wěn)壓試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)驗(yàn)證、分析車輛不同制動(dòng)工況下再生能能饋與車輛配合度及接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定效果。

1 研究背景

2號(hào)線為地下線路，長(zhǎng)41.6 km，共設(shè)32座車站。其牽引采用DC 1500 V架空接觸網(wǎng)饋電，走行軌回流方式。全線共設(shè)18座牽引變電所，其中正線有16個(gè)牽引混合變電所及東孚車輛段設(shè)有再生能饋裝置。設(shè)有再生能饋裝置的直流牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 有再生能饋裝置的直流牽引供電系統(tǒng)構(gòu)成

2號(hào)線采用再生能饋設(shè)備的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 再生能饋裝置的主要參數(shù)

2 再生能饋裝置穩(wěn)壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

在2號(hào)線東孚車輛段牽引變電所中開(kāi)啟再生能饋裝置，并設(shè)置回饋啟動(dòng)電壓閾值為1 730 V、穩(wěn)定電壓為1 720 V。令一輛列車在AW0(空載)模式下，分別以30 km/h、45 km/h、55 km/h及80 km/h的速度行駛，再分別施加常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)至停車，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證能饋回饋效果及諧波情況。

試驗(yàn)采用主要儀器如表2所示。示波器接入再生能饋裝置的直流隔離開(kāi)關(guān)柜，測(cè)量該處的直流牽引網(wǎng)電壓和直流側(cè)電流(3根電纜并聯(lián)，測(cè)量其中1根電纜)，同時(shí)測(cè)量接入再生能饋裝置的雙向變流器A相輸出電壓(變壓器低壓側(cè))和A相變壓器低壓側(cè)輸出電流(2根電纜并聯(lián)，測(cè)量1根電纜)，并記錄波形數(shù)據(jù)。采用電能分析儀測(cè)量35 kV側(cè)電流和35 kV PT(電壓互感器)二次側(cè)電壓，評(píng)估再生能吸收裝置的回饋電能質(zhì)量情況。通過(guò)TIMS(列車綜合管理系統(tǒng))獲取車輛的實(shí)時(shí)速度、車輛處牽引網(wǎng)壓、車輛直流電流、車載過(guò)壓保護(hù)電阻投入及退出狀態(tài)和時(shí)刻、車載氣制動(dòng)投入及退出狀態(tài)和時(shí)刻、車輛制動(dòng)距離等數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)采用的測(cè)試儀器

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

列車結(jié)構(gòu)限速一般為80 km/h，在80 km/h制動(dòng)初始速度、常用制動(dòng)工況下，因再生制動(dòng)饋能功率大，超過(guò)了單臺(tái)再生能饋裝置的容量，故列車將同步啟動(dòng)空氣制動(dòng)，此工況最為典型。因此，為不贅述，本文僅取列車初始速度為80 km/h、常用制動(dòng)為典型工況對(duì)波形進(jìn)行分析。其波形與電能質(zhì)量分析見(jiàn)圖2。

a)回饋電壓和電流波形

圖2 a)為列車開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，再生能饋裝置交直流兩側(cè)處示波器采集的電壓電流波形。在t1之前，列車啟動(dòng)再生制動(dòng)，牽引網(wǎng)直流電壓在制動(dòng)過(guò)程中升高；在t1時(shí)，再生饋能裝置啟動(dòng)；在t1—t2時(shí)間段，再生能饋裝置的輸出功率跟隨制動(dòng)功率迅速增大，回饋直流電流也迅速增大，再生能饋裝置處的牽引網(wǎng)直流電壓穩(wěn)定在1 720 V左右；在t2時(shí)，再生能饋裝置輸出功率達(dá)到最大容量，在t2—t3段再生能饋裝置保持最大功率輸出，直流電流與交流電流保持穩(wěn)定；受再生能饋裝置容量限制，在t2時(shí)，牽引網(wǎng)直流電壓繼續(xù)抬升，車輛啟動(dòng)空氣制動(dòng)，補(bǔ)充制動(dòng)力，牽引網(wǎng)直流電壓維持在1 800 V左右；至t3時(shí)，列車運(yùn)行速度降低，再生制動(dòng)功率下降至低于再生能饋?zhàn)畲笕萘浚瑺恳W(wǎng)直流電壓下降到1 700 V左右，回饋電流下降，完成了制動(dòng)與饋能的過(guò)程。分析TIMS數(shù)據(jù)可知，車輛具有再生制動(dòng)功率自動(dòng)限容功能，不僅能限制再生的最大輸出功率，還能自動(dòng)啟動(dòng)空氣制動(dòng)來(lái)補(bǔ)充制動(dòng)力。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，列車處牽引網(wǎng)的最高直流電壓控制在1 830 V左右，未超過(guò)車輛過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作電壓(1 950 V)，未觸發(fā)車載過(guò)壓保護(hù)功能。

回饋電能質(zhì)量如圖2 b)及圖2 c)所示。35 kV側(cè)交流母線處電壓基波幾乎達(dá)到100%，僅有極小量的3次、5次、7次及13次諧波電壓，故具在較好的電能質(zhì)量。在交流PCC處，電流畸變率小于2.5%，以3次、5次、7次低頻諧波為主，無(wú)偶次共模諧波，滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

整理匯總再生能饋裝置處測(cè)量數(shù)據(jù)和TIMS數(shù)據(jù)，得到不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在工況一和工況二下，根據(jù)TIMS采集的電壓電流波形圖，列車制動(dòng)最大再生功率不超過(guò)裝置的額定容量2.5 MW，再生能饋裝置能完全吸收車輛的再生電能，將牽引網(wǎng)直流電壓穩(wěn)定在1 740 V左右，不觸發(fā)車輛過(guò)壓保護(hù)與空氣制動(dòng)。在工況三和工況四下，車輛主動(dòng)調(diào)整空氣制動(dòng)，使車輛處的接觸網(wǎng)電壓低于1 890 V(車輛過(guò)壓保護(hù)閾值)，保持再生能饋工作功率約為2.4 MW。

對(duì)比工況一與工況五，當(dāng)列車在約30 km/h的初始制動(dòng)速度下，相對(duì)于常用制動(dòng)模式，快速制動(dòng)模式下的列車回饋電流增大約150 A，能饋功率(即直流側(cè)功率)也增大約250 kW，制動(dòng)距離減小5 m。而在約45 km/h、55 km/h、80 km/h的制動(dòng)初始速度下進(jìn)行快速制動(dòng)，回饋電流與功率并未明顯變大。這是由于列車氣制動(dòng)的氣缸壓力會(huì)根據(jù)列車制動(dòng)力需求自動(dòng)補(bǔ)充，最大再生能饋功率保持在2.4 MW左右，未超過(guò)額定容量。在常用制動(dòng)模式下，只有車輛運(yùn)行速度降至接近0 km/h或制動(dòng)力不足時(shí)，才啟動(dòng)空氣制動(dòng)，以保持電壓不超安全值，且再生能饋裝置工作功率不超過(guò)其容量。在快速制動(dòng)模式下，空氣制動(dòng)會(huì)與電制動(dòng)同時(shí)全程投入，以縮短車輛的制動(dòng)距離及制動(dòng)時(shí)間。

不論是常用制動(dòng)模式還是快速制動(dòng)模式，不同工況的網(wǎng)壓均未超過(guò)允許值，再生能饋功率未超過(guò)能饋裝置的容量范圍，列車過(guò)壓保護(hù)未動(dòng)作。這表明，列車再生制動(dòng)與再生能饋裝置可以有效配合，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋并穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓。

由表3還可以看出：在電能回饋時(shí)，35 kV側(cè)交流電壓畸變率小于2%。而在制動(dòng)初始速度約為45 km/h、55 km/h、80 km/h時(shí)，饋電的交流電流畸變率小于2.3%。但在制動(dòng)初始速度為30 km/h時(shí)，回饋的交流電流畸變率最大為A相，測(cè)試值達(dá)6.7%。這是由于回饋功率及電流較小，對(duì)交流環(huán)網(wǎng)整體電能質(zhì)量影響較小。

在測(cè)量過(guò)程中，再生能饋裝置測(cè)量數(shù)據(jù)與列車TIMS數(shù)據(jù)并未非同步數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)可能與理想情況存有一定的偏差，但不影響試驗(yàn)結(jié)論。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)列車再生制動(dòng)回饋電能導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓抬升的現(xiàn)象，本文以廈門(mén)地鐵2號(hào)線為研究對(duì)象，對(duì)其再生能饋裝置進(jìn)行穩(wěn)壓試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)再生能饋裝置可與車輛的空氣制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)同配合完成車輛制動(dòng)，能在實(shí)現(xiàn)列車再生制動(dòng)能量回饋的情況下有效穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓。

2)當(dāng)回饋電能超過(guò)再生能饋裝置容量(2.5 MW)時(shí)，再生能饋裝置會(huì)自動(dòng)限容輸出；在制動(dòng)過(guò)程中，車輛處牽引網(wǎng)直流電壓不超過(guò)1890 V，車載過(guò)壓保護(hù)不動(dòng)作。

3)在再生能饋裝置以額定功率輸出時(shí)，在35 kV側(cè)測(cè)得回饋電流的總諧波含量畸變率≤3%，35 kV電壓的總諧波含量畸變率≤2%，滿足且優(yōu)于相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。