城市轨道交通混合逆变装置的应用

冯艳艳 孙才勤

(1.广州市地下铁道总公司,510380,广州;2.中铁电气化勘测设计院有限公司,510400,广州∥第一作者,助理工程师)

城市轨道交通混合逆变装置的应用

冯艳艳1孙才勤2

(1.广州市地下铁道总公司,510380,广州;2.中铁电气化勘测设计院有限公司,510400,广州∥第一作者,助理工程师)

城市轨道交通的运行列车制动时会产生电能。再生电能的处理有电容储能或飞轮储能、逆变回馈法、混合逆变法等几种方案。根据我国的工业水平,提出了能够尽量利用再生电能的混合逆变方案。对混合逆变的原理和构成作了详细的介绍。

再生制动;能量利用;混合逆变装置

First-author's addressGuangzhou Metro Corporation,510380,Guanzhou,China

1 再生制动能量的产生

城市轨道交通列车普遍采用直-交变压变频的传动方式和再生制动方式。当列车在进站或坡道上制动时,其电动机转换为发电机,产生大量再生电能。这些电能通过列车变频传动装置回馈到直流电网。轨道交通整流设备采用的是二极管整流器,只能向直流电网单向供电,整流器的反向阻断作用使能量不能返回到上级电网,只能滞留于直流电网中。因此,当列车制动时,再生制动能量向直流电网充电,如果没有其他列车吸收,将会使直流电网电压升高。

2 再生制动能量的处理

传统的处理方法是:在电网上的再生制动能量不能完全被吸收时,列车启动自身携带的电阻吸收装置,由吸收电阻将大部分能量以发热的方式消耗掉。这样,绝大部分制动能量将被车辆制动电阻所吸收,电网电压得到稳定。但是,车辆自带制动电阻有很多弊端。

再生制动能量处理的新型方法是:将列车制动电阻移到牵引变电所,在直流母线上设置再生制动能量吸收装置,并且将发热电阻设置在地面;当列车产生的再生制动能量不能完全被其它车辆吸收时,牵引变电所直流母线上的再生制动能量吸收装置立即投入工作,吸收多余的再生电流。这样,使车辆再生电流持续稳定,以最大限度地发挥电制动性能,同时实现了将再生电能引出隧道处理的目的,避免了隧道内和地下车站内热量积累。

3 再生制动能量的利用

3.1 电容储能或飞轮储能

这两种方法主要采用逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组或飞轮电机中储存起来。当供电区间内有列车起动或加速需要取流时,该类装置将所储存的电能释放到直流母线供列车使用。

3.2 逆变回馈法

该方法主要采用电力电子器件构成大功率三相逆变器;逆变器的直流侧与牵引变电所中的直流母线相连,交流侧接到交流电网上;当再生制动使直流母线电压超过规定值时,逆变器启动并从直流母线吸收电流,将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。

3.3 混合逆变法

根据目前国内城市轨道交通的普遍技术条件,采用电阻加逆变混合吸收模式的设备,是既可靠又能最大程度实现节能的方案。它将再生能量逆变成400 V三相交流电能回馈至400 V配电系统,实现电能再利用;同时考虑到400 V配电系统的容量,在再生能量较大、超过一定安全容量的情况下,利用电阻吸收超出的那部分能量,确保车辆制动的安全稳定和400 V配电系统的安全。

4 混合逆变系统

4.1 系统结构及功能

混合逆变包括吸收电阻和逆变两大部分。系统结构如图1所示。

制动能量电阻加逆变混合吸收装置直接接于1500 V直流母线上。当车辆再生电制动且制动能量不能被其它车辆或其它用电设备吸收时,装置启动,吸收系统中多余的再生能量。

当再生能量不大于逆变器设定的吸收功率时,再生能量完全由逆变器吸收。当再生能量大于逆变器设定的吸收功率时,启动电阻部分,吸收逆变器不能吸收的那部分能量;直到系统中再生能量下降至逆变器吸收范围内时,关闭电阻部分,完全由逆变部分吸收再生能量。当系统中制动能量下降至低于设定值时,装置停止吸收电流。

混合逆变装置的逆变部分将制动再生能量逆变为与400 V电网电压同频、同相的交流电送回400 V电网,供400 V配电系统设备使用。电阻部分吸收的能量转变成热量散发。

混合逆变装置根据再生能量的大小自动调节吸收电流的大小,维持线网电压恒定。当车辆处于起动、加速、惰行、停站,或线网无车辆运行时,装置不投入工作。

图1 混合逆变系统结构图

4.2 逆变部分

逆变吸收装置的控制系统为电压环与电流环的双闭环控制。控制系统由母线给定、电压调节器、电流调节器、脉宽调制(PWM)信号生成、逆变单元、相电流检测电路、同步信号生成及母线电压采集电路等组成。

控制系统实时检测母线电压值,当母线电压值高于某一设定值时装置投入工作。母线检测值与母线设定值的差值输入电压调节器,进行一定的控制运算;电压调节器的输出作为电流环的给定信号,其值与检测到的输出电流相减,再经过电流调节器控制运算。电流调节环节的输出直接送给PWM信号生成部分,其生成的PWM波送给逆变单元。

逆变系统在输出侧(电网侧)取得实际电流信号,与系统给定的电流信号相减,其电流差值作为整个系统的调制信号,从而使系统形成电流闭环控制。系统对外呈现电流源特性,送入电网的是电流。

为了逆变器与电网的安全,同时匹配逆变器输出电压与电网电压,在逆变器输出侧与400 V配电系统之间设置一变压器,兼作隔离和变压作用。

4.3 吸收电阻部分

电阻部分采用斩波器和吸收电阻配合,根据再生制动时线网电压的变化状况调节斩波器导通比,从而改变吸收功率,将线网电压恒定在某一设定值范围内。吸收电阻将吸收的电能转换为热能散发到空气中,实现制动能量的吸收和消耗。

正常情况下,电阻部分只能在人工设定的功率范围之上工作,以保证制动能量最大程度地被逆变器吸收;在逆变器故障的情况下,电阻部分能自动增大吸收功率的范围,最大程度地维持线网电压的稳定。

4.4 系统保护功能要求

除本装置所在的直流馈线开关柜设有大电流脱扣保护、低电压闭锁过电流保护之外,装置内部还应具有过压、过流、过载、过热、短路、接地、欠压等保护。

直流侧过电压包括雷击过电压、操作过电压和来自地铁车辆上的过电压。当网压超过DC 1900 V时,封锁斩波器驱动脉冲,向综合自动化系统发出报警信号;当网压超过DC 2000 V时,设备停止工作,给出过压信号,断开接触器及相应直流馈线的快速断路器。

在斩波器预测温度最高的元件散热器或铜母排上设置温度传感器元件,用于监视元件散热器或铜母排的温度。当出现过载过热时,设备应降功率运行;如果故障仍未消除,应封锁斩波器;如果故障循环多次仍不能消除,则断开接触器,发出过载或某部位过热报警信号。

短路保护分为斩波器前短路保护和斩波器后短路保护。发生斩波器前、后的短路故障,均由相应直流馈线保护跳开馈线快速断路器,切除故障。当短路点发生在斩波器之后,设备首先关断斩波器,同时向直流馈线开关柜发出相应支路短路保护跳闸信号;如短路点发生在斩波器之前,则由直流开关柜内的断路器本体大电流脱扣保护或馈线保护动作跳闸,跳开馈线快速断路器,切除故障。当斩波器内部发生过流、短路、接地故障时,装置内保护应迅速向对应直流断路器发出故障跳闸信号。

以上故障必须经人工判断处理后,设备才能再投入工作。

当牵引网压低于设备工作电压时,设备中各相斩波器自动关断,发出网压欠压信号;当牵引网压恢复后,设备自动投入工作。

设备应具有对控制电源的监视功能,当直流控制电源发生故障时,应迅速切断接触器,发出故障报警信号。

5 结语

本文描述的是在现有条件下对车辆再生制动产生的电能的最佳利用方案。但该方案还是通过电阻消耗了一部分电能,没有完全将再生制动能量利用起来。建议在技术发展成熟后采用更好的纯逆变方法,将车辆制动时产生的电能完全利用起来,以最大限度地达到节能减排的目标。

[1]陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京:中国电力出版社,2008.

Application of Hybrid Inverter Equipment in Urban Rail Transit

Feng Yanyan,Sun Caiqin

Urban rail transit trains will produce electricity when take braking,there are several treatment programs for renewable energy,such as flywheen return,hybrid inverter etc.According to China's industrial level,the article describes how to make full use of the renewable energy,then introduces the hybrid inverter program and its composition of working principles in detail.

regenerative brake;renewable energy;hybrid inverter equipment

U 260.35

2009-12-23)