双向变流型城市轨道再生能源利用技术研究

张灵芝

双向变流型城市轨道再生能源利用技术研究

张灵芝

针对城市轨道交通系统的再生制动能量有效利用问题，介绍了一种新的解决方案——双向变流型再生电能吸收利用技术，对该系统的原理、结构、特点等方面进行了研究，针对系统三大主要功能即逆变回馈功能、整流牵引功能和稳压及单位功率因数控制功能进行了归纳；利用Infineon（英飞凌）提供的仿真软件进行仿真，对系统运行的功率因数、效率和保护兼容性进行实验。研究结果表明，双向变流型再生电能吸收利用系统具有能量双向流动、输出特性可控、功率因数可调、系统效率高和保护兼容性好等显著优点，不仅能够实现列车制动能量的再生利用，达到节能减排的目的，还能提高供电品质，是城市轨道交通再生能源利用技术中一种更为经济、有效的解决方案。

城轨交通；再生制动；双向变流型

0 引言

随着城市轨道交通网络的快速发展，人们在关注城市轨道交通车辆舒适性和自动化程度的同时，也逐渐意识到轨道交通的环境效益和节能问题的重要性。城市轨道交通运营过程中必然需要频繁启动和制动，传统供电系统中车辆制动时产生的多余能量都被浪费，制动能量若能加以合理利用必能产生良好的经济效益。目前，列车再生能量吸收装置主要包括电阻耗能型、储能型和逆变回馈型。电阻耗能型再生能量吸收装置能量消耗较大，在国外主要应用于德国波鸿和科隆地铁、西班牙的马德里地铁、美国的波特兰地铁，国内早期多条地铁线路也广泛应用，如北京地铁机场线、6号线、8号线二期工程、房山线、亦庄线、昌平线、15号线一期,广州地铁4、5、6号线，重庆地铁2号线等线路，目前新建地铁线路中很少采用，已基本淘汰；储能型再生能量吸收装置占地较大，设备难以采购，主要应用于国外，如英国伦敦地铁、美国纽约和洛杉矶地铁、法国巴黎和里昂地铁，国内应用较少，主要是北京地铁5号线（现已拆除）[1]；逆变型再生能量吸收装置由于设备可控，效率较高，目前各新建地铁线路主要采用逆变型，在北京地铁9号线投入运行，因为容量限制，仍旧需要设置电阻，并未做到完全的节能，技术仍需改善[2]。针对以上情况，本文以逆变型新技术——双向变流型再生电能吸收利用系统为具体对象，研究城市轨道交通再生制动能量利用技术。该系统能实现系统再生能量吸收利用单位功率因数超过95%，是一种较为经济、有效的解决方案。

1 双向变流型再生电能吸收利用系统概述

双向变流型再生电能吸收利用系统的主要功能是在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流电网，同时不仅能够抑制直流网压的波动范围，减小直流电压纹波，提高供电质量，更重要的是还能避免列车再生制动能量在能耗电阻上的白白消耗，节约电能[3]。

1.1 系统原理

双向变流型再生电能吸收利用系统中为了尽量减少再生电能吸收利用装置对既有线路运行的影响，将该系统的整流/逆变通路与既有的牵引变电所整流通路分离，采用其整流/逆变支路与二极管整流牵引机组并列布置方式，再生电能吸收利用系统直流侧通过直流馈线柜和直流柜接直流牵引网，交流侧通过40.5 kV开关柜接站内35 kV母线，系统工作原理图略。

在列车正常发车起动及运行时，双向变流型再生电能吸收利用系统中的再生电能吸收利用装置与二极管整流机组协同工作，启动牵引功能，向直流1 500 V牵引电网馈能，给车辆提供牵引电能，此时电能转化为车辆的动能。当车辆采用电制动时，列车的动能转化为电能，回馈到直流1 500 V牵引电网，这些能量将引起直流电网电压升高。再生电能吸收利用装置检测到直流网压升高到设定值，并确定列车处于制动状态时，回馈功能开始启动，将这部分制动能量回馈到35 kV交流电网中，该过程中二极管整流机组反向截止，停止工作。当制动能量回馈完毕，直流网压降到设定值时，再生电能吸收利用装置停止回馈功能转入待机状态，等待执行下一次任务。

1.2 系统结构

双向变流型再生电能吸收利用系统中的再生电能吸收利用装置主要包括变压器（NKB）、双向变流柜（NKINV）及直流柜（ZG），变压器（NKB）低压侧 4个绕组分别与双向变流柜的四重模块相连，而双向变流柜（TSB）的直流负极引入直流柜，其直流正极直接引入直流1 500 V开关柜（D）；其中直流柜（ZG）完成双向变流型再生电能吸收利用系统与直流母线负极（N）的隔离、滤波及网络通讯等功能，双向变流柜（NKINV）则实现电能在直流侧与交流侧的双向流动，同时完成系统级功能、系统级保护等功能；变压器（NKB）则完成将电压在高压与低压之间的转换及隔离。

1.3 系统特点

双向变流型再生吸收利用系统具有如下特点：

（1）采用城轨车辆牵引系统所用的大功率牵引级 IGBT器件，过载能力强，在间歇工作制（30 s / 120 s）时最高过载可达到200%；牵引级IGBT比工业等级IGBT在工艺流程方面更加严格。

（2）集能量回馈、牵引供电、提高供电品质等功能于一体，设备利用率高，供电系统大大简化。

（3）该系统在回馈模式时，因短时过载能力强，在地铁负载间歇工作制下，节能率高。该产品在某地铁正线近1年运营考核期内，平均节能率达到38%。

（4）采用多重化并联技术，提高系统输出电能质量，保证系统与既有电网兼容性良好。

（5）采用轴向多分裂变压器技术，提高系统抗故障失效能力，增强系统与既有变电所供电系统的保护兼容性。

（6）完善的外特性控制技术，提供多种控制方式，实现系统整流与逆变工况之间平滑过渡，以及与既有整流机组之间能量的自动分配。

（7）采用基于功率组件的系统设计理念，实现快速维护维修，最大限度减少设备停机时间。

（8）基于以太网的实时数据采集与记录，实现系统运行状态的实时监控和智能故障诊断。

2 双向变流型再生电能吸收利用系统功能

双向变流型再生电能吸收利用系统主要具有逆变回馈功能、整流牵引功能、稳压功能等，该系统能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流中压电网，并且还可在列车牵引时与变电所牵引整流机组共同为列车提供能量。同时还可以抑制直流网压的波动，减小直流电压纹波，提高牵引供电质量。该系统还具有单位功率因数控制、逻辑控制、保护、通信、显示、数据采集及存储、联锁与联跳、试验等辅助功能。下文就其中的逆变回馈功能、整流牵引功能和稳压及单位功率因数控制功能进行分析。

2.1 逆变回馈功能

该系统的回馈功能是将列车电制动时产生的不能被临近车辆吸收的再生能量反馈回中压交流电网，供其他负荷使用，实现能量的循环再利用。为实现上述系统主要功能，主电路拓扑方面采用变压器耦合的4重化四象限PWM变流器方案，如图1所示[5]。

图1 主电路拓扑方案示意图

2.2 整流牵引功能

该系统具有与二极管整流机组协同供电的功能，即牵引功能，可在该系统额定输出功率范围内提供牵引电能，供车辆启动牵引所需。并根据不同的控制目标，合理分配该系统与二极管整流机组之间的牵引功率，以实现协同供电效益最大化。

在双向变流型再生电能吸收利用系统工作在牵引功能时，为了实现与二极管牵引整流机组的协调工作，并达到特定的控制目标（功率分配、直流电压波动最小等），可利用双向变流型再生电能吸收利用系统良好的可控性，根据需要对直流输出特性（外特性）进行控制。双向变流型再生电能吸收利用系统具备 2种典型的输出特性曲线——恒压特性和下垂特性。

（1）下垂特性。该系统的外特性下垂斜率与二极管整流机组外特性下垂斜率相近，使得二者尽可能均分牵引输出功率，通过外特性控制环节，描绘出与二极管牵引整流机组的相似的下垂曲线，使得双向变流型再生吸收利用装置直流输出跟随该曲线，实现与二极管整流机组的协同供电。

（2）恒压特性。能够保证在双向变流型再生吸收利用装置容量范围内直流电压保持恒定。当列车所需牵引功率超过双向变流型再生吸收利用装置最大容量时，双向变流型再生吸收利用装置将进入限功区，以恒功率控制运行输出额定功率，功率缺口部分由二极管整流机组进行补充[6]。

2.3 稳压及单位功率因数控制功能

该系统具有稳定直流母线电压的功能，通过双向变流柜的逆变回馈/整流牵引功能及控制软件中的稳压控制环节实现，单位功率因数功能则通过控制软件中的电流环实现。

双向变流型再生电能吸收利用系统采用经典的电压、电流双闭环PWM四象限变流器控制策略，电压外环作为控制外环，通过测量双向变流器实际输出的直流电压，与设定的稳定电压值比较，进行闭环控制，并给出电流内环的有功电流给定值，使得整套装置能够按照设定的稳压值输出，在额定功率范围内，达到稳定直流母线电压的目的。

电流内环作为底层的控制内环，通过对双向变流器直流侧电压和交流侧电流进行测量，并采用基于同步旋转坐标变化的控制方式，将交流电流转换成直流电流，从而实现有功电流、无功电流的闭环独立控制，并通过将无功电流设置为零的方式，使得双向变流器输出的功率因数达到±1，实现系统单位功率因数控制的目的[7]。

3 实验及结果分析

3.1 系统功率因数

通过Infineon（英飞凌）提供的仿真软件进行实验，计算系统功率因数。系统控制部分采用经典电流、电压双闭环控制策略，电流环作为内环，将检测到的交流电流通过同步旋转坐标变化转换为直流电流，从而实现有功电流、无功电流的闭环独立控制，并通过将无功电流设置为零的方式，使得双向变流器输出的功率因数达到±1，实现系统单位功率因数控制[8]。

如图2所示，35 kV网侧相电压与相电流相位约差180º，可以保证回馈过程中35 kV PCC处监测的网侧功率因数接近-1，满足城市轨道交通系统再生能源回馈技术要求[9]。

图2 35 kV网侧相电压及相电流仿真波形图

3.2 系统效率

应用Infineon（英飞凌）提供的IGBT损耗软件进行仿真，选用 Infineon（eupec）公司型号为FZ1200R33KF2C的3 300 V / 1 200 A的IGBT元件。计算双向变流柜的功率损耗，在额定功率为2 MW时，损耗为29.216 kW，其效率为98.54%。

依据上述方法对变流柜工作在额定功率的80%、60%、40%的效率进行仿真分析如下：

（1）输出功率为1.6 MW时，IGBT的损耗为557 + 345 = 902 W，考虑到其他部件的损耗为3.2 kW，整个双向变流柜的损耗估算为0.902×24 + 3.2 = 24.848 kW，因此效率为98.447%。

（2）输出功率为1.2 MW时，IGBT的损耗为411 + 322 = 733 W，考虑到其他部件的损耗为3.2 kW，整个双向变流柜的损耗估算为0.733×24 + 3.2 = 20.792 kW，因此效率为98.267%。

（3）输出功率为0.8 MW时，IGBT的损耗为268 + 300 = 568 W，考虑到其他部件的损耗为3.2 kW，整个双向变流柜的损耗估算为0.568×24 + 3.2 = 16.832 kW，因此效率为97.896%。

双向变流型再生电能吸收利用系统额定工况下整体效率为97.2%。主要设备中：隔离变压器效率为98.9%，双向变流柜效率为98.5%，直流控制柜中仅电抗器存在约 2.2 kW 的损耗，效率为99.8%，因此额定工况下整套设备的效率为97.2%，加入运行中预期的运行损耗，该系统的利用效率超过95%。

3.3 系统保护兼容性

该系统在任何运行状态下都不影响供电系统整流机组及继电保护装置（如支路继保、牵引整流支路继保及母联柜继保等）的正常工作[10]。

（1）设备正常运营时，依靠自身内部断路器、整流/逆变支路上40.5 kV高压开关柜及1 500 V直流开关柜实现整流/逆变支路的保护，不影响其他继电保护装置的工作。

（2）当双向变流型再生电能吸收利用系统故障时，通过该系统自身输出分闸信号，依据故障级别分断整流/逆变支路上的40.5 kV或1 500 V开关柜，从而切除双向变流型再生电能吸收利用系统，在该过程中不联跳其他高压开关和直流开关、也不影响其他继电保护装置工作。

（3）当双向变流型再生电能吸收利用系统对应40.5 kV开关柜分断或前级母线失压时，该装置迅速退出运行，不影响母联备自投及其他继电保护装置的正常工作。具体测试结果见图3—图7。

图3 中压整流/逆变支路对应10 kV开关柜分断脉冲封锁时间测试图

图4 40.5 kV开关柜分断装置退出时间测试图

图5 前级母线失压脉冲封锁时间测试图

图6 前级母线失压到双向变流型再生电能吸收利用装置退出时间测试图

图7 母线失压后母联自投时间测试图

4 结语

综上所述，双向变流型再生电能吸收利用系统具有能量双向流动，输出特性可控，功率因数可调、系统效率高和保护兼容性好等显著优点，不仅能够实现列车制动能量的再生利用，取代能耗电阻，达到节能减排的目的，还能减小直流电压波动范围及纹波，提高供电品质。此外，还可以对中压环网进行无功补偿，提高系统功率因数。整套系统技术先进、性能可靠，结合工程实际需要，采取合理的应用方案，可以发挥其巨大的技术优势，获得良好的投资回报，市场前景非常广阔[11]。

截止目前，双向变流型再生电能吸收利用系统已由南车时代电气公司安装应用于北京地铁14号线园博园站、大井站，经过一年多的实际运行，系统利用效率超过95%，有效改善了直流线网供电质量，具备良好的节能效果。此外双向变流型再生电能吸收利用系统正试用于昆明轨道交通车辆动调基地、南车磁浮试验线、长沙地铁2号线一期工程等项目。因此，双向变流型再生电能吸收利用系统是城市轨道交通再生能源利用技术中可应用的一种较为经济、有效的解决方案。

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With regard to the issue on effective utilization of regenerative braking energy for urban rail transit system, this paper introduced a new solution - bidirectional converter type technology for absorption and utilization of regeneration energy. The principle, structure and characteristics of the system were studied, three main functions for the system that inverter feedback function, rectifier traction capabilities and voltage & unity power factor control functions were summarized. The running power factor, efficiency and protection compatibility of the system were simulated by simulation software provided infineon. The results show that there are significant advantages of bidirectional converter type system for absorption and utilization of regeneration energy, including bidirectional flow of energy, a control output feature, an adjustable power factor, high efficiency and ideal protection compatibility. Not only can it reuse train braking energy to achieve the purpose of energy conservation, but also improve the quality of power supply, and it is a more economical and effective solution of regeneration energy technology to urban rail transit.

Urban rail transit; regenerative braking; bidirectional converter type

U231.8

：B

：1007-936X(2015)03-0041-05

2014-10-28

张灵芝.湖南铁路科技职业技术学院电子电气系，工程师，电话：15116009095。

湖南省教育厅科学研究项目：城市轨道交通再生制动能量利用技术应用研究（12C1144）。