浅析城轨交通列车再生制动能量回馈利用装置

高阳

（中铁电气化局集团第一工程有限公司，广州 510510）

浅析城轨交通列车再生制动能量回馈利用装置

高阳

（中铁电气化局集团第一工程有限公司，广州 510510）

充分发挥列车再生制动能力，对于减少列车闸瓦磨耗、降低牵引系统能耗具有重要作用。一种中压型的列车再生制动能量回馈利用装置（简称中压能馈装置），集列车制动能量回馈、牵引供电、以及无功补偿等多种功能于一体，不仅具有显著的节能效果，还能减小直流网压波动，提高供电品质。论文介绍了中压能馈装置的功能特点、构成原理及应用方案，北京地铁10号线现场试验及测试数据表明，该设备运行可靠、节能效果显著。

城市轨道交通；牵引供电；再生制动；能量回馈

1 引言

随着经济社会发展，我国大中城市交通拥堵和环境污染日趋严重，对城市居民的生活质量造成了巨大的影响，发展地铁、轻轨等城市轨道交通已经成为缓解该问题的有效措施。城市轨道交通具有安全可靠、节能环保等优点，符合可持续发展的原则。但是伴随城市轨道交通路网规模的扩大和客运量的剧增,城市轨道交通能源消耗总量也在大幅增长。根据相关统计，目前我国已经批准建设城市轨道交通的城市有36个，估计到2020年我国城市轨道交通将新增里程逾3000km，总里程接近6 000km。如何建设更加节能的城市轨道交通系统逐渐成为行业发展方向。

目前，城市轨道交通的牵引供电主要采用750V或1500V这两种直流供电制式。整流方式通常采用24脉波二极管整流，输出电压不可控、并且能量只能单向流动。地铁车辆再生制动时产生的多余能量（附近车辆不能吸收的部分），若不进行有效处理，会使得牵引网电压升高，导致列车再生制动能力降低甚至消失。而传统的处理方法是将这部分能量用电阻能耗装置消耗掉。由于地铁列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等特点，电阻能耗装置会浪费大量的再生制动能量，同时电阻能耗装置带来隧道温度升高，加重环控通风系统负担，引起电能的二次消耗。据测算，牵引供电用电量在城市轨道交通总用电量中所占比例约50%。

研究发现，通过在变电所装设一种中压能馈型的列车再生制动能量回馈装置（下文称：中压能馈装置），其工作在逆变状态时，将列车再生制动能量反馈回交流电网再利用，将节约牵引供电用电量的10%～30%，具有显著的节能效果。

此外，该装置还能为列车提供牵引功率，在一定程度上维持直流牵引网网压稳定，以及实现对交流中压交流电网的无功补偿，提高整个系统功率因数。

目前日本东芝、德国西门子等大公司已经有类似产品问世，但还处于推广应用初期。我国完全自主研发的中压能馈装置，不仅在功能、性能及技术指标方面处于国际先进水平，而且已经取得了不错的应用业绩，在我国轨道交通大发展以及节能减排政策的推动下，具有广阔的应用前景。

2 构成、原理及应用方案

2.1 设备构成及原理

图1所示为中压能馈装置的主要设备，主要包括：一台能馈变压器、一个交流低压开关柜（一个预充电接触器和一个断路器为一组）、一台大功率的双向变流器柜。其中，大功率双向变流器柜是整个中压能馈装置的核心，内含两台双向变流器，且直流输出可以并联或串联，分别满足750V和1500V两种供电电压等级的需要。

图1 中压能馈装置构成

图2所示为双向变流器（又称PWM整流器）的主电路图。在交流电网电压ea/eb/ec和交流滤波电感L一定的情况下，通过控制脉宽调制输出电压Ua/Ub/Uc的大小和相位，就可以控制三相交流电流ia/ib/ic的大小和相位，进而实现对变流器传输的有功功率和无功功率的控制。

图2 PW M整流器的主电路

图3为设备运行在整流（功率因数为1）和逆变（功率因数为-1）时相量图。当然，通过对Ua的大小和相位的控制，也可以使设备工作在无功补偿状态。

图3 功率因数为1或-1时相量图

2.2 设备应用方案

图4为中压能馈装置的典型应用方案--在既有的24脉波二极管整流机组的交直流母线上并联接入中压能馈装置。

图4 中压能馈装置型应用方案

该应用方案的特点是在实现列车再生制动能量回馈利用的同时，还可在一定程度上扩大变电所牵引供电容量，并减小直流网压波动，因此是当前较普遍采用的一种应用方案。中压能馈装置设备名称及代号见表1。

表1 设备名称及代号

3 现场应用效果分析

为了验证设备的运行稳定性和节能效果，中压能馈装置率先在北京地铁的10号线（二期）开展了示范性应用。

图5所示为能馈装置100%负载逆变运行时10kV侧电流谐波分布图，表2为各次谐波电流大小。

图5 馈网电流频谱图

图6 满载时10kV网压频谱图

从图6和表2中的数据可以看出，中压能馈装置满载运行时注入10kV电网的电流总谐波畸变率THDI小于2%，且各次谐波含量均未超过国标《电能质量公用电网谐波》（GBT 14549—93）的要求。

图6所示为中压能馈装置满载运行时10kV侧电压的频谱图，表3所示为各次谐波值。

表2 各次谐波电流大小

从图6和表3中的数据可以看出，中压能馈装置满载运行时10kV母线电压总谐波畸变率0.8%，电压总谐波畸变率均满足国标《电能质量公用电网谐波》（GBT 14549-93）小于4.0%的要求。

图7所示为北京地铁10号线（十里河变电所）中压能馈装置投入正式运行10个月的节能数据。其中，单日最高节电2500W·h，10个月共累计回馈电能达387 506W·h，每日平均回馈电能为1336kW·h。十里河变电所采用中压能馈装置10个月的平均节能率=387506/3013083×100%=12.86%，节能效果非常显著。

表3 满载时10kV电压各次谐波大小

图7 十里河中压能馈装置节能数据

4 结语

针对城市轨道交通列车再生制动能量利用问题，介绍了一种新型的中压能馈装置的构成、工作原理和工程应用方案，并进行了现场应用数据分析。实际应用表明，该装置对交流电网无影响，且工作稳定，性能可靠，节能效果显著，值得进一步推广应用。

【1】韩志伟，张钢，刘志刚，牟富强.中压能馈型再生制动能量利用装置应用效果分析[C].2013年轨道交通电气与信息技术国际学术会议（EITRT2013）论文集，2013.

【2】张钢，刘志刚，牟富强.双向变流器在城轨牵引供电系统中的应用[J].都市快轨交通，2014，27(14)：109-112.

【3】鲁玉桐，赵小皓，赵叶辉.再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通,2014，27(14)：:15-108

【4】陈哲.北京地铁10号线中压能馈型再生制动电能利用装置[J].现代城市轨道交通，2015（1）：5-7.

Analysis of UrbanRail Transit TrainRegenerative Braking Energy FeedbackUtilization Device

GAO Yang
（First Engineering Co.Ltd.of ChinaRailway ElectrificationBureauGroup,Guangzhou 510510，China）

The full play of the braking ability for reduction of train brake shoe wear and reduce the traction energy consumption of the system playsan importantrole.Thetrainofamedium pressuretyperegenerativebrakingenergy feedbackandutilizationdevice(referred toas themedium voltage feedbackdevice),setoftrainbrakingenergy feedback,tractionpowersupply,and reactivepowercompensationandother functionsinone,notonlyhassignificantenergy-savingeffect,itcanalso reduce theDC voltage fluctuation,high powersupplyquality.This paperintroducesthefunctionalcharacteristics,thestructureprincipleandapplicationofthemedium pressureenergy feedingdevice.Thefield testand testdataofBeijingMetro Line10show thattheequipmentisreliableandeffective.

urban railtransit;tractionpowersupply;regenerativebraking;energy feedback

U224.2;U231

B

1007-9467（2016）08-0129-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.034

2016-03-09

高阳（1984～），男，四川广元人，工程师，从事供电系统施工管理研究，（电子信箱）543800337@qq.com。