城市轨道交通再生制动技术及其对电网的影响

2016-08-16陈玉琼

中国科技信息 2016年9期

田华陈玉琼

田华陈玉琼

在城市轨道交通中，由于列车质量大、速度快、起停频繁，因此在进站制动过程中会产生巨大的能量。再生制动能量利用技术在不断发展，目前列车再生制动能量吸收方式主要有电阻耗能、电容储能、飞轮储能和逆变回馈四种，本文介绍了这四种制动能量吸收方式的技术及特点，并从电能质量、电能计量、继电保护等方面分析了能馈式再生制动技术对电网的影响，为电网应对逆变回馈能量的评估提供基础。

概述

随着城市的发展，大中型城市交通问题愈发严重，而地铁作为一种交通工具在这种情况下显得尤为重要。在城市轨道交通中，由于站间距较短，一般为1000～3000m，列车启动、制动状态切换频繁，为了保证列车乘坐的舒适性，列车在加速启动、减速制动以及平稳制动等方面应具备良好性能。列车在减速制动过程中，由于重量大、速度快、制动距离短等特点，会有大量的机械能转化为其他形式的能量而消耗。列车上普遍装有电阻耗能设备，但由于列车空间有限，所装设电阻不能够将再生制动能量全部消耗，因此剩余部分能量仍需通过机械制动补充。在列车牵引变电站，由于采用二极管将交流电压整流为直流电压，因此为单向供电方式。当列车将再生制动能量逆变反馈给直流牵引网时，如果能量不能及时被利用，会使得牵引网电压升高，对列车用电设备造成危害，例如北京某条地铁线，采用DC750V供电系统，当再生制动逆变回馈时，牵引网电压最高达到了1000V。由于站间距离以及发车间隔不同，再生制动产生的电能有10%～80%可被吸收再利用，剩余的能量将经过电阻，以热能的形式消耗，从而导致隧道和站台温度的升高，也使得站内环空系统负担加重。因此，对列车制动再生能量吸收装置的研究和应用，对降低列车重量、提高列车性能、减少系统投资等方面都有很大的帮助。本文主要完成了两个工作：①分析对比四种列车再生制动能量吸收装置的特点及技术；②通过三个方面分析回馈电能对电网的影响。

再生制动能量吸收技术

在城市轨道交通中，列车制动通常分为机械制动和电制动两种，电制动又包括电阻制动和再生制动两种，列车制动时，电阻制动和再生制动往往结合使用：采用再生制动技术将列车机械能转化为电能，产生的电能如果不能够及时被列车设备或者附近列车所消耗，则使用电阻制动作为补充将电能以热量的形式消耗。采用电阻消耗电能虽然可靠，但是不经济，同时会产生大量的热量，使得温度升高。

为了吸收直流牵引网上因再生制动而累积的电量，国内外通常在列车牵引变电所直流母线上安装能量吸收装置，主要有电阻耗能装置、电容储能装置、飞轮储能装置以及逆变回馈装置。当列车进站制动而产生的电能不能及时被车站辅助用电设备或者附近列车所消耗时，直流母线上的能量吸收装置则投入使用，吸收多余电量，维持牵引网电压稳定，提高再生制动能量的利用率。例如英国伦敦地铁、日本冲绳地铁等线路，都安装了再生制动能量吸收装置。

电阻耗能型

电阻耗能型再生制动能量吸收装置利用吸收电阻和IGBT斩波器相结合的稳压方案，根据直流牵引网电压的大小调节IGBT斩波器的导通比，以此来控制吸收电阻的功率，将多余电能通过吸收电阻消耗，从而将直流牵引网电压稳定在合理范围内。电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要由吸收电阻、IGBT斩波器、滤波器、二极管、断路器以及控制模块等元器件组成。在装置的主要优点是结构简单、稳定性强，主要缺点就是将制动产生的电能以热能的形式而消耗，造成能源的浪费及温度升高等问题。当城市轨道交通采用这种设备时，消耗电阻需要独立放置，并且需要额外增加通风设备，保证良好的通风性能。

电容或者飞轮储能型

电容储能装置与飞轮储能装置，它们在结构组成、工作原理等方面都非常相似，最大的不同之处就是所用的储能元件，因此本文以飞轮储能型再生制动能量吸收装置为例进行介绍。

飞轮储能型再生制动能量吸收装置通过利用IGBT逆变器将从列车再生制动产生的多余电能快速存储到旋转的飞轮中，当附近有列车经过需要电能的时候，该储能装置将所存电能传输给列车，从而实现能量的重复利用。该能量吸收装置主要包括飞轮机、IGBT斩波器、断路器、隔离开关及控制模块等元器件。飞轮储能型再生制动能量吸收装置的优点是可以快速吸收直流牵引网上多余电量，电量重复利用率高，同时也减少了耗能电阻的比例，但是主要的缺点是飞轮电机占地面积较大，大容量的装置成本较高，很多问题仍在继续研究过程中，因此该类装置应用线路目前较少。

逆变回馈型

逆变回馈型再生制动能量吸收装置通过逆变器将牵引网直流逆变为交流，反馈至交流网络。装置中的逆变器是由电力电子元件组成的大功率三相逆变器，其直流侧与供电系统中的直流母线相连，交流侧与供电系统交流网络相连。当再生制动时牵引变电所直流母线上电压超过正常范围时，逆变器开始工作，将直流电流逆变成交流电流，调压并反馈至系统交流电力网络，从而保证直流母线上电压的稳定。逆变回馈装置主要包括晶闸管、变压器、断路器、电抗器等元器件。该逆变吸收装置的优点是用可以充分吸收利用列车再生制动产生的电能，减少再生制动能量的浪费，还可以减少耗能电阻的比例，从而降低投资，其缺点是可能引起交流侧电网质量的降低。在这种能量吸收装置中，由于电能直接逆变回馈给了交流电力网络，因此不需要额外配置储存能量的元件，也不会造成隧道和站台处温度的明显上升。基于以上优点，逆变回馈型再生制动能量吸收装置已经在很多地铁线路中得到了实际应用。

再生制动对电网的影响

对电能质量的影响

逆变回馈式能量吸收装置，由于通过电力电子元件将直流电逆变成交流电，并反馈至交流电网，因此会对交流电网电能质量带来一定的影响，根据逆变器元件工作特性，交流侧电网通常会出现电压波动与闪变、谐波增多等问题。

在城市轨道交通供电系统中，由于供电区间列车数量不确定，列车在加速、惰性、制动等运行状态下，速度变化快、幅度大，所需电能也相差很大，如果牵引变电所加设再生制动能量逆变反馈装置，将使得交流侧电网负荷波动更加剧烈。负荷的不稳定将会导致电压的随机波动次数的增多以及电压闪变的频率升高。在国家标准GB/T12326－2008《电能质量电压波动与闪变》中，对电压波动限值和闪变限值的规定如表1和表2所示。

表1 电压波动限值

表2 闪变限值

当交流侧电网电压波动、闪变或者谐波出现并超过标准规定时，系统可以通过静止无功补偿器或者快速电压调节器等方法提高电能质量。

在电网中，谐波出现的主要原因是变流器，变流器主要有三种：变频器、逆变器和整流器。在逆变回馈型再生制动能量吸收装置中，逆变器一侧接直流母线，一侧接交流电网，直流电流转变成交流电流并在交流三相之间循环交换，从而在交流侧产生大量谐波，但是谐波的次数及谐波的特性具有一定的规律，因此这种谐波也叫作特征谐波。对于普通逆变器而言，如果交流侧三相特性相同互相对称，且逆变器每周期有X个触发脉冲，则产生的谐波次数为kX±1（k为正整数），谐波含量则受控制角和换相角的影响。

在国家标准GT/T14549－93《电能质量公用电网谐波》中，对电网中畸变率和谐波限值都做出了详细规定，具体数据如表3所示。

表3 畸变率及谐波限值

为了减少交流电网中的谐波含量，通常可以采用加设滤波器或者调谐补偿等措施，并且采用基于PWM技术的逆变器会减少谐波的产生，也是现在很多科研单位重点研究的课题。

对电能计量的影响

由于采用了逆变回馈装置，列车制动产生的电能便可以向交流侧流动，因此在对电能计量时，需要计算有功功率的双向流动量，所以使用可以同时考虑双向流动并计算费用的策略和仪器。常见的计量设备只能够考虑单向，不能识别双向流动有功功率的流出或者流入，从而无法满足核算计量要求。另外一点，列车再生制动产生的经过逆变回馈给交流电网络的电能与列车运行所消耗的电能不只是正负之别，因为逆变回馈的交流电含有较大的谐波，电价与正常电价不同，因此在计量设备对反馈的有功功率计量时，还应根据国家规定对价钱进行核算，因此逆变回馈对电能计量设备的功能特性提出了更高的标准。

在电能逆变回馈过程中，向交流侧输入的基波功率为有效功率，谐波功率为无效功率，也称为有害功率。传统常见的电能计量设备可以对实际电能进行准确测量，也就是基波电能和谐波电能的综合，通常是基波电能含量与各次谐波电能含量的矢量和。如果逆变回馈系统仍然采用这种计量方式，反馈侧不但对谐波进行了计量，并且不能够说明谐波的流入对电网其他用户的影响，因此这种方法和设备不合理。

为了避免以上所述逆变回馈中谐波对计量的影响，我们采用基波电能表与低通滤波器相串联的结构方式，从而可以将反馈电能中的高次谐波进行滤除，实现对反馈电能基波含量的计量，并且计量设备结构简单、安装费用较少，但其缺点是不能够反映出谐波电能对交流电网络的影响。如果将工频电能表和宽频带功率电能表相结合，则不仅能够检测谐波电能的流向，还可以同时对基波电能的测量。由于最近几年，智能电表技术逐渐成熟，价格也下降很多，我们可以通过在智能电表并结合频谱分析的策略来对基波电能和谐波电能分别进行计量。

对继电保护的影响

城市轨道交通中，列车的频繁起停会造成供电系统中大幅度的冲击电流的频繁出现，为了保证供电系统的稳定性与安全性，因此给供电系统中继电保护装置提出了更高的要求。逆变回馈装置的投入使用，使得功率的流向成为双向流动，从而使得继电保护装置更为复杂。

当供电系统出现意外情况时，继电保护装置动作是否正确和及时，对供电系统的稳定性和安全性起着重要作用。由于逆变反馈装置的存在，能量的流动具有双向性，这就会对部分具有方向性的继电保护装置造成影响，导致误动作或者不动作。在电力系统中，在电网电压等级大于或者等于110kV以及其他电压等级的主保护的线路保护中，具有方向性的继电保护设备会有很多，因此对这些设备动作的方向有严格要求。当列车再生制动逆变反馈至交流电网的过程中，如果继电保护设备动作不正确，有可能会给整个供电系统带来很大的危险。同时，电能逆变回馈时所产生的谐波也是继电保护装置应该考虑的问题。