地铁系统逆变回馈装置的探讨及仿真

苏霄+矫世楠

摘 要： 城市轨道交通作为国内新兴交通方式，越来越多的城市建立起了轨道交通系统，然而能源的节约成为了我们研究的主要方向之一。本文介绍了一种新型城市轨道交通能量逆变回馈装置，并通过实际的仿真测试进行了分析，仿真结果表明，该逆变装置具有良好的制动能量回馈性能，如果合理分配安装该装置可以达到能源的节约，同时降低了经济成本。

关键词：逆变回馈 仿真测试 城市轨道 节能

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）02-0308-02

引言

城市轨道交通车辆（地铁、轻轨等）从中、高速牵引运行切换至制动过程时，异步电动机的转子转速大于定子磁场给定的“同步转速”，产生负转差率，转矩与转速反向，吸取机械功率，输出电功率，此时变频器控制励磁的给定频率、反并联的续流管为定子电流提供回路，整流后回馈至触线网，造成直流母线电压升高。为稳定其母线电压，目前的方案包括制动电阻、电容储能、飞轮储能及逆变回馈等。其中逆变回馈装置可将能量回馈电网，节能效果好，且系统简单，投资小，得到越来越多的关注和应用。

一、逆变回馈装置的简介

1.逆变回馈装置的基本原理

装置通过将运动中负载上产生的位能、机械能等通过能量回馈装置变换成电能，并通过回馈装置有效并网，将电能回馈到交流网中，可供负载再次使用或供其他用电设备使用，使负载本身在单位时间能耗能的降低，从而达到节约电能效果。

2.逆变回馈装置的优势

采用再生制动能量吸收逆变装置的优势在于：

2.1 牵引变电所吸收，可适度提高制动转换电压，增强再生功能；

2.2 将制动产生的能量回馈电网，降低隧道温升，减轻送风、排风、站台空调、车载空调的负荷；

2.3 免除车载制动电阻及其散热风机的辅助能耗；

2.4 回馈节能；

2.5 以高再生率弱化机械磨擦制动，延长制动系统的使用寿命等。

3.逆变回馈装置的组成

装置主要由隔离开关柜、逆变柜和隔离变压器柜组成，其主要功能为：能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回中压电网。

隔离开关柜内的主要器件有隔离开关、直流接触器、预充电接触器、放电接触器、预充电电阻、放电电阻等，其主要功能是用于连接直流电网，可以实现对整套装置上电时主回路的预充电和断电时主回路的放电，配备有隔离开关，可以用于设备在检修和维护时脱开直流电网，确保设备和人身安全。

逆变柜内的主要器件有直流滤波电容、逆变功率单元、滤波电抗器、电流互感器、电压互感器、同步变压器、交流接触器等，其主要功能是将列车产生的制动能量逆变成交流电反馈给交流电网供其他设备使用。

隔离变压器柜的主要器件有隔离变压器、温控器等，其主要功能是根据不同的交流电网配备不同电压等级的变压器，与并网的电压等级相匹配，具有温度显示和报警功能。

4.可靠性与可维护性

4.1可靠性

设备在设计时采用高可靠性措施。这些措施通过利用如下的技术以降低系统故障概率和有关影响正常运行的随机性：

4.1.1采用冗余措施，采用多单元并联的方式，其中一个单元出现故障后，整机会自动封锁对应单元的输出信号，不影响其余单元的正常运行。

4.1.2使用已证明具有高可靠性的元器件和零部件，整个装置均选用高可靠性的元器件和零部件，装置上选用的元器件和零部件都经过长期使用的考验。

4.1.3电磁辐射及兼容。

对于电子设备充分考虑防电磁干扰措施。任何子系统的运行都不应受其它子系统产生之电磁辐射的影响，或受到跟据经验所知的城市电磁环境及地铁环境的影响。

4.1.4预防虫害，所提供设备，都采用适当的措施以预防虫害。

4.2可维护性

4.2.1设备应设计成只需最少的调整和预防性维护，以及运行维护。产品设计包括故障隔离及诊断措施，以减少设备修复时间、维护材料和人工成本。

4.2.2通过制定合理的维修/更换策略、在线维修措施及维修支持设备的最佳运用来减少停机时间。

4.2.3整个装置维修到板级。

二、仿真测试

本次仿真测试以大连地铁1号线为例，通过仿真测试结果来探讨逆变回馈装置的在地铁中应用的可行性。

1.大连地铁一号线概况

大连地铁1号线经由姚家至河口站，全线长约26.623km共22站。共设牵引降压混合变电所9座，分别位于华北路、中华广场、松江路、春光街、兴工街、功成街、医大二院、海事大学、河口停车场；设独立牵引变电所1座，位于河口站；设降压变电所11座，分别位于姚家、泉水路、千山路、东纬路、香工街、沙河口火车站、会展中心、星海广场、黑石礁、学苑广场、高新园区，设跟随式降压变电所7座，其中正线4座，南关岭车辆段3座。

2.仿真测试条件设置

2.1行车参数设置

大连地铁1号线的行车计划为双线，右侧行车，采用受电弓的受流方式。所采用的车型为B2型车，初、近、远期均为6辆编组，4M2T，列车最大运行速度为120km/h，基本阻力。运行模式采用目标速度为50 km/h的模式。

2.2供电仿真条件设置

供电仿真主要是对整个供电系统的仿真，主要设置的参数包括发车对数计划、牵引所布点方案和供电系统参数。本次针对近期和远期情况进行逆变回馈装置系统设计的供电仿真计算。结合逆变回馈装置的启动电压在1690V-1750V之间可调，经之前所做诸多案列分析，在全所安装逆变回馈装置的前提下，大连地铁1号线逆变回馈装置启动电压设置为1730V较为合理。

3.仿真测试结果分析

3.1根据仿真计算结果统计，在逆变回馈装置启动电压为1730V时，大连地铁1号线近期全线安装逆变回馈装置的日反馈能量为8401.35kWh，节能率为8.92%。按照收费标准0.75元/度电，全日节省电费6301.01元，按一年365天计算，全年节能电费2299869.56元，约230万元。

3.2根据仿真计算结果统计，在逆变回馈装置启动电压为1730V时，大连地铁1号线远期全线安装逆变回馈装置的日反馈能量为3097.07kWh，节能率为1.47%。按照收费标准0.75元/度电，全日节省电费2322.80元，按一年365天计算，全年节能电费847822.91元，约85万元。

3.3当仅对部分牵引所试点安装逆变回馈装置时，假设每套逆变回馈装置200万元，若一牵引所每日反馈能量小于900kWh，当时該所逆变回馈装置的投资回报周期约8年，可以不该所安装逆变回馈装置；对于连续多个牵引所日反馈能量低于900kWh的情况，可以每隔2到3个所安装逆变装置，据经验值估计一逆变回馈装置可吸收相邻牵引所区间回馈能量的60%左右，节能效果将更好。

三、结语

在轨道交通系统中，对于节能减排要求越来越高，伴随着科学技术的不断发展，各种技术手段也不断增加，逆变回馈技术作为新兴技术已经逐步进入了各节能系统当中。通过一系列的实践及仿真测试可以看出逆变回馈装置有着很好的节能作用，如果通过仿真计算，合理的安装装置，节能效果会更好、更经济，有效的将低了地铁的运营成本。

参考文献

[1]GB10411-2005，《城市轨道交通直流牵引供电系统》.

[2]GB3859-2013，《半导体变流器通用技术要求和电网换相变流器》.

[3]IEC60411-4，《车辆用直接直流变换器》.

[4]林长苓. 电子元器件的选用、管理与控制[J]，电子产品可靠性与环境试验，2010，4，32-36.