再生制动逆变回馈装置在贵阳地铁中的运用

刘卫

摘 要：该文首先介绍城市轨道交通供电系统设置列车制动能量利用装置的必要性；其次重点介绍方案之一的再生制动逆变回馈装置的组成及各部分的作用、设置的保护及运行原理；最后介绍了再生制动逆变回馈装置在贵阳地铁中的运用情况。

关键词：地铁 再生制动 逆变回馈 运用

中图分类号：U231.8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0040-03

城市轨道交通车辆牵引电机在列车制动时类似于发电机，实现能量在不同形式之间的转换，即将列车机械能直接转化为直流供电系统电力能，该部分转化过来的电力能称之为再生制动能量。再生制动能量的产生会不同程度地导致接触网网压抬升，严重情况下会影响列车的再生制动失效。因此，必须采取一定的途径将该部分能量消耗掉，将接触网网压控制在规定的范围内。若将该能量加以利用，而不是通过电阻耗能的方式消耗掉，则可在相当程度上降低运营成本，符合国家倡导的节能减排要求，并且可有效减小再生能量对电网的冲击。

但当前国内城市轨道交通对于该部分能量多采取车载电阻或变电所吸能电阻耗能的形式消耗掉，远远达不到节能减排的要求，更是使城市轨道交通线路通风散热系统载荷增加，造成大量的能源浪费，并使地铁工程的建设与运营成本增加，亦不符合当前国际国内的能源战略。所以，对于如何充分高效利用列车的再生制动能量的研究非常有必要。

而在诸多的再生制动能量利用方案中，再生制动逆变回馈装置可以最大限度利用列车的再生制动能量，不会占用变电所内外的太大空间，亦可有效规避诸如闸瓦制动等对隧道环境的影响，故贵阳地铁选择了再生制动逆变回馈装置方案。

1 再生制动逆变回馈装置的组成

贵阳地铁再生制动逆变回馈装置的一次系统构成主要包括35 kV GIS开关柜、回馈变压器、低压开关柜、变流器柜、直流开关柜、负极隔离柜共六大部分。（如图1）

1.1 回馈变压器

回馈变压器采用绕组轴向双分裂干式变压器。绕组连接组别为D/y11，y11连接，次边绕组间具有较低的耦合度。其作用是将列车电制动时产生的再生能量经过逆变、升压后直接反馈至变电所35 kV中压网络。

1.2 低压开关柜

低压开关柜主要由两台低压断路器、交流预充电回路以及三相电流表等构成。连接变流器柜及变压器，主要是对变流器进行过流及短路保护，同时便于故障处理及设备的分段检修。断路器带有检测装置和接点。当系统电流过大时断路器连锁微动开关向数据采集装置发出故障信号，用于报警或跳闸。当一个IGBT支路故障时，发出跳闸信号。

1.3 负极隔离开关柜

负极隔离开关柜是连接变流器直流侧负极与变电所直流负母线之间的开关设备，为手动隔离开关，开关柜前部设可锁住的金属门。

采用电磁锁方式实现负极柜中手动隔离开关与DC1500V断路器和对应的35 kV断路器之间的闭锁，只有当DC1500V断路器和对应的35 kV断路器均处于分闸位置时，手动隔离开关才能操作，只有当负极手动隔离开关处于合位时，DC1500V断路器和对应的35 kV断路器才能合闸。

贵阳地铁1号线再生制动逆变回馈装置设置有一套独立的框架保护，位于负极隔离开关柜内。

1.4 变流器柜

变流器柜主要由逆变器、控制箱等构成。变流器柜的主电路构成原理图如图2所示。

（1）SKIIP功率组件。

图2中包括2台逆变器，每台逆变器由6个SKIIP功率组件构成，每相由2个SKIIP功率组件并联而成。其中，每个SKIIP功率组件包含IGBT智能功率模块、无感母排、滤波电容、过压吸收回路等构成，并在结构设计上采用模块化设计，方便生产和维护维修。IGBT的控制采用脉冲宽度调制（PWM）的方式控制。

（2）放电回路。

每台逆变器的直流侧配备一套放电回路。放电回路由放电接触器和功率电阻构成，其中放电接触器型号为CZ28-25G/10，放电电阻型号为LM-PWR1000W200RJ。在变流器柜正常停机或故障停机时，放电接触器闭合，实现快速放电。可以在60 s内将电容电压放到36 V以下的安全电压。

（3）过压吸收。

每台逆变器的交流输入侧的相间设置过压吸收电路。过压吸收电路由压敏电阻和快速熔断器构成，实现对逆变器的过压防护。压敏电阻型号为GGY-14-1200V-50KA，快速熔断器型号为TRD-0.93。

2 保护功能配置

再生制动逆变回馈装置向35 kV中压网络反馈电力能的质量是可以自动控制的，电能质量满足实用要求并符合标准。偏离标准的越限状况，再生制动逆变回馈装置须能监测此偏差并与电网解列，所有电能质量参数（电压、闪变、频率、谐波、功率因素）的测量必须在并网点35 kV开关柜上进行。

在运营时间外直流母线电压超过装置动作值时设备不误启动。

2.1 内部保护

装置的内部保护设置在变流器柜内，包括交流电网的过压、欠压、过流以及直流电网的过压、欠压、过流、功率模块过热保护、IGBT故障保护、IGBT丢脉冲保护、IGBT触发异常保护、散热风机故障保护、变压器过热保护、孤岛效应保护（能馈系统必须在电网失压2 s内停止向电网送电）。内部保护动作须由变流器柜两端直流侧及交流侧开关柜执行。

2.2 外部保护

外部保护为变流器柜以外各开关柜自身设置的保护。其中，35 kV开关柜采取既有的保护设置，即设有断路器失灵保护、过负荷保护、过电流保护、零序电流保护、电流速断保护等；DC1500V直流开关柜的保护和既有的直流馈线柜保护一致。交流低压柜设置反时限长延时、定时限短延时、速断保护。

3 再生制动逆变回馈装置在贵阳地铁中的应用

再生制动逆变回馈装置的核心部件即为变流器，变流器采用三相逆变器。三相逆变器由大功率的电力电子器件构成，该逆变器的直流侧通过DC1500V直流馈线开关与牵引变电所中的整流器直流母线相连，其交流侧通过低压开关、回馈变压器与35 kV开关柜相连；当列车再生制动能量使直流母线电压超过设定值时，逆变器启动并从直流母线吸收能量，将列车再生制动直流电能逆变成工频交流电能回馈至交流电网。

貴阳地铁1号线北段由于受客流的影响，发车间隔较大，这就导致了列车在制动时产生的电力能不能被临近的车辆有效吸收，白白浪费掉。有资料表明，城市轨道交通列车再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的20%～40%，这些能量除了按一定比例（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗或被线路上的其他能量吸收装置吸收。根据经验，当列车发车密度大于10 min间隔时，列车再生制动能量被邻近列车吸收的概率几乎为零。故贵阳地铁1号线北段在贵阳北站设置了一套再生制动逆变回馈装置，以充分利用列车制动时产生的电力能。当列车制动且贵阳北站的接触网网压升高到再生制动逆变回馈装置预设的启动电压值时，装置的核心部件三相逆变器通过PWM控制模式启动逆变电力电子器件IGBT，使逆变器启动，将直流电逆变为交流电，再通过升压变压器与35 kV中压网络并网，实现对直流网压的控制，保证列车的再生制动有效。（如图3）

4 结语

再生制动逆变回馈装置相较于其他的再生制动能量吸收或利用方案优点明显，直接将多余的能量回馈到35 kV中压网络。但在变流器的控制、逆变电能并网、谐波污染以及设备的稳定性等诸多技术方面还有待进一步提高，这些也是制约再生制动逆变回馈装置在城市轨道交通系统中大力推广的关键原因。因此，加大对再生制动逆变回馈装置的技术攻关对于其推广意义重大。

参考文献

[1] 许爱国，谢少军.城市轨道交通再生制动能量利用技术研究[D].南京航空航天大学，2009.

[2] 北京千驷驭电气有限公司.贵阳地铁1号线变流器柜二次原理图[Z].2016.