长沙地铁1号线双向变流型再生电能吸收装置

陈 琪，孙才勤，严长辉



长沙地铁1号线双向变流型再生电能吸收装置

陈 琪，孙才勤，严长辉

介绍了长沙地铁1号线双向变流型再生电能吸收利用装置的组成、功能、主要技术要求、特点。在地铁工程中采用基于该装置的节能方案同时还增加了整流机组的输出功率。通过实际运行验证，装置运行稳定，节能和整流效果良好。

地铁；双向变流；再生电能；吸收利用

0 引言

长沙地铁1号线一期工程线路全长约 23.627 km，其中地下线22.3 km，设19座地下车站；高架线1.1 km，设1座高架站。列车采用B型车、6辆编组，设计最高行车速度为80 km/h。供电系统采用110/35 kV集中供电方式，35 kV系统采用大环网、大分区供电网络。该工程设置2座主变电所，正线设置9座牵引降压混合变电所，牵引网采用DC 1 500 V供电制式。每座牵引降压混合变电所设置1套双向变流型再生电能吸收利用装置（以下简称双向变流回馈装置）。该工程已于2016年6月28日开通试运营，双向变流回馈装置同时全部投入运行。

1 装置构成及主接线

双向变流回馈装置由2面双向变流柜、1台变压器、1面负极隔离开关柜、1面直流控制柜组成，图1为现场设备并柜效果图，其中变压器为单独安装。直流控制柜通过直流1 500 V断路器接变电所直流母线，负极隔离开关柜接变电所直流1 500 V负极母线，变压器通过40.5 kV GIS接变电所35 kV母线。双向变流回馈装置和整流机组并接在同一段35 kV母线上，其主电路拓扑结构如图2所示。

图1 双向变流回馈装置现场效果图

图2 双向变流回馈装置主电路拓扑结构图

2 逆变模块电路

双向变流回馈装置的核心设备是双向变流柜，双向变流柜采用模块化设计，变流模块采用三电平拓扑结构，如图3所示。每个模块都是一个完整的变流单元，每个单元设计容量为0.5 MW。双向变流柜由多个单元组成，当一个单元发生故障退出运行时，双向变流柜仍能继续运行。

图3 逆变模块主电路拓扑结构图

采用三电平模块化设计理念有诸多优点，例如：谐波含量小，模块化设计容量需求及扩容方便，模块故障系统功率损失小，维修简便，系统恢复时间短，运营维护成本低等；该理念的另一优势在于整套装置对变压器无特殊要求，结构简单。

3 装置主要技术参数

该装置主要技术参数见表1。

表1 装置主要技术参数表

4 装置容量

长沙地铁1号线一期工程共设置9套双向变流回馈装置，其容量配置如表2所示。

表2 长沙地铁1号线一期工程双向变流回馈装置容量配置表

30 s短时功率是根据双向变流回馈装置的运行特性提出的间歇工作制功率要求。

5 功能介绍

双向变流回馈装置具有牵引整流与制动逆变2种功能。

5.1 逆变模式

该装置通过实时检测直流网压，在列车制动时将多余的再生制动能量反馈到交流中压电网，在逆变模式下，该装置具备恒压与恒功率2种典型的输出特性。

（1）恒压特性。当列车制动的回馈能量在装置容量范围内时，通过装置的恒压输出特性可将直流网压稳定在设定值附近，从而避免直流网压持续抬升及大幅波动。

（2）恒功率特性。当列车制动的回馈能量超过装置的最大容量时，装置进入恒功率输出模式，此时装置保持满功率输出，直流网压不再受控；与此同时，直流网压的持续抬升会触发相邻站设备的启动，协助吸收多余的制动能量。

图4为典型的逆变吸收波形图。装置启动电压为1 690 V，恒压特性下的电压设定值为1 670 V。在恒压特性所示的虚线框内，电压既无大幅波动，也无明显上升趋势，自始至终恒定在某一数值附近；在恒功率特性所示的虚线框内，由于吸收功率已经达到装置所允许的最大容量范围，因此装置保持满功率输出，此时电压不可控；但是随着相邻站设备的相继协助吸收，直流网压始终能够控制在一个较低的范围内。

图4 逆变吸收波形图

5.2 整流模式

该装置通过实时检测直流网压，能够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，进而维持直流网压在一个较高的数值，充分迎合列车牵引时的机械特性，抑制直流网压的波动，减小直流电压纹波，提高列车牵引供电质量。在整流模式下，装置不仅具备恒压恒功率输出特性，同时还具备下垂输出特性。

（1）恒压恒功率特性。整流模式下的恒压恒功率特性与逆变时一致。图5为典型的整流输出波形图。装置启动电压为1 560 V，恒压特性下的电压设定值为1 580 V。在恒压特性所示的虚线框内，电压始终维持在设定值附近，并无明显跌落趋势及大幅波动；在恒功率特性所示的虚线框内，装置已处于满功率输出状态，此时直流网压不再受控，虽有下降趋势，但直流网压始终能够控制在一个较高的范围内。

图5 整流输出波形图

（2）下垂特性。为了与整流机组共同且均匀分担列车牵引时所需的能量，因此必须准确获取整流机组的下垂特性，再将该特性输入至装置的主控系统中，主控系统根据直流网压与直流电流的对应关系，输出与之相应的整流功率。

图6为下垂输出特性波形图，装置启动电压为1 600 V，下垂输出特性启动较为频繁，输出过程持续时间长，其输出功率随着电压的下降而增大，随着电压的上升而减小。

图6 下垂输出波形图

5.3 逆变与整流模式

逆变模式与整流模式是相互独立的，逆变模式下能量从直流侧流向交流侧，整流模式下能量从交流侧流向直流侧。2种模式不能同时运行，在运行某种模式前，必须先退出另一种模式。2种模式随着直流网压的变化而自动切换，如图7所示。

图7 整流与逆变输出波形图

图7中整个波形为整流与逆变的完整工作过程。装置整流模式电压启动值为1 560 V，稳压参考值为1 580 V；逆变模式电压启动值为1 710 V，稳压参考值为1 690 V。当列车制动导致直流网压升高超过1 710 V时，装置启动并进入逆变输出模式，在该模式下，装置首先进入恒压特性输出，随后进入恒功率特性输出；当列车牵引导致直流网压下降至1 560 V时，装置启动并进入整流输出模式，在该模式下，装置同样先后经历了恒压输出与恒功率输出。

6 结语

长沙地铁1号线所采用的双向变流回馈装置，可将列车再生制动电能回馈至35 kV电网，并具有PWM整流功能，系在国内城市轨道交通正式运营线路中首次全线采用，具有极大的示范作用。通过半年多的运行验证，设备运行稳定，节能效果显著。

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[3] 曾建军，林知明，郭万岭. 地铁再生制动能量吸收装置[J]. 电气化铁道，2008（6）：44-47.

The paper introduces the composition, functions, main technical requirements and characteristics of bidirectional converter type regenerated energy absorption device for line 1 of Changsha Subway. This device-based energy saving scheme adopted for the subway project has increased the output power of the rectifier sets as well. The actual operating experience indicates that the device is operating stably and has satisfactory energy saving and rectifying effects.

Subway; bidirectional current converting; regenerative energy; absorption and utilization

U231.8

B

1007-936X(2017)03-0021-04

2017-03-03

陈 琪.长沙市轨道交通集团有限公司，工程师，电话：18613980169；孙才勤.中铁六院中铁电气化勘测设计研究院有限公司，工程师；严长辉.湖南恒信电气有限公司，工程师。