一种复合式能馈装置在矿井架线系统中的应用分析

马育华

（山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

煤矿近些年的机械化程度不断提高， 以防爆柴油机驱动的无轨辅助运输车辆为例， 主要作为煤矿工作人员的交通工具、运输井下所需物料、搬运综采面支架等等用途， 在各大中型煤矿中得到大量使用， 据统计已经远超6000 辆。 由于防爆柴油机的工作特性及目前技术水平限制，使用过程中尾气和噪声污染相当严重，煤矿井下空间比较密闭，极度不利于污染物扩散，长期严重危害井下工作人员身心健康[1]。 再者，当前柴油机车辆的制动方式主要为机械湿式制动， 制动效率较低， 尤其是长距离下坡时，制动器摩擦片损坏严重，存在着安全隐患。 因此发展一种方便可靠， 并且适合煤矿井下使用的新能源运输系统，是当前煤矿辅助运输发展方向之一。 在此情况下，借鉴地面无轨电车及有轨高铁的运行模式， 在柴油胶轮车的基础上增加了电机驱动功能， 使无轨运输车辆可选择牵引模式来工作，当处于重载、上下坡的巷道里时使用架线电牵引模式， 可大幅减少巷道里的有害废气排放及噪声污染，对煤矿主巷道的工作环境有着重大改善。

此种架线系统将接触网铺设于煤矿辅运巷道中，当双驱胶轮车辆运行至此巷道时， 架线车的集电弓升起后与接触网贴合进行受电，车辆会采用电机驱动模式运行，行驶过程中可能需要频繁地起、制动，同时重载车辆在下坡运行时处于再生制动状态，会产生很大的反馈能量。 车辆再生制动产生的反馈能量被本车自用电消耗一部分，并按一定比例被处于同一供电区段的其它相邻车辆吸收利用外， 剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉[2]。 若车辆不能设置吸收或不足以吸收这部分动能的装置，剩余动能将反馈至直流母线，会导致直流母线电压上升而断电保护，影响到车辆的正常运行。 因此在供电系统中增加能量利用装置确保吸收利用多余能量，使系统稳定运行显得尤为重要。

1 再生电能利用技术简介

目前再生电能利用技术主要分为：电阻消耗式、电容储能式、逆变回馈式等，表1 对惯用的再生电能利用技术进行简要介绍[3]。

表1 再生电能利用装置技术比较

综合表1 分析：电阻吸收和电阻-逆变吸收技术并不能真正实现电能的再利用，且电阻装置发热量高，浪费能源严重。 电容储能是以超级电容为储能介质的牵引电能储能装置，既可节能、又可起到稳压的作用，目前在欧洲部分城市的轨道交通中有采用，维护工作量少，但投资相对较高，且技术基本集中在国外公司手中。逆变回馈型技术在国内应用比较成熟， 已有多家供应商可以提供逆变回馈型再生电能利用装置并具有一定的研发、生产、服务实力[3]。 本次设计采用逆变回馈型再生电能利用方案。

2 回馈方案的对比分析和选择设计

2.1 本次逆变回馈设计主要针对两种方案进行比较分析

方案一：牵引/回馈双向变流。 整套系统直流侧通过DC1500V 开关柜接入接触网，再接入隔离开关柜、牵引回馈双向变流器柜和整流变压器， 交流端通过整流变压器原边连接到12kV 中压开关柜， 最后接入中压供电网，原理如图1 所示。

图1 牵引/回馈双向变流原理图

方案二： 整流+单独回馈。 即采用回馈柜及回馈变压器回馈至10kV 侧方案，整套系统直流侧通过DC1500V开关柜接入接触网，再接入隔离开关柜、 回馈变流器柜和回馈变压器， 交流端通过变压器连接到12kV中压开关柜，最后接入中压供电网。 原理如图2 所示。

图2 整流+单独回馈原理图

2.2 根据上述的两种设计方案，进行各自优缺点对比

（1）牵引/回馈双向变流方案：优点：牵引回馈功能合二为一，无需另外单独加装回馈装置，需要设备及占地均有很大节约，降低投资成本。 牵引时通过PWM 变流器整流，稳压效果好，接触网电压稳定，电压波动小[4]。缺点：牵引回馈功能合二为一，对装置可靠性要求高。

（2）整流+单独回馈方案：优点：牵引回馈功能独立，无相互干扰，系统可靠性高。缺点：设备及占地较多，投资成本大。

根据以上论述， 考虑到实际应用于车辆的上行和下行两个方向工作， 且要求该动力源的可靠性和稳定性很高。 因此综合采用方案一和方案二相结合的办法， 即二极管整流加双向变流的方案。 系统整体设计方案原理示意图如图3 所示。 能馈系统主要由隔离开关柜、牵引/回馈双向变流器柜及整流变压器柜组成， 双向变流器位于直流接触网和AC10kV 之间，装置采用基于PWM 控制的双向变流器，既可用来将车辆运行过程中多余制动能量转换后回馈到10kV 电网，也可以牵引整流器运行，向直流电网提供牵引供能[5]。

图3 工作系统原理图

3 系统工作模式介绍

双向变流器的开关频率为1500Hz，开关周期666.7μs，启动后处于待机状态， 实时检测双向变流器直流端口电压，当检测到双向变流器直流端口电压大于回馈阈值或小于牵引阈值时，能够在1 个开关周期（即666.7μs）内打开脉冲进行回馈或牵引运行，保持接触网网电压稳定[6]。车辆主要分为以下3 种工作状态：

（1）牵引状态：车辆牵引运行时，电流通过整流器至接触网向车辆供电，能馈装置不投入使用。当牵引车辆时会使直流网电压降低， 处于待机状态下的双向变流器检测到直流端口电压≤牵引电压阈值时， 装置将立刻打开脉冲进行牵引控制，直流网电压也会维持稳定。

（2）回馈状态：车辆电驱制动时，牵引电机运行在发电机状态，通过接触网将制动能量反馈到变电所，由能馈装置吸收后回馈到10kV 电网，整流器不投入工作。 当列车制动时会使直流网电压升高， 双向变流器检测到直流端口电压≥回馈电压阈值时， 装置将立刻打开脉冲进行回馈控制， 将多余制动能量转换后回馈到10kV 电网，保持直流网电压稳定。

（3）待机状态：双向变流器工作于回馈或牵引过程中实时检测直流电流， 当列车制动或牵引过程中直流电流≤待机电流时，持续5s 后装置封锁脉冲转入待机状态（待机电流下的回馈能量小于变流器自身损耗，不需要进行回馈）。

4 系统建模仿真分析

能馈装置的主电路拓扑如图4 所示， 其直流侧配置了平波电抗器，平波电抗器在电路中的作用主要有：①装置正常运行时，抑制直流侧的电流纹波；②装置发生短路故障时，限制直流侧的短路电流。

图4 能馈装置主电路拓扑图

为了确保装置具备快速响应能力， 平波电抗器的感值取值很小，仅为50μH。

4.1 仿真模型

仿真模型按照现场运行模式搭建， 搭建的仿真系统模型如图5 所示，双向变流器结构如图6 所示[7]，双向变流器与24 脉波整流器并联。 双向变流器通过10kV/900V变压器接10kV 电网。双向变流器模型中主电路参数和控制参数与实际装置一致。

图5 仿真模型

图6 双向变流器结构

4.2 仿真结果

利用受控源模拟车辆制动电流， 模拟双动力车制动时，功率变化率为5MW/s（参考地铁车辆制动时功率曲线速率）[8]。考虑到煤矿双动力车变频器功率较小，故仿真中双动力车最大制动功率为500kW。由图7 结果可以看出：模拟源电流从0.5s 开始响应，0.6s 即可到达额定值。

图7 变流器响应分析

图8 变流器回馈响应时间及直流电压超调

图9 变流器在回馈运行稳态时，直流母线电压纹波

仿真时，变流器开始处于待机，当检测到直流母线电压超过1700V 时（约在0.5195s 时），进入回馈运行。 由图8、图9 可以看出：直流母线电压最大超调30V，完全响应时间为78.5ms。 稳态运行中，母线电压稳定，纹波峰峰值小于10V。

5 结论

无轨架线车辆属于煤矿井下使用的新能源运输系统，满足国家减污降排要求，是当前煤矿井下需求的新技术产品[9]。采用文中介绍的二极管整流加双向变流复合式能馈方式设计，可收集车辆运行中产生的多余能量，并使直流牵引网电压维持在稳定的范围， 理论上满足车辆重载情况下的上坡牵引和下坡回馈运行的需求， 并对解决重型车辆上下坡时的制动安全问题有着重要意义。