考虑间歇工作制的城轨逆变回馈装置容量优化设计

2020-09-14周瑞兵刘炜张戬张扬鑫潘卫国

铁道科学与工程学报 2020年8期

周瑞兵，刘炜，张戬，张扬鑫，潘卫国

周瑞兵1，刘炜1，张戬1，张扬鑫2，潘卫国3

(1. 西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031 2. 四川轻化工大学自动化与信息工程学院，四川自贡 643000 3. 通号(长沙)轨道交通控制技术有限公司，湖南长沙 410006)

针对城市轨道直流牵引供电系统中逆变回馈装置的容量优化问题，提出一种考虑其间歇工作制的设计方法。利用工作制特性对逆变回馈装置的仿真负荷过程进行校验，结合逆变回馈装置的日反馈电量和安装成本提出综合反馈比等节能评价指标。计算各逆变回馈装置不同容量下的占空比来评估其利用率，对比节能效果，确定优化方案。以某工程实例进行分析，结果表明优化方案较全线1.5 MW方案成本节约245万元，综合反馈比增加0.94；较全线2.0 MW方案成本节约410万元，综合反馈比增加1.12，验证了该优化方法的可行性和有效性。

城市轨道交通；逆变回馈装置；间歇工作制；占空比；综合反馈比

近年来，随着我国城市轨道交通的快速发展，其节能问题越来越受到人们的关注[1-3]。作为列车再生制动能量的一种有效利用形式，逆变回馈装置正在得到广泛的应用，逆变回馈装置主要将列车的再生制动能量回馈到交流侧，从而达到节能的目的[4-6]。但逆变回馈装置的选址和定容一直是设计中的关键问题，于喆[7]对比了逆变回馈装置在全线所有牵引所设置和隔一所设置2种方案下的节能效果，但未对逆变回馈装置的容量选型进行研究；张海申[8]以具体工程为实例，从理论分析、仿真计算以及经济效益3方面对逆变回馈装置容量的选型进行了研究，但仅考虑了吸收再生制动能量较多的牵引所，并未对容量进行优化；许伶俐[9]提出了一种考虑逆变回馈装置工作电压投切策略和控制方式的城市轨道交直流交替迭代潮流计算算法并仿真分析了不同逆变回馈装置选址方案与节能效果、成本之间的关系，但该仿真算法并未考虑逆变回馈装置的间歇工作制，而逆变回馈装置是周期性工作的[10]，其工作制可参考IEC62924—2017中对储能装置工作制的定义[11]。目前同一线路中逆变回馈装置大部分取同一容量，而实际上列车的再生制动能量在每个牵引所处的分配是不均匀的，当全线逆变回馈装置容量一致时将会造成部分牵引所容量的冗余或不足。因此，本文主要对逆变回馈装置的容量优化问题进行研究。首先针对现阶段城轨供电仿真算法中未考虑逆变回馈装置工作制特性这一问题，提出了考虑其间歇工作制的负荷过程校验算法；其次根据定义的反馈比、综合反馈比等指标，总结了一种逆变回馈装置容量优化的方法；最后以某地铁工程为实例，通过对城市轨道全日不同发车间隔进行供电仿真，对比不同方案下的节能指标，得出优化方案，验证了该优化方法的可行性和有效性。

1 逆变回馈装置工作特性

1.1 间歇工作制

逆变回馈装置主要由逆变器、隔离变压器和交直流开关等组成[12]，其运行呈现周期性。逆变回馈装置的间歇工作制指的是每个周期内包括一段时间恒定负载运行和一段时间待机状态的工作方式[10]。国内使用占空比固定的矩形工作制，欧洲等地多使用三角形和梯形工作制，常见的工作制类型如表1所示。图1为逆变回馈装置I型工作制示意图。

表1 逆变回馈装置工作制

图1 逆变回馈装置I型工作制

其中，I为逆变回馈装置运行时的峰值电流。I型工作制下峰值电流I计算如式(1)所示。

式中：N为逆变回馈装置的额定容量，set为装置启动电压。

1.2 占空比

图2 逆变回馈装置负荷过程

以120 s为一个时间窗口，计算该时段内电流的有效值，通过换算可得到对应逆变回馈装置额定功率运行的占空比，如式(2)~(3)所示。逆变回馈装置占空比越大，说明其利用率越高。

式中：表示占空比；RMS为120 s内逆变回馈装置的电流有效值；I为时刻逆变回馈装置的电流。

2 考虑间歇工作制的逆变回馈装置负荷过程校验算法

现阶段含逆变回馈装置的城市轨道供电仿真算法中未考虑其工作制特性，使得仿真中可能存在逆变回馈装置工作状态出现偏差的情况。当考虑到逆变回馈装置间歇工作制时，其每个时刻的工作情况应满足占空比要求。图3所示为仿真潮流计算结果中逆变回馈装置某一负荷过程，0时刻装置开始启动。图中，矩形表示t时刻的时间窗口，时长为120 s，阴影部分表示逆变回馈装置t时刻的运行情况。

图3 逆变回馈装置某一负荷过程

定义Δ为逆变回馈装置在t时刻未达到最大占空比时的电流差额，Δ可以通过t之前的负荷过程计算，如式(4)所示。

根据以上分析，考虑间歇工作制的逆变回馈装置负荷过程校验算法如表2所示。

表2 考虑间歇工作制的逆变回馈装置负荷过程校验算法

通过该算法可对逆变回馈装置的仿真负荷过程进行校验，从而使计算出的反馈电量等指标更加准确。

3 逆变回馈装置运行评估指标

逆变回馈装置的容量是决定供电系统节能效果的重要方面，但不同容量对应的价格也不同，因此对于用户来说，应选择性价比高的产品。为衡量逆变回馈装置的运行效果，本文定义了容量利用率，反馈比和综合反馈比3个评价指标[13]。

3.1 容量利用率

定义逆变回馈装置运行时全日占空比的极大值与间歇工作制规定的最大占空比max的比值为容量利用率，如式(5)所示。

式中：I型工作制下逆变回馈装置的最大占空比max为0.25。

根据的大小可以来衡量逆变回馈装置的容量利用情况，容量利用率越小，说明逆变回馈装置容量冗余量越大。当然，也不是越大越好，当装置容量偏小时，虽然此时很大，但也会使再生制动能量被逆变回馈装置的吸收减少，增加车载制动电阻的启动次数[14]。

3.2 反馈比

由于逆变回馈装置的节能效果与列车的发车密度有关，因此在评估其节能效果时，应综合考虑全日发车计划，以日反馈电量作为考核指标[15]。第个牵引降压混合所(牵混所)逆变回馈装置的日反馈电量可用E表示，如式(6)所示。

式中：e为第个小时内逆变回馈装置反馈的电量，e可通过逆变回馈装置的仿真负荷过程获得。

定义反馈比为逆变回馈装置日节约电费与其成本的比值，则可以用的大小来衡量逆变回馈装置的性价比，越大，性价比越高。其中电费根据工业用电平均标准0.75元/度来计算，第个牵混所的反馈比J计算如式(7)所示。

式中：C(N)为第个牵混所中逆变回馈装置容量为N时的成本。

3.3 综合反馈比

定义综合反馈比为全线各牵混所逆变回馈装置日节约电费之和与总成本的比值，如式(8) 所示。

式中：表示全线牵混所的个数。

因此对于整条线路的逆变回馈装置来说，容量选型可以转化为一优化问题，通过合理的选型以求得综合反馈比的极大值。

4 逆变回馈装置容量优化设计

目前城市轨道牵引供电系统主要参考供电仿真的结果来设计。本文在现有供电仿真算法的基础上考虑了逆变回馈装置的间歇工作制，从而对逆变回馈装置的负荷过程进行校验。逆变回馈装置容量优化则主要利用所定义的节能指标来实现，通过对比不同容量下的节能效果来确定最佳的安装容量，具体步骤如表3所示。

表3 逆变回馈装置容量优化设计步骤

5 算例

以某地铁工程为例，该工程设置主变电所2座，安装容量分别为2×50 MVA，2×25 MVA，其中主变压器接线方式为YNd11，变压器短路电压U%=10.5%，短路损耗P=200 kW，空载损耗0=50 kW。另外共设置29座车站，21座牵混所，其中整流机组装机额定功率均为2×3 000 kW，降压所负载率均为0.25。接触网电阻为0.013 6 Ω/km，钢轨电阻为0.02 Ω/km。供电系统图如图4所示，各牵混所位置如表4所示。

图4 某地铁工程供电系统

表4 某地铁工程牵混所位置分布

该线路每天运营18 h，采用5种发车间隔，全日行车计划如表5所示。

表5 日行车计划

5.1 预选配置方案

逆变回馈装置安装方案暂定为隔一所设置，即序号为奇数的牵混所设置逆变回馈装置。利用城市轨道直流供电仿真平台DCTPS对该线路进行仿真分析[13]，仿真时全线逆变回馈装置容量N分别设置为1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 MW，通过对比不同容量下的指标来确定优化方案。

5.1.1 占空比比较

根据供电系统结构、逆变回馈装置的配置方案以及列车行车计划进行供电仿真，得到逆变回馈装置各种容量下的负荷过程。以N为1.0 MW方案为例，当列车发车间隔为300 s时牵混所1，5和7逆变回馈装置运行曲线如图5所示。

图5 逆变回馈装置负荷曲线

图5中，负值表示逆变回馈装置为逆变功率。牵混所1，3，5的峰值功率均为1 MW，其运行呈现出间歇性，且最长连续工作时间牵混所1为16 s，牵混所5为12 s，牵混所7为9 s。根据式(1)~(3)计算得到3个牵混所逆变回馈装置的占空比曲线如图6所示。

图6中，牵混所1，3，5逆变回馈装置占空比极大值分别为0.125，0.072和0.079，均不超过0.25。因此，3个牵混所逆变回馈装置的负荷过程均满足占空比的要求。

同以上分析，全线各牵混所逆变回馈装置取不同容量时的占空比极大值如图7所示。

图7中逆变回馈装置的占空比极大值均没有超过0.25，负荷过程满足工作制的要求，同时随着容量的增大，各牵混所逆变回馈装置占空比极大值呈现出下降的趋势。当逆变回馈装置容量N为1 MW时，占空比极大值位于0.09~0.22区间，容量利用率在36%~88%之间；当N为1.5 MW时，占空比极大值位于0.06~0.17区间，容量利用率在24%~68%之间；当N为2 MW时，占空比极大值位于0.04~0.13区间，容量利用率则在16%~52%之间；当N大于2.0 MW后，占空比极大值均低于0.10，容量利用率均低于50%。

图6 逆变回馈装置占空比曲线

图7 各牵混所逆变回馈装置不同容量下占空比极大值

5.1.2 反馈比比较

根据现有中压型逆变回馈装置的市场价格，估算不同容量下单套装置的价格，如表6所示。

根据仿真结果对各牵混所逆变回馈装置不同容量下的日反馈电量进行统计，如表7所示。

表7中，各牵混所逆变回馈装置的日反馈电量差异较大。其中，牵混所1，3，19，21日反馈能量较多，牵混所9，15等日反馈能量较少。因此，逆变回馈装置容量的选取应以每个牵混所的具体反馈情况来定。

表6 不同容量下逆变回馈装置的价格统计

表7 各牵混所逆变回馈装置不同容量下日反馈电量统计

由式(7)可得，各牵混所逆变回馈装置不同容量下反馈比如图8所示。

图8中，随着容量的增大，大部分牵混所逆变回馈装置反馈比呈现出先增大后减小的趋势。根据反馈比的定义，值越大，装置的性价比也越高，因此可根据的极大值来选择每个逆变回馈装置对应的最佳安装容量。

5.2 优化配置方案

通过对各逆变回馈装置的日反馈电量和反馈比的比较可知，牵混所9中逆变回馈装日反馈电量最大为497.55 kWh，牵混所15中逆变回馈装日反馈电量最大为429.92 kWh，相对其他牵混所日反馈电量较少，因此可以省去该所的逆变回馈装置，系统的优化配置方案如表8所示。

图8 各牵混所逆变回馈装置不同容量下反馈比

表8 系统优化配置方案

对优化方案进行供电仿真，优化前后不同方案下各牵混所逆变回馈装置的日反馈电量比较如图9所示。

图9 不同方案下各牵混所逆变回馈装置日反馈电量比较

图9中，优化前后不同方案下各牵混所逆变回馈装置日反馈电量曲线具有相同的趋势，部分牵混所由于逆变回馈装置容量限制而有差异。

对不同方案下全线各牵混所逆变回馈装置的日反馈电量以及安装成本进行汇总，得到优化前后各方案下的综合反馈比，如表9所示。

表9中，优化方案较全线1.5 MW方案成本节约了245万元，日反馈电量增加18.77 kWh，综合反馈比增加了0.94；较全线2.0 MW方案日反馈电量降低664.78 kWh，但成本节约了410万元，综合反馈比增加了1.12，可见该优化方案有更高的性比。

表9 优化前后各方案综合反馈比统计

6 结论

1) 以逆变回馈装置的间歇工作制特性为基础，提出一种考虑逆变回馈装置间歇工作制的负荷过程校验算法，可为含逆变回馈装置的城市轨道供电仿真算法的改进提供参考。

2) 提出反馈比、综合反馈比等节能评价指标并总结了一种逆变回馈装置容量优化设计方法。实例表明优化方案较全线1.5 MW方案成本节约245万元，综合反馈比增加0.94；较全线2.0 MW方案成本节约410万元，综合反馈比增加1.12。该优化方法可为城市轨道牵引变电所逆变回馈装置的容量优化等提供参考。

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Capacity optimization design of urban rail inverter feedback device considering the intermittent working system

ZHOU Ruibing1, LIU Wei1, ZHANG Jian1, ZHANG Yangxin2, PAN Weiguo3

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. School of Automation & Information Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China;3. CRSC (Changsha) Rail Transit Control Technology Co., Ltd, Changsha 410006, China)

A design method considering the intermittent working system was proposed by focusing on the capacity optimization of the inverter feedback device in the urban rail DC traction power supply system. The simulation process of urban rail inverter feedback device was verified by the working system characteristic. Combined with the daily feedback energy and installation cost of inverter feedback device, the comprehensive feedback ratio and other energy-saving indexes were put forward. The duty ratio of each inverter feedback device under different capacities was calculated to evaluate its utilization. By comparing the energy-saving indexes, the optimization scheme was obtained. Based on the analysis of an engineering example, the results show that the cost of optimization scheme is 2.45 million yuan less than that of the full-line 1.5 MW scheme and the comprehensive feedback ratio is increased by 0.94; the cost of the optimization scheme is 4.10 million yuan less than that of the full-line 2.0 MW scheme and the comprehensive feedback ratio is increased by 1.12. The feasibility and effectiveness of the design method are verified.

urban railway; inverter feedback devices; the intermittent working system; duty ratio; comprehensive feedback ratio