青岛地铁逆变回馈装置的运行性能与节能效果评估

张 岩，吴建华，张丙建，刘 炜，张 戬，张 浩

0 引言

随着城市化进程不断加速，截至2019年年底，全国有40座城市开通运营城市轨道交通线路，共计210条，总里程6 386.9 km。城市轨道交通作为我国重点用能单位之一，除人工成本外，电耗费用在运营费用中占比最高，一般占运营费用的20%以上[1]，其中一半以上电能用于牵引供电。城轨列车在频繁电制动过程中约产生牵引能耗30%以上的再生制动能量，合理安装再生能量利用装置，提高再生能量利用率成为当前研究热点[2，3]。

现阶段，储能和逆变是实现再生制动能量循环利用的主要方式[4]。文献[5]研究电阻-逆变型再生制动能量地面吸收装置在地铁中的应用，实现了再生制动能量的充分利用。文献[6]提出了逆变+储能的新型再生能量吸收装置，理论上完善了单一再生制动能量利用装置方案在容量配置上的不足。文献[7]研究了再生制动能量在并网与储能之间的分配，通过仿真验证采用储能优先的策略能够有效减小再生制动功率对交流电网的冲击。文献[8]根据地铁逆变装置的实测数据，验证了逆变回馈型装置本身在能量反馈方面的有效性。上述文献没有从牵引供电系统的角度对再生能量吸收装置运行性能进行实测分析，且未考虑不同位置再生制动能量吸收装置对牵引供电系统电压、电流及再生制动功率分配的影响。

文献[9]对逆变回馈装置在南京地铁的长期运行情况进行实测分析，得出逆变装置节能效果良好，可代替地面制动电阻，降低隧道散热费用支出。文献[10，11]分析了再生能量回馈装置的安装位置对再生制动能量利用率的影响，对实测逆变回馈装置安装方案具有一定指导意义。文献[12]通过对上海地铁列车运行能耗进行实测分析，研究再生制动能量利用装置的系统设计。

基于以上再生能量利用装置研究现状，本文对青岛某地铁线路含逆变回馈装置的典型供电区间进行实测分析，对牵引降压混合所（牵混所）中逆变回馈装置的直流侧、交流测电压电流进行同步测试，增加主变电所监测点，从装置级和系统级评估逆变回馈装置在直流牵引供电系统中的运行性能。

1 测试方案

青岛某地铁线路目前开通运营24个牵引所，其中含牵混所18座，降压变电所（降压所）3座，区间所3座。线路长度约为67 km，设置主变电所2座，开闭所1座，共21个车站。采用直流1 500 V接触轨授流，钢轨回流。列车类型为4B，2动2拖编组。本次共测试2个含逆变回馈装置的典型供电分区，分2次进行。该地铁线路2段典型供电分区供电系统简图如图1所示，牵混所和区间所以字母“T”加顺序数字命名，降压所以“S”加顺序数字命名。逆变回馈装置与牵引负荷不在同侧。

图1 开闭所供电分区供电系统简图

测试分为2个阶段进行，第1阶段测试对牵混所T5和T7的逆变回馈装置及主变电所2进行测试，第2阶段对牵混所T16进行测试。测试期间，主要收集逆变回馈装置不同启动电压下全日负荷过程数据，得到反馈电能和反馈比率、逆变装置响应时间；测量逆变回馈装置投切对主变电所返送功率、牵引网网压等变化的影响，并评估逆变回馈装置安装后的节能效果。

2 逆变回馈装置性能分析

2.1 响应时间

国标规定，逆变回馈装置响应时间为输出功率从零到峰值功率所需的时间，其值不应超过1 s[14]。

牵混所T7、T16逆变回馈装置短时电流分别如图2、图3所示。由图2、图3可以看出，牵混所T7、T16逆变回馈装置电流在约0.9 s内从0上升至装置额定电流值1 200 A左右，符合国标要求。

图2 T7逆变回馈装置响应时间

图3 T16逆变回馈装置响应时间

2.2 控制牵引网网压效果

以牵混所T16为例，分析该所逆变回馈装置稳压效果及启动电压影响，其直流侧负荷过程曲线如图4所示。该所逆变回馈装置工作时间为06：10—22：00，启动电压设置为1 770 V。

图4 T16直流侧负荷过程曲线

由图4可以看出：逆变回馈装置未工作时，牵引网网压水平较高，最高可达1 838 V；投入逆变回馈装置后，牵引网网压最大值稳定在1 770 V左右，逆变回馈装置稳压效果较好。

2.3 装置利用率

国标规定逆变回馈装置工作制为矩形间歇工作制，工作周期为120 s。占空比可以反映逆变回馈装置的利用率，计算方法是以120 s为一个时间窗口，统计120 s内电流的有效值，通过换算得到对应额定功率运行的占空比σ。σ的计算方法如下：

式中：IRMS为120 s内电流的有效值；In为直流侧额定电流；Ii为装置第i秒的电流。

以牵混所T16为例，根据式（1）、式（2）进行计算，得到该牵混所逆变回馈装置占空比如图5、表1所示。该所的逆变回馈装置工作时段为06：10—22：00，当日06：10—17：35启动电压为1 740 V，17：35—22：00启动电压为1 770 V。

图5 T16逆变回馈装置占空比

表1 不同启动电压下逆变回馈装置最大占空比

由图5可以看出：牵混所T16逆变回馈装置以额定功率工作，启动电压为1 740 V时，该牵混所逆变回馈装置占空比最高为12.2%，整体占空比水平较高；调整启动电压为1 770 V后，整体占空比降低，最大为5.2%。当逆变回馈装置启动电压降低时，逆变回馈装置启动次数增加，其占空比提高，因此利用率上升。

由表1可以看出，牵混所T7逆变回馈装置也均符合占空比变化规律，但牵混所T16启动电压为1 740、1 770 V时分别与T7启动电压为1 720、1 750 V相比，T16最大占空比均更大。这是由于T7平均空载电压为1 710 V左右，而T16空载电压为1 735 V左右，T16空载电压水平较高且与逆变回馈装置启动电压更接近。

3 主变电所负荷过程分析

该地铁供电系统主变电所负荷统计如表2所示。其中改变逆变回馈装置设置的牵混所为T5和T7，均为牵引负荷在Ⅰ段母线的牵混所，其逆变回馈装置位于Ⅱ段母线。其他牵混所内逆变回馈装置设置为：主变电所1、2供电分区内逆变回馈装置启动电压为1 750 V，开闭所供电分区内逆变回馈装置启动电压为1 770 V。

表2 主变电所2全日负荷统计

由表2可以看出，主变电所2供电分区内，逆变回馈装置启动电压为1 720 V时比1 750 V时主所Ⅱ段返送电量多。这是因为启动电压降低后，逆变回馈装置反馈电能增加。主所负荷除牵引负荷外，还包括动力照明等负荷变化波动较大的负荷，因此日电度波动较大。

4 节能效果评估

4.1 节能指标

评价节能效果时，既要考虑装置的节能效果，也应顾及整个系统的节能效果。评价装置级节能效果时可以将再生制动反馈率ξ作为评价指标：

式中：ti为第i种发车间隔的运营时长；J为全日发车间隔数量；PF为第i种发车间隔下牵引变电所逆变回馈装置每小时的平均逆变功率；PT为第i种发车间隔下牵引变电所整流机组每小时的平均牵引功率。

评价系统的节能效果时，还应考虑列车发车密度、牵引变电所数量与主所返送功率相关。综合以上分析，系统节能效果评价应以系统日回馈能量WFr、实际牵引能耗WTr作为考核指标[13]，其计算式为

式中：M1为牵引变电所数量；M2为主变电所数量；PMik为第i种发车间隔，第k个主所每小时的平均返送电量；PFij为第i种发车间隔，第j个牵引变电所每小时平均反馈功率；PTij为第i种发车间隔，第j个牵引变电所每小时平均牵引有功功率。

4.2 节能效果分析

对该线路逆变回馈装置不同启动电压下节能效果进行统计，如表3、表4所示。

表3 逆变回馈装置不同启动电压下装置级节能效果

根据表3，牵混所T7和T16的再生制动反馈率ξ随启动电压的提高而降低，牵混所T7的ξ最高为24.9%，比T16的ξ最大值46.2%低，与空载电压水平有关。

当改变T5和T7的逆变回馈装置设置时，主变电所2供电分区系统级节能效果如表4所示，其他牵混所逆变回馈装置设置同第3节。

表4 主变电所2供电分区系统级节能效果

由表4可以看出，逆变回馈装置启动电压降低时WFr增加，最大为5 254 kW·h。T7和T16的逆变回馈装置未投入时，T5、T8和T14的逆变回馈装置仍投入，此时WFr为2 242 kW·h。启动电压为1 750和1 720 V时，主变电所2供电分区WTr分别是逆变回馈装置未投入时的98.4%和97.5%。由于主变电所2供电区间内仅有两逆变回馈装置状态改变，因此对系统实际牵引能耗影响有限。

5 结论

（1）通过对青岛某地铁线路含逆变回馈装置的牵混所进行测试和分析，逆变回馈装置对控制牵引网网压水平效果较好，其响应时间在1 s内，符合国标要求；占空比最大为12.2%，启动电压越低时占空比越高，且与空载电压水平有关。

（2）对主变电所负荷过程进行分析，逆变回馈装置启动电压越低，主变电所全日返送电量越多，最大为989 kW·h。

（3）提出了以再生制动反馈率ξ作为装置级节能评价指标，ξ随启动电压的提高而降低，最大值为46.2%，且与空载电压水平有关。提出了以系统日回馈能量WFr、实际牵引能耗WTr作为系统节能效果评价指标，逆变回馈装置启动电压降低时，WFr增加，WTr减小，WFr最大为5 254 kW·h。启动电压为1 750和1 720 V时，主变电所2供电分区WTr分别是逆变回馈装置未投入时的98.4%和

97.5%。