再生制动能量逆变回馈系统应用研究

陈旭

（广州地铁集团有限公司，广东广州 510310）

0.引言

伴随着城市轨道交通的高速发展及运营里程的急剧增加，对电能的需求快速增长。城市轨道交通列车运营时需要频繁起动和制动，也提高了对电能质量的要求。当列车起动时，车辆从接触网（轨）吸收了大量的电能，实现高速加速。当列车进站制动刹车时，列车采用电制动为主的制动刹车方式，其制动刹车产生的电能占车辆牵引电能的比例约为30%～40%，这部分再生制动电能除少部分能被相邻加速车辆吸收外，其余大部分的能量需要被吸收消耗掉，以维持直流牵引系统电压的稳定，否则直流牵引系统电压过高会引起相关设备损坏，并且影响列车制动效果。如何合理的利用好这部分刹车能量，对城市轨道交通牵引系统节能降耗将是一个巨大的贡献。

1.再生制动能量逆变回馈系统简介

传统的再生制动能量吸收方式主要采用电阻消耗型方案，其结构简单功能单一，仅仅通过列车电阻和能馈电阻发热将列车制动能量消耗，并没有对制动电能回收利用。同时电阻会增加设备房和以及车重，电阻发热环境温度升高又加重通风设备的负担，进一步引起能源浪费。最后电阻本身发热量大，需要维护的频率及本身的老化程度也会加快，不符合目前节能环保的理念。目前新型再生制动能量回馈方案主要有3种：飞轮储能系统、超级电容储能系统、逆变回馈系统。飞轮和电容储能型设备的节能效果很好，缺点是要设置巨大的电容器，并组合转动机械飞轮装置作为储能部件，设备成本很高，不利于安装维护且存储电量有限。而逆变回馈型方案有成本低、能量转换效率高、技术成熟、维护量小等显著优点。从城市轨道交通节能环保的理念考虑，再生制动能量逆变回馈装置的使用是地铁建设供电牵引制动领域的一个主流选择，下面简单介绍再生制动能量逆变回馈装置的构成、工作原理。

再生制动能量逆变回馈装置由隔离开关柜、变流器柜和变压器柜等组成，如图1所示。隔离开关柜用来实现回馈装置与直流牵引网的电气隔离，保证设备维护的安全。变流器柜主要由大功率电力电子器件IGBT、控制装置等组织，实现DC/AC变换，完成再生制动能量的回馈，是整套装置的核心。变压器柜主要是将电压升压并接入至33kV中压系统。

图1 再生制动能量逆变回馈装置组成示意图

2.再生制动能量逆变回馈装置原理

再生制动能量逆变回馈系统为三相电流型逆变电源，工作原理如图2所示。在系统待机状态下，能馈装置变流器将实时检测直流母线电压，根据设定参数的情况采取相应的工况。车辆制动时，列车制动产生的再生电能首先由相邻的列车吸收使用，其次由能馈装置反馈到中压电网供给其他负荷，最后由车载电阻吸收。能量逆变回馈装置根据直流牵引网回馈电流的大小，自动调节装置的吸收功率，从而实现稳定接触网电压的功能，实现列车再生电能的二次利用，达到节能的目的。能馈系统的控制电路主要由电流调节子系统和PWM发生器组成。控制电路使用SPWM控制策略，调压控制器采用数字式PI控制，能根据需要实时地调节输出电压的幅值。控制电路采用反馈-修正的模型，把逆变后的交流电通过电流测量将三相电流反馈回来，与设定的参考电流信号进行比较，所得的误差信号再经过PI调节器进行调节，新信号继续输入PWM发生器，用来控制PWM发生器的调制正弦波的幅值。PWM发生器产生的PWM波又来控制逆变电路开关器件IGBT的开通与关断，从而实现调压功能[1]。

图2 再生制动能量逆变回馈系统原理示意图

3.再生制动能量逆变回馈装置应用研究

某地铁线路设置有7套再生制动能量逆变回馈装置（以下简称能馈装置），可实现再生制动能量的回馈利用，达到节能效果的同时，也可以有效将直流电压稳定在一个相对合适的数值。通过研究线路能馈装置的应用与现场运行的实际数据，量化分析和验证再生制动能量逆变回馈装置的节能效果，同时研究对全线再生制动能量逆变回馈装置运行参数进行差异化设置，达到提高设备利用率，实现回馈电量最大化，实现优化设备管理方式，提高经济效益的目标。

3.1 列车制动电量数据分析

根据2020年某日列车正常运行一天的能耗数据记录，全天产生制动电量为4500kW·h，车载制动电阻消耗电量为360kW·h。按全线上线12辆列车估算，即全线列车产生的制动电量为4500×12=54000kW·h，全线列车车载制动电阻消耗电量为4320kW·h，全线能馈装置日均回馈电量为8762kW·h。据此可分析出列车产生的制动电量，约有16%被能馈装置回馈至供电系统，8%被车载电阻消耗，最后剩余的76%被相邻的在牵引状态的列车吸收。

3.2 全线能馈装置电量数据分析

某地铁线路采用了7套许继集团有限公司提供的2MW再生制动能量逆变回馈装置。全线能馈装置电压回馈阀值统一设置为1720V，统计2020年1月至6月电量数据，分析各站能馈装置运行情况如表1所示，其中A站、C站、D站、E站、F站五个站点日均电量均超过1000kW·h，B站、G站能馈装置回馈电量明显较少。从全线电量数据上分析，全线能馈装置日均回馈电量为8762kW·h，如表1所示。

表1 全线各站日均回馈电量/kW•h

3.3 能馈装置参数设置原则

列车刹车制动时，接触轨电压升高，超过能馈装置投入阀值时，装置进入回馈运行，将制动能量逆变回馈至33kV中压环网。能馈装置主要通过设置回馈电压数值，以控制装置是否投入回馈运行状态，能馈装置投入阀值的不同，制动能量的回馈效果也不一样。其设置原则为：回馈电压阀值需大于接触轨空载电压（1650V～1690V），同时考虑一定的裕度，防止能馈装置与整流器形成功率循环。同时，回馈电压阀值应小于车载电阻启动电压（1800V），同时考虑一定裕度，否则能馈装置将无法投入。因此，回馈电压可设置范围为1700V～1780V[2]。

3.4 能馈电量差异原因及解决思路

上文表1得知，其中A站、C站、D站、E站、F站五个站点日均电量均超过1000 kW·h，B站、G站能馈装置回馈电量明显较少。根据运行经验，目前某线七台能馈装置均设置为1720V，可保证能馈装置正常运行。能馈装置主要功能是将列车产生的制动电量回馈至供电系统，达到能量再次利用的目的。各线路行车间隔、线路坡度数据、列车运行速度曲线等因素，会影响列车在线上运行时的制动次数和制动时间，从而影响制动电量的大小。同时，列车在各个区间的运行速度、制动次数、制动时间各有不同，全线制动电量在各个区间的分布并不均匀。因此，全线能馈装置设置为同一启动电压阀值时，无法通过装置之间的配合，将区间制动电量尽可能回馈利用。当两台能馈装置相距较近、或能馈装置所在站点附近制动电量偏少时，就会出现能馈装置回馈效率不一致的问题。因此，能馈装置启动电压阀值的设置，应充分考虑全线各个区间列车的制动情况，根据列车在各个区间制动的情况特点，通过差异化的电压阀值设置，实现相邻两台能馈装置互相配合，确保能馈装置正常运行的同时，达到回馈电量最大化[3]。

3.5 能馈装置电压启动阀值优化测试

首先，测试当全线能馈装置全部退出后，日均车载电阻能耗由4300kW·h增加到11500kW·h左右。其次，根据运行经验及上述某线制动电量分布的初步研究情况，按能量回馈少的站点调低装置电压启动阀值，使回馈能量分布均匀，各站装置都以较高功率运行，提高回馈能量。2020年7月1日至8日对全线7套能馈装置分别设置8组不同的启动阀值，研究确定能馈装置电压启动阀值整定方案，达到回馈电量最大化目的。不同定值调试数据统计如表2所示。

表2 不同定值调试数据统计表

从表2中调试数据可以看出，当定值逐渐减小到第五到第八组时，全线各站能馈装置回馈电量达到最大值11800kW·h左右，车载电阻能耗也降低到2800kW·h左右，说明能馈装置已基本达到最大回馈效率，车载电阻损耗也基本达到最低损耗。单从节能来讲5～8组共四组的定值都复合节能最优化的要求。继续深入分析这几组定值发现，第6、7组定值不满足能馈装置参数设置原则即回馈电压定值可设置范围为1700V～1780V的要求。第8组定值中C、D站电压定值降到1700V后能馈装置在满负荷运行，而相邻站能馈装置启动减少，导致全线各站间能馈装置的启动或使用不均衡[4]。

因此，综合考虑定值组5为最优整定值方案，能馈装置效率大，列车电阻损耗小，并且兼顾了定值安全和站间能量回馈尽量均匀分配的原则。全线能馈装置投入前，日均车载电阻能耗为11500kW·h左右，即每天有11500度的电能被浪费掉。能馈投入后按定值组1设置，每天回馈电量为8700kW·h左右，仍有4300kW·h左右的电能被车载电阻消耗浪费掉。按定值组5设置，每天回馈电量增加为11800kW·h左右，被车载电阻消耗浪费掉的电能降低到2800kW·h左右，定值组的调整让每天有约1500kW·h的电能被重新利用，预计全年电量节省约54万kW·h，增加经济效益约30万元，节能效果较为显著。

4.结语

应用研究结果表明，逆变回馈型再生制动能量吸收装置满足地铁列车再生制动能量的吸收利用以及稳定牵引网电压的要求，能够解决实际工程问题。但原设计采用的统一回馈启动电压值导致某些站点的能馈装置回馈电量较低，运行效率低下，对各站能馈装置采取差异化的回馈启动电压值，能显著提高回馈电量，降低车载电阻消耗量，提升能馈装置的运行效率。再生制动能量逆变回馈装置将在城市轨道交通中发挥重要作用，现场使用过程中不断完善提升其性能，能够切实降低地铁运营成本，提高经济效益。今后将进一步研究其合理安装布置及与列车运行模式相结合，真正做到不启动列车消耗电阻，所有制动能量均被二次利用起来，对地铁运维人员具有重要的现实意义。