厦门地铁2号线再生能馈装置稳压试验分析

林家通

(厦门轨道交通集团有限公司，361010，厦门∥工程师)

地铁牵引供电系统中广泛采用整流机组。然而，由于整流器的单导特性[1-2]，列车再生制动电能无法正常回馈，造成接触网电压抬升。地铁再生能馈装置若要有效回收再生制动电能[3-5]，则需在车辆制动时能有效稳定接触网网压，保证行车安全。为验证再生能馈装置的逆变回馈功能，验证列车在不同制动模式、制动速度及电制动功率下与再生能馈装置的配合关系，本文以采用国内先进再生能馈技术的厦门地铁2号线(以下简为“2号线”)作为研究对象，基于线路实际情况，通过试验来分析再生能馈装置回馈过程对35 kV电网的影响。详细描述了再生能馈装置稳压试验方案设计，重点验证、分析车辆不同制动工况下再生能能馈与车辆配合度及接触网电压稳定效果。

1 研究背景

2号线为地下线路，长41.6 km，共设32座车站。其牵引采用DC 1500 V架空接触网馈电，走行轨回流方式。全线共设18座牵引变电所，其中正线有16个牵引混合变电所及东孚车辆段设有再生能馈装置。设有再生能馈装置的直流牵引供电系统构成如图1所示。

图1 有再生能馈装置的直流牵引供电系统构成

2号线采用再生能馈设备的主要参数见表1。

表1 再生能馈装置的主要参数

2 再生能馈装置稳压试验

2.1 试验方法

在2号线东孚车辆段牵引变电所中开启再生能馈装置，并设置回馈启动电压阈值为1 730 V、稳定电压为1 720 V。令一辆列车在AW0(空载)模式下，分别以30 km/h、45 km/h、55 km/h及80 km/h的速度行驶，再分别施加常用制动和紧急制动至停车，测量相关数据，验证能馈回馈效果及谐波情况。

试验采用主要仪器如表2所示。示波器接入再生能馈装置的直流隔离开关柜，测量该处的直流牵引网电压和直流侧电流(3根电缆并联，测量其中1根电缆)，同时测量接入再生能馈装置的双向变流器A相输出电压(变压器低压侧)和A相变压器低压侧输出电流(2根电缆并联，测量1根电缆)，并记录波形数据。采用电能分析仪测量35 kV侧电流和35 kV PT(电压互感器)二次侧电压，评估再生能吸收装置的回馈电能质量情况。通过TIMS(列车综合管理系统)获取车辆的实时速度、车辆处牵引网压、车辆直流电流、车载过压保护电阻投入及退出状态和时刻、车载气制动投入及退出状态和时刻、车辆制动距离等数据。

表2 试验采用的测试仪器

2.2 试验结果

列车结构限速一般为80 km/h，在80 km/h制动初始速度、常用制动工况下，因再生制动馈能功率大，超过了单台再生能馈装置的容量，故列车将同步启动空气制动，此工况最为典型。因此，为不赘述，本文仅取列车初始速度为80 km/h、常用制动为典型工况对波形进行分析。其波形与电能质量分析见图2。

a)回馈电压和电流波形

图2 a)为列车开始制动时，再生能馈装置交直流两侧处示波器采集的电压电流波形。在t1之前，列车启动再生制动，牵引网直流电压在制动过程中升高；在t1时，再生馈能装置启动；在t1—t2时间段，再生能馈装置的输出功率跟随制动功率迅速增大，回馈直流电流也迅速增大，再生能馈装置处的牵引网直流电压稳定在1 720 V左右；在t2时，再生能馈装置输出功率达到最大容量，在t2—t3段再生能馈装置保持最大功率输出，直流电流与交流电流保持稳定；受再生能馈装置容量限制，在t2时，牵引网直流电压继续抬升，车辆启动空气制动，补充制动力，牵引网直流电压维持在1 800 V左右；至t3时，列车运行速度降低，再生制动功率下降至低于再生能馈最大容量，牵引网直流电压下降到1 700 V左右，回馈电流下降，完成了制动与馈能的过程。分析TIMS数据可知，车辆具有再生制动功率自动限容功能，不仅能限制再生的最大输出功率，还能自动启动空气制动来补充制动力。整个制动过程中，列车处牵引网的最高直流电压控制在1 830 V左右，未超过车辆过压保护动作电压(1 950 V)，未触发车载过压保护功能。

回馈电能质量如图2 b)及图2 c)所示。35 kV侧交流母线处电压基波几乎达到100%，仅有极小量的3次、5次、7次及13次谐波电压，故具在较好的电能质量。在交流PCC处，电流畸变率小于2.5%，以3次、5次、7次低频谐波为主，无偶次共模谐波，满足相关规范标准的要求。

2.3 试验数据分析

整理汇总再生能馈装置处测量数据和TIMS数据，得到不同工况下的试验数据，如表3所示。

表3 各工况下的试验数据

在工况一和工况二下，根据TIMS采集的电压电流波形图，列车制动最大再生功率不超过装置的额定容量2.5 MW，再生能馈装置能完全吸收车辆的再生电能，将牵引网直流电压稳定在1 740 V左右，不触发车辆过压保护与空气制动。在工况三和工况四下，车辆主动调整空气制动，使车辆处的接触网电压低于1 890 V(车辆过压保护阈值)，保持再生能馈工作功率约为2.4 MW。

对比工况一与工况五，当列车在约30 km/h的初始制动速度下，相对于常用制动模式，快速制动模式下的列车回馈电流增大约150 A，能馈功率(即直流侧功率)也增大约250 kW，制动距离减小5 m。而在约45 km/h、55 km/h、80 km/h的制动初始速度下进行快速制动，回馈电流与功率并未明显变大。这是由于列车气制动的气缸压力会根据列车制动力需求自动补充，最大再生能馈功率保持在2.4 MW左右，未超过额定容量。在常用制动模式下，只有车辆运行速度降至接近0 km/h或制动力不足时，才启动空气制动，以保持电压不超安全值，且再生能馈装置工作功率不超过其容量。在快速制动模式下，空气制动会与电制动同时全程投入，以缩短车辆的制动距离及制动时间。

不论是常用制动模式还是快速制动模式，不同工况的网压均未超过允许值，再生能馈功率未超过能馈装置的容量范围，列车过压保护未动作。这表明，列车再生制动与再生能馈装置可以有效配合，从而实现制动能量回馈并稳定接触网电压。

由表3还可以看出：在电能回馈时，35 kV侧交流电压畸变率小于2%。而在制动初始速度约为45 km/h、55 km/h、80 km/h时，馈电的交流电流畸变率小于2.3%。但在制动初始速度为30 km/h时，回馈的交流电流畸变率最大为A相，测试值达6.7%。这是由于回馈功率及电流较小，对交流环网整体电能质量影响较小。

在测量过程中，再生能馈装置测量数据与列车TIMS数据并未非同步数据，故数据可能与理想情况存有一定的偏差，但不影响试验结论。

3 结语

针对列车再生制动回馈电能导致接触网电压抬升的现象，本文以厦门地铁2号线为研究对象，对其再生能馈装置进行稳压试验，得到如下结论：

1)再生能馈装置可与车辆的空气制动系统协同配合完成车辆制动，能在实现列车再生制动能量回馈的情况下有效稳定接触网电压。

2)当回馈电能超过再生能馈装置容量(2.5 MW)时，再生能馈装置会自动限容输出；在制动过程中，车辆处牵引网直流电压不超过1890 V，车载过压保护不动作。

3)在再生能馈装置以额定功率输出时，在35 kV侧测得回馈电流的总谐波含量畸变率≤3%，35 kV电压的总谐波含量畸变率≤2%，满足且优于相关国家标准。