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    轨道交通应用

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    再生制动能量吸收逆变装置在青岛地铁上的应用

    2019-03-26 08:19:15

    Application of Regenerative Braking Energy Absorption Inverter in Qingdao Subway
        新风光电子科技股份有限公司  丁宁  吴建华 田利瑞
    Ding Ning  Wu Jianhua  Tian Lirui
    摘  要:本文介绍了新风光电子科技股份有限公司生产的再生制动能量吸收逆变装置的系统结构和工作原理。在青岛地铁现场运行证明该装置具有并网电流谐波小,回馈能量效率高,可靠性高等特点。
    关键词:轨道交通  再生制动  逆变  节能
    Abstract: This paper introduces the system structure and working principle of regenerative braking energy absorption inverter device produced by Xinfengguang Electronic Technology Co., The operation of the subway in Qingdao has proved that the device has the advantages of small harmonic current, high feedback energy efficiency and high reliability.
    Key words: Rail transport  Regenerative braking   Inverter   Saving
    1前言
    目前城市轨道交通直流牵引供电系统采用二极管整流器,电能只能从交流电网向直流牵引网单向流动。当车辆制动时,多余的再生制动能量使直流电网电压升高。传统的解决方法是设置电阻制动装置,但这将造成电能的极大浪费并带来温升等其它问题。由于轨道交通车辆起制动频繁,制动能量相当可观,若能加以合理利用必能产生良好的经济效益。
    现制动方式主要可以分为两大类:一是机械制动(动能转化成热能),机械摩擦制动的缺点是接触面容易磨损;摩擦时产生高温可熔化烧灼踏面;摩擦后产生的粉尘有严重污染的。二是电制动,把动能转化为电能后,再将电能送回电网或变成热能消耗掉,现在电制动主要是采用电阻吸收方式,其主要缺点是只能将电能转换为热能消耗掉,造成能源浪费,而且电阻散热会导致温度升高,因此需要增加相应的通风装置,即同时增加相应的电能消耗。
    电制动的另一种吸收方式是电容储能型,将制动能量吸收到大容量电容器组中,当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去,其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组,且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短。
    电制动第三种方式是飞轮储能,其工作原理是在列车发生再生制动时,电动机驱动转子旋转进行能量储存,直至达到允许的最大转速;当列车需求能量时,电动机切换到发电机工况,释放飞轮中储存的能量直至达到最低工作转速并转变为变电所供电。其缺点是寿命容易受到机械部件磨损的影响而大幅度降低,并且其投资与维护费用均较高。
    电制动的第四种是逆变吸收方式,是将车辆制动时产生能量经过逆变变成工频交流电与车站内电网并网,该吸收方式有利于能源的综合再利用,实现了节能,是目前日益重视并大力推广的方式。
    2 新风光再生制动能量吸收逆变装置
    轨道交通其牵引供电系统在机车牵引变电所,一般1-2公里就需要设置一个机车牵引变电所,每个机车牵引所都需要配备再生制动能量吸收设备。
    再生制动能量吸收逆变装置(以下简称逆变装置)是新风光为满足轨道交通机车绿色环保运行的市场需求,研制成功的新一代机车制动再生能量处理设备。该逆变装置属于逆变回馈型。逆变装置根据各个传感器检测信号,综合判断直流电网上是否有列车处于再生电制动状态,一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时,系统启动吸收过程。逆变装置把机车刹车制动时产生的能量转换成AC400V电压,自动跟踪AC400V母线电压,并向负载供电,将再生能量消耗在用电设备上,或经隔离变压器反送至35kV /10kV电网。在直流牵引供电系统中,再生制动能量吸收装置做为一个子系统工程,其作用关乎系统的安全。
    该产品相比以往设备,具有动态响应快,并网电流谐波小(THD小于3%),回馈能量效率高(大于98%),可靠性高。产品经铁道部质量监督检验中心检验,各项技术指标均达到设计要求。
    2.1系统组成
    系统组成框图如图1所示,现在大部分城市轨道交通牵引所都是35kV或10kV电网,经过牵引整流变压器,再进行12脉波整流输出直流1500V或750V给机车供电。
    再生制动能量吸收装置是并联在1500V/750V直流系统中,经过逆变装置变成交流,经隔离变压器输入到电网(35kV/10kV/400V)。
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                                                  图1 系统组成框图
    2.2 逆变装置主回路拓扑
    逆变装置主要由输入输出开关、逆变单元、隔离变压器、开关柜等几部分组成,逆变装置框图如图2所示。
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                                                    图2 逆变装置框图
    (1)输入输出开关
    主要包括输入直流接触器、输出交流接触器等器件。分别用于逆变装置输入、输出的接通与分断。
    (2)逆变单元
    逆变单元的主要作用是把系统瞬间刹车积聚的能量逆变成与电网电压同步的交流电回送至电网。目前地铁牵引供电系统电压一般有两个电压等级即直流750V和1500V,逆变主电路采用二极管箝位三电平电路拓扑。主电路拓扑如图3所示。
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                                                                 图3逆变单元主电路拓扑
    (3)隔离变压器
      逆变单元输出交流电压1000V/500V,经隔离变压器接到35kV/10kV/400V电网。
     (4)开关柜
      逆变装置输出经隔离变压器后接入35kV/10kV/400V电网。
    2.3技术特点
    (1)领先的控制技术
    控制系统由DSP+FPGA/CPLD+PLC组成。控制系统具备自动化数据采集功能,用于收集装置内部状态信号。采用MODBUS数据传输方式与上位机系统接口,并提供所有状态信息。
    (2)主回路采用三电平拓扑电路结构
    降低了器件耐压等级,利于减小网侧电流谐波。
    (3)易于实现容量扩展
    控制系统网侧呈电流源特性,易于多单元并联实现装置容量扩展。
    (4)功率因数高
    网侧功率因数可调,逆变装置可以做到单位功率因数运行。
    (5)谐波特性好
    网侧电流波形正弦化,电流总谐波(THD)小于3%。
    (6)响应快,效率高
    具有动态响应快,能在毫秒内输出额定电流,整机效率98%以上。
    (7)保护功能齐全
    逆变装置具有过压、欠压、偏压、过流、短路、超温等多种保护功能,当某一逆变单元故障时,整机仍可以降额工作,不影响机车正常运行。
    3现场应用
    青岛某线路牵引供电系统主要分为直流牵引网和交流配电网两部分。其接入地铁供电系统图如图4所示,主变电所将三相35kV高压交流送至各牵引所,经整流变压器、整流器变成适合轨道车辆应用的1500V直流母线,馈电线再将直流电送到接触网上,接触网是沿车辆走行轨架设的特殊供电线路,轨道车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电能。
    牵引变电所共有两台整流器RT1、RT2,两台并联运行。单台是12脉波整流,两台并联组成24脉波整流。其额定功率为2400kW,额定输入电压1180V,额定输出电压1500V,额定输出电流1600A,允许电压波动范围为1000V~1800V。走行轨构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。交流配电网主要是提供站内的照明、通风、排水、电梯等基础设施。
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                                                               图4 地铁供电系统线路图
    在该线某站上安装有新风光的FDBL-JC-2000/1500V的再生制动能量吸收逆变装置,该装置容量为2000kW,其中加装的再生制动能量吸收逆变装置使用虚框标出。
    该逆变装置于2016年10月初正式投入运行,至今运行良好。现场测试逆变装置直流母线与逆变三相输出电流波形,如图5所示。
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                                                      图5 逆变直流母线与逆变三相输出电流波形
    根据业主电度表计量的数据,日回馈电能3000度左右,参考工业用电价格1元/度,该站点一天节省运行成本3000元左右,该逆变装置节电效果是非常明显的。同时,对隧道内部的通风、散热需求降低,综合来说,轨道交通每1-2公里就有一个站点,如果每个站点都安装该逆变装置设备,那么地铁运行成本将会大大降低。
    4结束语
    新风光再生制动能量吸收逆变装置控制车辆电制动时的运行电压,保障了车辆的安全运行。逆变装置投运后节电效果显著,符合国家节能减排的大政方针。同时降低了车辆运行隧道内的通风散热需求,提高了相关设备的运行环境质量。“十三五”期间,随着轨道交通节能环保、绿色化的主题深入人心,该逆变装置前景可期。

    参考文献:
    1、再生制动逆变装置用户手册.新风光电子科技股份有限公司
    2、GB/T 10411-2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》 2005

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