1、中压能馈逆变装置在城市轨道交通中的应用王会丰 刘恒摘要：通过对再生制动能量的分析及再生制动能量吸收装置的对比介绍， 得出逆变回馈式装置是当前解决列车再生制动能量问题的较优措施。给出了中压能馈逆变装置在北京地铁 15 号线供电工程的设计方案，并进行了现场试验和应用效果分析。关键词：轨道交通 再生能量 逆变回馈 节能减排 1 引言目前城市轨道交通普遍采用交流传动即 VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency）动车组列车，其制动一般为电制动(即再生制动、电阻制动)和空气制动两级。在车辆高速运行时，使用再生制动和电阻制动，当减速到电制动不起作用时，使用空气
2、制动。列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观，可以达到牵引能量的 40以上，部分再生制动能量（一般为 20%80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。资料表明，当列车发车间隔大于 10 min 时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被再生能量吸收装置吸收，变成热能并向四外散发，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使建设费用和运行费用增
3、加。如能将这部分能量储存再利用，这些问题将迎刃而解。2 再生制动能量吸收装置的类型和特点目前，国内外再生制动能量吸收装置主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等 4 种。2.1 电阻耗能型电阻耗能型是在变电所设置一套电阻吸收装置，将列车的再生制动能量消耗掉，从而抑制接触网网压的飙升。该装置的优点：控制简单，可以取消 (或减少)列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；对降低隧道温度、减少闸瓦的消耗和制动粉尘、净化隧道环境比较有效，而且国内有比较成熟的产品制造经验，价格也较低。该装置的缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上集中发热消耗， 对再生电能不能有效利用；电阻散热也导致环
4、境温度上升，因此当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，设备房间也必须采取措施保证有足够的通风量。从发展的角度，它不代表再生电能吸收技术的方向。2.2 电容储能型电容储能吸收装置是用超级电容将列车制动能量存储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用。电容储能吸收装置的技术原理较佳，但国内企业暂无生产供货能力，进口设备不成熟，技术有待完善和提高，建设成本高，在马德里、法兰克福轨道交通有应用，国内尚无成功的工程应用实例。北京地铁 5 号线曾设置了 4 套电容储能吸收装置，但一直未投入运行。2.3 飞轮储能型 飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样，吸收装置是利用高速旋转的飞轮，将列
5、车制动能量存储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用。飞轮储能吸收装置的技术原理也较佳，但国内企业暂无生产供货能力，进口设备不成熟，技术有待完善和提高，建设成本高，在纽约、香港地铁有应用，但国内尚无成功的工程应用实例。2.4 逆变回馈型能量逆变回馈装置是利用电力电子变流器，将列车制动能量逆变为交流电能回馈到交流电网，供其他设备再利用。该装置充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻；对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。根据交流电网的电压等级，能量逆变型又分为
6、中压逆变型(35kV 或 10kV)和低压逆变型(380V)，中压电网容量更大、更稳定，对于能量的流动和分配利用更有利。国外已有批量生产的能馈逆变装置，其中以欧美和日本的产品技术较为成熟。国内在地铁运营中应用再生能量回馈技术尚属起步阶段，在重庆地铁、北京地铁十号线二期、北京地铁 15 号线进行了有限投入。3 能馈逆变装置3.1 能馈逆变装置原理能馈逆变装置是将地铁车辆进站制动时产生的直流电能逆变成与交流电网同幅值、同相位交流电能的电力电子装置，其原理图如图 3-1 所示。图 3-1 能馈逆变装置示意图能馈逆变装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该装置的直流侧与牵引变电所中的直流
7、母线相联，其交流进线接到交流电网上，当再生制动使接触网直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。3.2 中压能馈逆变装置湖南恒信电气有限公司生产的中压能馈逆变装置可以实现上述目的，在国内地铁中得到了初步应用。该中压能馈逆变装置包含直流控制柜一面、逆变柜若干面、升压变压器柜一面。逆变柜配置数量根据系统需求吸收功率进行设置，一般为 14 面，每面逆变柜包含 4 个 NPC 模块和一个并网断路器。对于 1500V 直流牵引系统每面逆变柜额定输出功率为 1500kW，对于 750V 直流牵引系统每面逆变柜额定输出功率为 750kW。3.2.1
8、主电路结构能馈式逆变装置图 3-2 主电路原理图各柜体功能如下：直流控制柜：直流电源隔离、预充电、NPC 模块协调控制及人机界面显示；逆变柜： 将直流电能逆变成与电网电压同幅值、同相位的交流电能；变压器柜：将逆变柜低压交流电能进行升压。3.2.2 NPC 模块原理图图 3-3 NPC 模块原理图列车进站产生的再生直流电通过熔断器进入 NPC 模块的直流支撑电容，三电平三相全桥将直流电逆变成与电网同幅值、同相位的交流电。C1、C2 为直流支撑电容，C3C8 为 IGBT 吸收电容，IGBT1IGBT12 与 D1D4 构成三电平三相全桥、输出电感以及电压、电流检测。NPC 模块功能介绍： 将直流
9、电逆变成与电网同幅值、同相位的交流电； 检测交直流测电压、电流，并提供完善的保护； 将检测的各种信号量和 NPC 内部状态信号上送。3.2.3 控制与通讯中压能馈逆变装置控制系统采用主控+分控方式，主控由 DSP 主控制器+PLC组成，多个 NPC 模块采用分控方式。主控主要完成工作包括：系统预充电、各开关器件分合闸控制、HMI、与 PSCADA 通讯以及多个 NPC 模块的协调控制；分控主要完成：同期并网、双闭环控制、SVPWM 发波、并网功率控制等。3.2.4 系统保护中压能馈逆变装置保护包括主控系统保护和 NPC 模块保护两大类。主控系统保护定值及延时时间比 NPC 模块保护定值及延时时
10、间稍大一些，当主控系统保护动作时，通常会有相应的开关动作；NPC 模块保护时，通常只封锁本模块输出，故障消失后模块可以重新投入运行。4 中压能馈逆变装置的应用方案及效果分析4.1 应用方案北京地铁 15 号线西段共七个车站，在大屯路东、奥林匹克公园、六道口站等 3 个车站设置了电阻吸收装置，在关庄、安立路、北沙滩、清华东路西口站等 4 个车站设置了中压能馈逆变装置，主要功能定位：稳定牵引网网压，吸收列车再生制动能量并回馈至中压电网，节约能源。4.1.1 技术方案北京地铁 15 号线西段供电系统采用 10kV 开闭所供电方式，牵引网采用DC750V 接触轨供电，直流侧空载电压为 DC823V，直
11、流系统长期工作电压波动范围为 DC500V900V，直流侧再生制动时电压不高于 1200V。根据仿真计算结果，选用了 HXXS-NB-750/3000 型中压能馈逆变装置，该装置额定输入电流为 DC750V，最大输入电流 3500A，额定输出功率 3000kW，隔离变压器低压侧额定电压 AC500V，输出电流谐波3%，启动电压值为 820V950V。4.1.2 接线方案中压能馈逆变装置的直流控制柜中的 85、86 电动隔离开关分别接到 750V负极柜和 750V 馈出柜的 80 断路器开关，完成中压能馈逆变装置与直流系统的输入连接；变压器柜中的高压侧 U、V、W 母排分别接到 10kV 开关柜
12、 H202 的822 断路器的 U、V、W 三相，完成中压能馈逆变装置与 10kV 交流系统的输出连接。4.1.3 运行方式变电所正常运行时，交、直流侧所有开关处于合闸位，中压能馈逆变装置投入运行。当中压能馈逆变装置内部发生任何故障时，中压能馈逆变装置退出运行。当两套牵引整流机组中的任何一组退出运行时，中压能馈逆变装置不退出运行。4.2 应用效果下文分别从静调测试、车辆配合测试、车辆压力测试、车辆跑图测试这几个阶段，分别介绍中压能馈逆变装置的运行情况，根据现场实测的示波器波形及工控机记录的数据验证装置对接触轨电压所起到的控制作用。4.2.1 静调测试静调测试是验证没有列车制动时，中压能馈逆变装
13、置在额定功率下能否正常运行。测试时，使用示波器观察接触轨电压及中压能馈逆变装置变压器低压端的并网回馈电流，同时使用功率分析仪测试并网电流的电能质量。（1）测试仪器电压差分探头 1 个、罗氏线圈 2 个、示波器 1 台、功率分析仪 1 台，具体型号及仪器作用如下表描述：序号 名称 型号 数量 备注1 电压差分探头 Tektronix OIDP-100 1 测试接触轨电压2 罗氏线圈 CWT30B/4/500 2 测试并网电流3 四通道示波器 MSO-X 3054A 1 观察电压、电流波形4 功率分析仪 HIOKI 3390 1 测试并网电流谐波（2）测试数据选择关庄站的数据进行分析，图 4-1
14、和图 4-2 为中压能馈逆变装置进行静调的示波器和功率分析仪测试波形。图 4-1 系统满功率运行时电压、电流波形图图中蓝色波形线为接触轨电压，平均值为 754V，黄色波形线为变压器低压侧（500V）的并网电流，有效值为 3689A，中压能馈系统回馈至 10kV 电网功率为 3689Ax500Vx1.732=3.195MW。图 4-2 变压器低压侧电流谐波（3）测试结论通过波形图可以看出，没有列车制动时，中压能馈逆变装置在额定功率下能正常工作，且变压器低压侧并网电流谐波3%，优于国标要求，接触轨电压波形接近一条直线，测试结果符合测试要求。4.2.2 车辆配合测试车辆配合测试是验证有车辆进行电制动
15、时，中压能馈设备能否对接触轨电压进行有效的控制。实际测试时，使用示波器同时监视接触轨电压及并网电流，验证中压能馈逆变装置的控制效果。（1）测试仪器电压差分探头 1 个、罗氏线圈 2 个、示波器 1 台、功率分析仪 1 台，具体型号及仪器作用如下表描述：序号 名称 型号 数量 备注1 电压差分探头 Tektronix OIDP-100 1 测试接触轨电压2 罗氏线圈 CWT30B/4/500 2 测试并网电流3 四通道示波器 MSO-X 3054A 1 观察电压、电流波形4 功率分析仪 HIOKI 3390 1 测试并网电流谐波（2）测试数据选择安立路站的数据进行分析，图 4-3 为中压能馈逆变
16、装置进行车辆配合调试的示波器测试波形。图 4-3 车辆电制动时电压、电流波形图中黄色波形线为接触轨电压，接触轨电压几乎没有波动，最大电压不超过 855V，绿色波形线为变压器低压侧并网电流，波形幅度从无到有，表示列车制动开始，波形从有到无，表示列车制动完成，整个制动过程持续时间约30s。（3）测试结论从示波器数据和中压能馈逆变装置的历史数据可以看到，在车辆进行电制动时，中压能馈逆变装置进入吸收运行状态，制动开始到制动结束的整个过程中，接触轨母线电压控制稳定在 835V 左右，最大母线电压不大于 855V，符合测试预期的要求。4.2.3 车辆压力测试车辆压力测试是验证车辆在特殊条件下制动时，中压能
17、馈逆变装置能否对接触轨电压进行有效的控制。测试时，使用示波器同时监测接触轨电压波形及并网电流，观察在各种极限条件下中压能馈逆变装置的控制效果。（1）测试仪器电压差分探头 1 个、罗氏线圈 1 个、示波器 1 台，具体型号及仪器测试作用如下表：序号 名称 型号 数量 备注1 电压差分探头 Tektronix OIDP-100 1 测试接触轨电压2 罗氏线圈 CWT30B/4/500 1 测试并网电流3 四通道示波器 MSO-X 3054A 1 观察电压、电流波形（2）测试数据下表为车辆压力测试的内容及测试结果。测试项目 测试内容车辆速度（km/h）接触轨最高电压（V）最大吸收功率(MW) 设备投
18、运情况1 40 851 0.4302 70 856.9 1.7333两车同时进站，同时制动85 856.3 2.8224 40 841 0.9675 70 846.5 2.9576相同站，一车制动，一车牵引80 840.7 2.9317 40 848.4 0.9268 70 840.4 2.7229本站一车制动，邻站一车牵引80 849.3 3.0104 个站中压能馈及3 个站电阻消耗装置全部投入10 40 844.6 0.99011 70 912.1 3.00412两车同时进站，同时制动80 968.1 2.91313 40 842.4 0.96614 70 848.7 3.04115相同站，一车制动，一车牵引80 848.4 3.16816 40 833.1 0.94017 70 857 2.72118本站一车制动，邻站一车牵引80 860 3.0814 个站中压能馈装置投入，3 个站电阻消耗装置切除选择安立路站的数据进行分析，图 4-4 为上表中测试项 3 的波形图，图 4-5 为上表中测试项 12 的波形图。测试项 3 是在 4 个车站中压能馈装置及 3 个车站电阻消耗装置全部投入情况下，两列车同时进站，同时制动；测试项 12 是在 4 个车站中压能馈装置投运，3 个站电阻消耗装置切除情况下，两列车同时进站，同时制动。
