浅析城轨交通列车再生制动能量回馈利用装置.pdf

市政交通水利工程设计l M u n i i p d 7 r a f f - z W a U , r 胁。目局神c f 而曹胍女蜘J 浅析城轨交通列车再生制动能量回馈利用装置 A n a l y s i so fU r b a n R a i lT r a n s i tT r a i n R e g e n e r a t i v eB r a k i n gE n e r g yF e e d b a c k U t i l i z a t i o n D e v i c e 高阳 ( 中铁电气化局集团第一工程有限公司，广州5 1 0 5 1 0 ) G A O Y a n g ( F i r s tE n g i n e e r i n gC o L t d o fC h i n a R a i l w a yE l e c t r i f i c a t i o n B u r e a u G r o u p ，G u a n g z h o u5 1 0 5 1 0 ，C h i n a ) 【摘要】充分发挥列车再生制动能力，对于减少列车闸瓦磨耗，降低牵引系统能耗具有重要作用。一种中压型的列车再生制动 能量回馈利用装置( 简称中压能馈装置) ，集列车制动能量回馈、牵引供电、以及无功补偿等多种功能于一体，不仅具有显著的节 能效果，还能战小直流网压波动，提高供电品质。论文介绍了中压能馈装置的功能特点、构成原理及应用方案，北京地铁l O 号线 现场试验及测试数据表明，该设备运行可靠、节能效果显著。 A b s t r a c t T h ef l a i lp l a yo f t h eb r a k i n ga b i l i t yf o rr e d u c t i o no f t r a i nb r a k es h o ew e a la n dr e d u c et h et r a c t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o no f t h e s y s t e m p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e T h e t r a i n o f a m e d i u m p r e s s u r e t y p e r e g e n e r a t i v e b r a k i n g e n e r g y f e e d b a c k a n d u t i l i z a t i o n d e v i c e ( r e f e r r e d t o a s t h e m e d i u m v o l t a g e f e e d b a c k d e v i c e ) ，s e t o f t r a i n b r a k i n g e n e r g y f e e d b a c k , t r a c t i o n p o w e r s u p p l y , a n d r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n a n d o t h e r f u n a i o n s i n o n e ，n o t o n l y h a s s i g n i f i c a n t e n e r g y - s a v i n g e f f e c t , i t c a n a l s or e d u c e t h e D C v o l t a g e f l u c t u a t i o n ，h i g h p o w e r s u p p l y q u a l i t y T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e f u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s 垃t l c t t L r 。p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f t h e m e d i u m p r e s s u r e e n e r g y f e e d i n g d e v i c e T h e f i e l d t e s t a n d t e s t d a t a o f B e i j i n g M e t r o L i n e l o s h o w t h a t t h e e q u i p m e n t i s r e l i a b l e a n d e f f e c t i v e 【关键词】城市轨道交通；牵引供电；再生制动；能量回馈 【K e y w o r d s u r b a n r a i l t r a n s i t ；t r a c t i o n p o w e r s u p p l y ；r e g e n e r a t i v e b r a k i n g ；e n e r g y f e e d b a c k 【中图分类号 U 2 2 4 2 ；U 2 3 1【文献标志码】B【文章编号】1 0 0 7 9 4 6 7 ( 2 0 1 6 ) 0 8 0 1 2 9 - 0 3 E D O I I I O 1 3 6 1 6 j c n k i g c j s y s j 2 0 1 6 0 8 0 3 4 1 引言 随着经济社会发展，我国大中城市交通拥堵和环境污染 日趋严重，对城市居民的生活质量造成了巨大的影响，发展地 铁、轻轨等城市轨道交通已经成为缓解该问题的有效措施。城 市轨道交通具有安全可靠、节能环保等优点，符合可持续发展 的原则。但是伴随城市轨道交通路网规模的扩大和客运量的 剧增城市轨道交通能源消耗总量也在大幅增长。根据相关统 计，目前我国已经批准建设城市轨道交通的城市有3 6 个，估 计到2 0 2 0 年我国城市轨道交通将新增里程逾30 0 0 k i n ，总里 程接近60 0 0 k m 。如何建设更加节能的城市轨道交通系统逐 【作者简介】高I 阼 ( 1 9 8 4 ) ，男，四J | I 厂元人，工程师。从事供电系统 施工管理研究，( 电子信箱) 5 4 3 8 0 0 3 3 7 q q c o m 。 渐成为行业发展方向。 目前，城市轨道交通的牵引供电主要采用7 5 0 V 或 15 0 0 V 这两种直流供电制式。整流方式通常采用2 4 脉波二极 管整流，输出电压不可控、并且能量只能单向流动。地铁车辆 再生制动时产生的多余能量( 附近车辆不能吸收的部分) ，菪 不进行有效处理。会使得牵引网电压升高，导致列车再生制动 能力降低甚至消失。而传统的处理方法是将这部分能量用电 阻能耗装置消耗掉。由于地铁列车运行具有站间运行距离短、 运行速度较高、起动及制动频繁等特点，电阻能耗装置会浪费 大量的再生制动能量，同时电阻能耗装置带来隧道温度升高， 加重环控通风系统负担，引起电能的二次消耗。据测算，牵引 供电用电量在城市轨道交通总用电量中所占比例约5 0 。 研究发现，通过在变电所装设一种中压能馈型的列车再 】2 9 万方数据 l 工程建设与设计 l C o m a a c t i o n & 仉。忉F o r P r o j e c = 生制动能量回馈装置( 下文称：中压能馈装置) ，其工作在逆变 状态时，将列车再生制动能量反馈回交流电网再利用，将节约 牵引供电用电量的l O 3 0 ，具有显著的节能效果。 此外，该装置还能为列车提供牵引功率，在一定程度上维 持直流牵引网网压稳定，以及实现对交流中压交流电网的无 功补偿，提高整个系统功率因数。 目前日本东芝、德国西门子等大公司已经有类似产品问 世，但还处于推广应用初期。我国完全自主研发的中压能馈装 置，不仅在功能、性能及技术指标方面处于国际先进水平，而 且已经取得了不错的应用业绩，在我国轨道交通大发展以及 节能减排政策的推动下，具有广阔的应用前景。 2 构成、原理及应用方案 2 1 设备构成及原理 图1 所示为中压能馈装置的主要设备，主要包括：一台能 馈变压器、一个交流低压开关柜( 一个预充电接触器和一个断 路器为一组) 、一台大功率的双向变流器柜。其中，大功率双向 变流器柜是整个中压能馈装置的核心，内含两台双向变流器， 且直流输出可以并联或串联，分别满足7 5 0 V 和l5 0 0 V 两种 供电电压等级的需要。 1 k m 剃L 一、 阴 一晤- * 1 咩 - 、 、 阴 珞广r 、一 虹E 器 川走m般刚党艇嚣R t 图1 中压能馈装置构成 图所示为双向变流器( 又称整流器) 的主电路 图。在交流电网电压以。和交流滤波电感一定的情况下， 通过控制脉宽调制输出电压W W 阢的大小和相位，就可以控 制三相交流电流i 洲。的大小和相位，进而实现对变流器传输 的有功功率和无功功率的控制。 图2 嗍整流器的主电路 图3 为设备运行在整流( 功率因数为1 ) 和逆变( 功率因 1 3 0 数为一1 ) 时相量图。当然，通过对以的大小和相位的控制，也 可以使设备工作在无功补偿状态。 I 。 a 功率因数1b 功率因数一1 图3 功率因数为1 或一1 时相量图 2 2 设备应用方案 图为中压能馈装置的典型应用方案一在既有的2 4 脉 波二极管整流机组的交直流母线上并联接人中压能馈装置。 她啦蛐 趣舀l 辛辱尊拉 。嘶嘶嘶嘶灶 图4 中压能馈装置型应用方案 该应用方案的特点是在实现列车再生制动能量回馈利用 的同时，还可在一定程度上扩大变电所牵引供电容量，并减小 直流网压波动，因此是当前较普遍采用的一种应用方案。中压 能馈装置设备名称及代号见表l 。 表1 设备名称及代号 庄曼名整垡曼 ll 开关柜( 2 3 8 ) 2变压器 3低压开关柜 双向变流器柜N K S 5 直流开关 8 0 6 直流负极隔离开关 8 5 万方数据 3 现场应用效果分析 为了验证设备的运行稳定性和节能效果，中压能馈装置 率先在北京地铁的10 号线( 二期) 开展了示范性应用。 图5 所示为能馈装置1 0 0 负载逆变运行时1 0 k V 侧电 流谐波分布图，表2 为各次谐波电流大小。 图5 馈网电流频谱图 表2 各次谐波电流大小 从图6 和表2 中的数据可以看出，中压能馈装置满载运 行时注入1 0 k V 电网的电流总谐波畸变率T H D I 小于2 ，且 各次谐波含量均未超过国标电能质量公用电网谐波( G B T 1 4 5 4 9 - - - - 9 3 ) 的要求。 图6 所示为中压能馈装置满载运行时1 0 k V 侧电压的频 谱图，表3 所示为各次谐波值。 图6 满载时l O k V 网压频谱图 从图6 和表3 中的数据可以看出，中压能馈装置满载运 行时1 0 k V 母线电压总谐波畸变率0 8 ，电压总谐波畸变率 均满足国标电能质量公用电网谐波( G B T1 4 5 4 9 9 3 ) 小于 4 O 的要求。 图7 所示为北京地铁1 0 号线( 十里河变电所) 中压能馈 装置投入正式运行l o 个月的节能数据。其中，单日最高节电 市政交通水利工程设计I 胁毗自a f 7 礤c W a t e rR e l ”e 凸咖# 咖m J k n l 2 5 0 0 W h ，1 0 个月共累计回馈电能达3 8 75 0 6 W h ，每日平均 回馈电能为13 3 6 k W h 。十里河变电所采用中压能馈装置1 0 个月的平均节能率= 3 8 7 5 0 6 3 0 1 3 0 8 3 x1 0 0 = 1 2 8 6 ，节能效 果非常显著。 表3 满载时1 0 k V 电压各次谐波大小 结语 图7 十里河中压能馈装置节能数据 针对城市轨道交通列车再生制动能量利用问题，介绍了 一种新型的中压能馈装置的构成、工作原理和工程应