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再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置在青島地鐵上的應用

發(fā)布時(shí)間:2020-04-14 作者:新風(fēng)光

1前言

目前城市軌道交通直流牽引供電系統采用二極管整流器,電能只能從交流電網(wǎng)向直流牽引網(wǎng)單向流動(dòng)。當車(chē)輛制動(dòng)時(shí),多余的再生制動(dòng)能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統的解決方法是設置電阻制動(dòng)裝置,但這將造成電能的極大浪費并帶來(lái)溫升等其它問(wèn)題。由于軌道交通車(chē)輛起制動(dòng)頻繁,制動(dòng)能量相當可觀(guān),若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

現制動(dòng)方式主要可以分為兩大類(lèi):一是機械制動(dòng)(動(dòng)能轉化成熱能),機械摩擦制動(dòng)的缺點(diǎn)是接觸面容易磨損;摩擦時(shí)產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面;摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴重污染的。二是電制動(dòng),把動(dòng)能轉化為電能后,再將電能送回電網(wǎng)或變成熱能消耗掉,現在電制動(dòng)主要是采用電阻吸收方式,其主要缺點(diǎn)是只能將電能轉換為熱能消耗掉,造成能源浪費,而且電阻散熱會(huì )導致溫度升高,因此需要增加相應的通風(fēng)裝置,即同時(shí)增加相應的電能消耗。

電制動(dòng)的另一種吸收方式是電容儲能型,將制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中,當供電區間有列車(chē)需要取流時(shí)將所儲存的電能釋放出去,其主要缺點(diǎn)是要設置體積龐大的電容器組,且電容因頻繁處于充放電狀態(tài)而導致使用壽命短。

電制動(dòng)第三種方式是飛輪儲能,其工作原理是在列車(chē)發(fā)生再生制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機驅動(dòng)轉子旋轉進(jìn)行能量?jì)Υ妫敝吝_到允許的最大轉速;當列車(chē)需求能量時(shí),電動(dòng)機切換到發(fā)電機工況,釋放飛輪中儲存的能量直至達到最低工作轉速并轉變?yōu)樽冸娝╇姟F淙秉c(diǎn)是壽命容易受到機械部件磨損的影響而大幅度降低,并且其投資與維護費用均較高。
電制動(dòng)的第四種是逆變吸收方式,是將車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過(guò)逆變變成工頻交流電與車(chē)站內電網(wǎng)并網(wǎng),該吸收方式有利于能源的綜合再利用,實(shí)現了節能,是目前日益重視并大力推廣的方式。
2 新風(fēng)光再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置

軌道交通其牽引供電系統在機車(chē)牽引變電所,一般1-2公里就需要設置一個(gè)機車(chē)牽引變電所,每個(gè)機車(chē)牽引所都需要配備再生制動(dòng)能量吸收設備。

再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)逆變裝置)是新風(fēng)光為滿(mǎn)足軌道交通機車(chē)綠色環(huán)保運行的市場(chǎng)需求,研制成功的新一代機車(chē)制動(dòng)再生能量處理設備。該逆變裝置屬于逆變回饋型。逆變裝置根據各個(gè)傳感器檢測信號,綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車(chē)處于再生電制動(dòng)狀態(tài),一旦確認列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí),系統啟動(dòng)吸收過(guò)程。逆變裝置把機車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉換成AC400V電壓,自動(dòng)跟蹤AC400V母線(xiàn)電壓,并向負載供電,將再生能量消耗在用電設備上,或經(jīng)隔離變壓器反送至35kV /10kV電網(wǎng)。在直流牽引供電系統中,再生制動(dòng)能量吸收裝置做為一個(gè)子系統工程,其作用關(guān)乎系統的安全。

該產(chǎn)品相比以往設備,具有動(dòng)態(tài)響應快,并網(wǎng)電流諧波小(THD小于3%),回饋能量效率高(大于98%),可靠性高。產(chǎn)品經(jīng)鐵道部質(zhì)量監督檢驗中心檢驗,各項技術(shù)指標均達到設計要求。

2.1系統組成

系統組成框圖如圖1所示,現在大部分城市軌道交通牽引所都是35kV或10kV電網(wǎng),經(jīng)過(guò)牽引整流變壓器,再進(jìn)行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機車(chē)供電。
再生制動(dòng)能量吸收裝置是并聯(lián)在1500V/750V直流系統中,經(jīng)過(guò)逆變裝置變成交流,經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35kV/10kV/400V)。



圖1 系統組成框圖

2.2 逆變裝置主回路拓撲

逆變裝置主要由輸入輸出開(kāi)關(guān)、逆變單元、隔離變壓器、開(kāi)關(guān)柜等幾部分組成,逆變裝置框圖如圖2所示。



圖2 逆變裝置框圖

(1)輸入輸出開(kāi)關(guān)
主要包括輸入直流接觸器、輸出交流接觸器等器件。分別用于逆變裝置輸入、輸出的接通與分斷。
(2)逆變單元
逆變單元的主要作用是把系統瞬間剎車(chē)積聚的能量逆變成與電網(wǎng)電壓同步的交流電回送至電網(wǎng)。目前地鐵牽引供電系統電壓一般有兩個(gè)電壓等級即直流750V和1500V,逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓撲。主電路拓撲如圖3所示。



圖3逆變單元主電路拓撲

(3)隔離變壓器
  逆變單元輸出交流電壓1000V/500V,經(jīng)隔離變壓器接到35kV/10kV/400V電網(wǎng)。
 (4)開(kāi)關(guān)柜
  逆變裝置輸出經(jīng)隔離變壓器后接入35kV/10kV/400V電網(wǎng)。
2.3技術(shù)特點(diǎn)
(1)領(lǐng)先的控制技術(shù)
控制系統由DSP+FPGA/CPLD+PLC組成。控制系統具備自動(dòng)化數據采集功能,用于收集裝置內部狀態(tài)信號。采用MODBUS數據傳輸方式與上位機系統接口,并提供所有狀態(tài)信息。
(2)主回路采用三電平拓撲電路結構
降低了器件耐壓等級,利于減小網(wǎng)側電流諧波。
(3)易于實(shí)現容量擴展
控制系統網(wǎng)側呈電流源特性,易于多單元并聯(lián)實(shí)現裝置容量擴展。
(4)功率因數高
網(wǎng)側功率因數可調,逆變裝置可以做到單位功率因數運行。
(5)諧波特性好
網(wǎng)側電流波形正弦化,電流總諧波(THD)小于3%。
(6)響應快,效率高
具有動(dòng)態(tài)響應快,能在毫秒內輸出額定電流,整機效率98%以上。
(7)保護功能齊全
逆變裝置具有過(guò)壓、欠壓、偏壓、過(guò)流、短路、超溫等多種保護功能,當某一逆變單元故障時(shí),整機仍可以降額工作,不影響機車(chē)正常運行。
3現場(chǎng)應用

青島某線(xiàn)路牽引供電系統主要分為直流牽引網(wǎng)和交流配電網(wǎng)兩部分。其接入地鐵供電系統圖如圖4所示,主變電所將三相35kV高壓交流送至各牽引所,經(jīng)整流變壓器、整流器變成適合軌道車(chē)輛應用的1500V直流母線(xiàn),饋電線(xiàn)再將直流電送到接觸網(wǎng)上,接觸網(wǎng)是沿車(chē)輛走行軌架設的特殊供電線(xiàn)路,軌道車(chē)輛通過(guò)其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電能。

牽引變電所共有兩臺整流器RT1、RT2,兩臺并聯(lián)運行。單臺是12脈波整流,兩臺并聯(lián)組成24脈波整流。其額定功率為2400kW,額定輸入電壓1180V,額定輸出電壓1500V,額定輸出電流1600A,允許電壓波動(dòng)范圍為1000V~1800V。走行軌構成牽引供電回路的一部分。回流線(xiàn)將軌道回流引向牽引變電所。交流配電網(wǎng)主要是提供站內的照明、通風(fēng)、排水、電梯等基礎設施。


圖4 地鐵供電系統線(xiàn)路圖

在該線(xiàn)某站上安裝有新風(fēng)光的FDBL-JC-2000/1500V的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置,該裝置容量為2000kW,其中加裝的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置使用虛框標出。
該逆變裝置于2016年10月初正式投入運行,至今運行良好。現場(chǎng)測試逆變裝置直流母線(xiàn)與逆變三相輸出電流波形,如圖5所示。



圖5 逆變直流母線(xiàn)與逆變三相輸出電流波形

根據業(yè)主電度表計量的數據,日回饋電能3000度左右,參考工業(yè)用電價(jià)格1元/度,該站點(diǎn)一天節省運行成本3000元左右,該逆變裝置節電效果是非常明顯的。同時(shí),對隧道內部的通風(fēng)、散熱需求降低,綜合來(lái)說(shuō),軌道交通每1-2公里就有一個(gè)站點(diǎn),如果每個(gè)站點(diǎn)都安裝該逆變裝置設備,那么地鐵運行成本將會(huì )大大降低。
4結束語(yǔ)

新風(fēng)光再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置控制車(chē)輛電制動(dòng)時(shí)的運行電壓,保障了車(chē)輛的安全運行。逆變裝置投運后節電效果顯著(zhù),符合國家節能減排的大政方針。同時(shí)降低了車(chē)輛運行隧道內的通風(fēng)散熱需求,提高了相關(guān)設備的運行環(huán)境質(zhì)量。“十三五”期間,隨著(zhù)軌道交通節能環(huán)保、綠色化的主題深入人心,該逆變裝置前景可期。

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