劉 斌

（中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250）

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城市軌道交通供電系統(tǒng)中壓能饋裝置應(yīng)用分析

劉 斌

（中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250）

城市軌道交通供電系統(tǒng)中車(chē)輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能利用問(wèn)題已引起廣泛關(guān)注與重視。為了降低隧道洞體和車(chē)站內(nèi)溫度并對(duì)能量進(jìn)行回收利用以達(dá)到節(jié)能的目的，在變電所內(nèi)設(shè)置再生電能利用裝置已成為各方的共識(shí)。但目前幾種再生電能利用技術(shù)均存在一定的局限性，筆者對(duì)各種再生電能利用技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比后，認(rèn)為在城市軌道交通供電系統(tǒng)中使用中壓能饋裝置具有明顯優(yōu)勢(shì)。

軌道交通；再生電能利用；中壓能饋

在城市軌道交通工程中，直-交變壓變頻的傳動(dòng)方式已經(jīng)普遍采用。車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，由于站間距一般較短，列車(chē)起制動(dòng)頻繁，因此要求起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度大，制動(dòng)平穩(wěn)并具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能。從能量相互轉(zhuǎn)換的角度看，制動(dòng)能量是相當(dāng)可觀的［1］。

傳統(tǒng)的車(chē)載電阻雖然可以將列車(chē)再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能消耗掉，但帶來(lái)隧道洞體和站臺(tái)溫度上升，增加環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成能源浪費(fèi)，同時(shí)在地鐵隧道的封閉系統(tǒng)里存在粉塵污染及車(chē)輛自重大等問(wèn)題，這與節(jié)能環(huán)保的主題相悖［2］。因此，再生電能利用技術(shù)的研究已引起廣泛關(guān)注與重視。同時(shí)，研究再生電能利用裝置具有重要意義，符合國(guó)家節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策。

1 城市軌道交通供電系統(tǒng)介紹

城市軌道交通供電一般是采用10kV或35kV交流電供電，通過(guò)整流變壓器、二十四脈波整流器組成的整流機(jī)組把三相交流電整流為 1500V或者750V的直流電，并通過(guò)接觸網(wǎng)或者接觸軌為軌道交通車(chē)輛提供電能。城市軌道交通供電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：

外部電源，通常為城市電網(wǎng)提供的 10kV或35kV交流電；中壓環(huán)網(wǎng)，軌道交通內(nèi)部10kV或35kV供電網(wǎng)絡(luò)，通常采用雙環(huán)網(wǎng)，牽引動(dòng)力照明混合供電網(wǎng)絡(luò)。

牽引供電系統(tǒng)，通常為1500V或750V直流電，可采用接觸網(wǎng)或接觸軌為機(jī)車(chē)供電；通過(guò)鋼軌回流。

以北京某地鐵線為例，供電系統(tǒng)采用 10kV分散供電方式，10kV環(huán)網(wǎng)采用雙環(huán)網(wǎng)，牽引動(dòng)力照明混合供電網(wǎng)絡(luò)，DC 1500V接觸網(wǎng)供電。地鐵牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　地鐵牽引供電系統(tǒng)示意圖

其中，牽引供電系統(tǒng)主要由整流機(jī)組、直流正負(fù)極開(kāi)關(guān)設(shè)備、饋線、接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)、接觸網(wǎng)、鋼軌、回流電纜、均流電纜和鋼軌電位限制裝置等組成。每座牽引變電所設(shè)兩套整流機(jī)組（整流變壓器－整流器單元），牽引降壓混合變電所10kV側(cè)采用單母線分段接線，兩套整流機(jī)組并聯(lián)接在同一段10kV母線上，牽引變電所DC 1500V側(cè)母線采用單母線加備用母線接線方式，正線每座牽引變電所饋出4回DC 1500V電源向左、右線接觸網(wǎng)的左右臂供電，牽引變電所出口設(shè)越區(qū)供電隔離開(kāi)關(guān)。

再生電能利用裝置均接入DC 1500V母線，當(dāng)車(chē)輛再生制動(dòng)產(chǎn)生電能時(shí)，通過(guò)DC 1500V母線把電能傳送給再生電能利用裝置。

2 相關(guān)技術(shù)對(duì)比

2.1再生電能利用技術(shù)方案比較

目前再生電能利用裝置主要有以下幾種技術(shù)方向：電阻消耗型；電容儲(chǔ)能型；飛輪儲(chǔ)能型；逆變回饋型。

表1　再生電能利用裝置技術(shù)比較

綜合以上分析，電阻消耗型裝置并不能真正實(shí)現(xiàn)電能的再利用，僅僅是便于熱能的集中處理。雖然在北京、天津、重慶等城市均有應(yīng)用，但電阻裝置的發(fā)熱量高，通常需要設(shè)置在地面風(fēng)亭附近，而電阻裝置的噪聲非常大，目前已有多處居民反映電阻室噪音擾民現(xiàn)象。因此電阻消耗型裝置目前在新建線路中已基本不再采用。

電容儲(chǔ)能是以超級(jí)電容為儲(chǔ)能介質(zhì)的牽引電能儲(chǔ)能裝置，既可節(jié)能、又可起到穩(wěn)壓的作用，目前在歐洲部分城市的軌道交通中有采用，維護(hù)工作量少，但投資相對(duì)較高。北京地鐵5號(hào)線采用了4套西門(mén)子的電容儲(chǔ)能裝置，但由于設(shè)備故障率高、售后服務(wù)不到位等原因，目前并沒(méi)有投入使用。目前國(guó)內(nèi)已有多家供貨商完成了電容儲(chǔ)能裝置的樣機(jī)研制，并在車(chē)輛段的試車(chē)線開(kāi)展了掛網(wǎng)試驗(yàn)，正在尋求地鐵正線牽引變電所的掛網(wǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)目前在紐約地鐵、香港城巴、巴黎地鐵等軌道交通的部分變電所和歐美一些電力公司有應(yīng)用，具有占地面積較小，擴(kuò)展方便，且維護(hù)工作量不大的優(yōu)點(diǎn)，但核心技術(shù)難以掌握，投資非常高，約為100萬(wàn)美元/MW。2014年掌握飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的美國(guó)Kentic Traction公司已被國(guó)內(nèi)某公司收購(gòu)，飛輪儲(chǔ)能裝置也正在國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中。若飛輪儲(chǔ)能裝置的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程順利，該設(shè)備成本有望大幅降低。

飛輪儲(chǔ)能型和電容儲(chǔ)能型裝置目前尚未在地鐵正線變電所有成功的應(yīng)用業(yè)績(jī)，主要有兩個(gè)原因：①儲(chǔ)能設(shè)備投資相對(duì)較高；②進(jìn)口設(shè)備技術(shù)服務(wù)不到位；且電容及飛輪儲(chǔ)能裝置國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程相對(duì)滯后。

逆變回饋方案又分為低壓能饋型（逆變方式是將電能反饋至動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò) 400V系統(tǒng)）和中壓能饋型（逆變方式是將電能反饋至10kV或35kV中壓環(huán)網(wǎng)）。

逆變回饋型技術(shù)在日本、新加坡均有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)部分多家企業(yè)和高校均在進(jìn)行技術(shù)方案改進(jìn)的工程化研制，并取得了一定的成果。北京地鐵9號(hào)線完成低壓逆變+電阻型再生電能利用裝置科研。2013年，北京10號(hào)線二期和14號(hào)線西段分別選取了2座正線牽引變電所對(duì)中壓能饋裝置進(jìn)行了掛網(wǎng)試運(yùn)行。自兩條線路開(kāi)通以來(lái)，設(shè)備工作穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。截至目前，14號(hào)線中、東段已全線采用了中壓能饋型再生裝置。由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有多家供貨商可以提供逆變回饋型再生電能利用裝置并具有一定的研發(fā)、制造、生產(chǎn)、配套服務(wù)實(shí)力，因此，若軌道交通采用逆變回饋型再生電能利用裝置，技術(shù)服務(wù)可以得到有效的保證。

綜合比較，逆變回饋型再生電能利用方案更適合中國(guó)國(guó)情，對(duì)逆變回饋型技術(shù)在軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)和分析測(cè)試數(shù)據(jù)，研究和完善技術(shù)方案，對(duì)今后的推廣可以提供有效的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2.2逆變回饋型技術(shù)方案比較

不論是低壓能饋型還是中壓能饋型，逆變回饋型設(shè)備均以 IGBT作為核心元器件，技術(shù)原理是類(lèi)似的，而 IGBT的耐受電流也成為制約逆變回饋型設(shè)備容量的最主要的因素。

1）容量比較

低壓能饋型設(shè)備由于反饋電能至 400V系統(tǒng)，而 IGBT能夠通過(guò)的電流是有限制的，因此容量難以做大，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研情況，目前單套設(shè)備容量可達(dá)1.2MW。

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)模擬，一列8節(jié)編組，6動(dòng)2拖的 A行車(chē)在正常制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)功率約為8MW，而在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中（按20s考慮）的功率也在4MW左右。

因此若采用低壓能饋型設(shè)備，則不僅需要設(shè)置逆變型設(shè)備，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加電阻消耗型設(shè)備以消耗掉不能被逆變?cè)O(shè)備利用的電能。而中壓能饋型設(shè)備的容量相對(duì)于低壓能饋型設(shè)備具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前中壓能饋裝置的容量可以達(dá)到4MW的水平。

2）對(duì)軌道交通設(shè)備影響分析

由于列車(chē)制動(dòng)屬于重復(fù)性沖擊負(fù)載，能量回饋到400V電網(wǎng)很可能會(huì)導(dǎo)致400V電網(wǎng)網(wǎng)壓存在較大波動(dòng)，進(jìn)而影響400V電網(wǎng)上設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

相比之下，中壓環(huán)網(wǎng)的10kV或35kV系統(tǒng)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 400V系統(tǒng)，因此中壓能饋裝置相對(duì)于低壓能饋裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。

3 中壓能饋裝置

3.1中壓能饋裝置系統(tǒng)構(gòu)成

中壓能饋裝置主要由隔離變壓器、逆變器、電抗器、隔離開(kāi)關(guān)組成。

中壓能饋裝置的變壓器是特殊定制的變壓器，為逆變器提供特定相角的交流電壓。

逆變器為中壓能饋裝置的核心部分，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)電能的回饋。逆變器主要由電力電子功率模塊、控制單元、濾波器等組成［3］。

3.2中壓能饋裝置基本功能

中壓能饋裝置主要具有以下功能：

1）回饋再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2）具有穩(wěn)定直流電壓的功能，可以減小直流紋波，提高供電質(zhì)量。

3）具有一定的無(wú)功補(bǔ)償功能。

3.3中壓能饋裝置基本工作原理

中壓能饋裝置的核心部分即逆變器，又可以稱(chēng)作PWM變流器，作為基于PWM脈寬調(diào)制的功率變換裝置，逆變器可以在電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)電感固定的情況下，通過(guò)調(diào)整逆變器電壓的相角和大小來(lái)控制流過(guò)逆變器電流的相角和大小?；竟ぷ髟砣鐖D2所示。

在電網(wǎng)電壓ea和交流電感L一定的情況下，通過(guò)控制Ua的大小和相位，就可以控制電流ia的大小和相位，進(jìn)而控制變流器傳輸功率及功率因數(shù)。

圖2　PWM變流器基本工作原理圖

通過(guò)對(duì)Ua的大小和相位的控制，可以使逆變器工作在整流或者逆變的狀態(tài)，也可以控制逆變器發(fā)出容性或者感性無(wú)功。因此，將該設(shè)備接入供電系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)上面提到的中壓能饋裝置的基本功能。

4 供電系統(tǒng)接入

中壓能饋裝置接入軌道交通供電系統(tǒng)的主接線方案如圖3所示。

圖3　主接線方案

由圖3可見(jiàn)，中壓能饋裝置中壓側(cè)通過(guò)斷路器接于中壓母線上；直流正極通過(guò)直流斷路器接至1500V 正母線上；負(fù)極通過(guò)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)接與1500V負(fù)母線上。

目前，中壓能饋裝置已在北京14號(hào)線中、東段推廣采用，其中東段已于2014年底開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，驗(yàn)證了中壓能饋裝置在軌道交通供電系統(tǒng)中的各項(xiàng)基本功能。

經(jīng)測(cè)試，中壓能饋裝置反饋至中壓環(huán)網(wǎng)的電能符合國(guó)家電能質(zhì)量GB/T 12325—2008、GB/T 12326 —2008及GB/T 14549—1993等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上的分析和論述，可以看出中壓能饋裝置在軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）與電阻消耗型和儲(chǔ)能型設(shè)備相比，其能量直接回饋到電網(wǎng)的特點(diǎn)，既不要配置儲(chǔ)能元件，也不要吸收電阻，因此對(duì)環(huán)境溫度影響小。

2）與低壓能饋裝置相比，其設(shè)備容量較大，基本可以滿足軌道交通供電系統(tǒng)需求；且其系統(tǒng)穩(wěn)定性更好，對(duì) 400V系統(tǒng)網(wǎng)壓影響較小，更有利于軌道交通低壓設(shè)備的安全運(yùn)行。

綜上所述，在飛輪儲(chǔ)能和電容儲(chǔ)能裝置價(jià)格未能大幅降低的時(shí)代背景下，中壓能饋裝置在軌道交通供電系統(tǒng)以其價(jià)格低廉、設(shè)備成熟、大功率的特點(diǎn)，將會(huì)在城市軌道交通中發(fā)揮重要作用。它的應(yīng)用能夠節(jié)約能源，降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保證地鐵車(chē)輛及變電所設(shè)備的安全運(yùn)行，因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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劉斌（1986-），男，河北衡水人，碩士研究生，工程師，主要從事城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。