蘇霄+矯世楠

摘 要： 城市軌道交通作為國(guó)內(nèi)新興交通方式，越來(lái)越多的城市建立起了軌道交通系統(tǒng)，然而能源的節(jié)約成為了我們研究的主要方向之一。本文介紹了一種新型城市軌道交通能量逆變回饋裝置，并通過(guò)實(shí)際的仿真測(cè)試進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果表明，該逆變裝置具有良好的制動(dòng)能量回饋性能，如果合理分配安裝該裝置可以達(dá)到能源的節(jié)約，同時(shí)降低了經(jīng)濟(jì)成本。

關(guān)鍵詞：逆變回饋 仿真測(cè)試 城市軌道 節(jié)能

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）02-0308-02

引言

城市軌道交通車輛（地鐵、輕軌等）從中、高速牽引運(yùn)行切換至制動(dòng)過(guò)程時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子磁場(chǎng)給定的“同步轉(zhuǎn)速”，產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向，吸取機(jī)械功率，輸出電功率，此時(shí)變頻器控制勵(lì)磁的給定頻率、反并聯(lián)的續(xù)流管為定子電流提供回路，整流后回饋至觸線網(wǎng)，造成直流母線電壓升高。為穩(wěn)定其母線電壓，目前的方案包括制動(dòng)電阻、電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能及逆變回饋等。其中逆變回饋裝置可將能量回饋電網(wǎng)，節(jié)能效果好，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資小，得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。

一、逆變回饋裝置的簡(jiǎn)介

1.逆變回饋裝置的基本原理

裝置通過(guò)將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上產(chǎn)生的位能、機(jī)械能等通過(guò)能量回饋裝置變換成電能，并通過(guò)回饋裝置有效并網(wǎng)，將電能回饋到交流網(wǎng)中，可供負(fù)載再次使用或供其他用電設(shè)備使用，使負(fù)載本身在單位時(shí)間能耗能的降低，從而達(dá)到節(jié)約電能效果。

2.逆變回饋裝置的優(yōu)勢(shì)

采用再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置的優(yōu)勢(shì)在于：

2.1 牽引變電所吸收，可適度提高制動(dòng)轉(zhuǎn)換電壓，增強(qiáng)再生功能；

2.2 將制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)，降低隧道溫升，減輕送風(fēng)、排風(fēng)、站臺(tái)空調(diào)、車載空調(diào)的負(fù)荷；

2.3 免除車載制動(dòng)電阻及其散熱風(fēng)機(jī)的輔助能耗；

2.4 回饋節(jié)能；

2.5 以高再生率弱化機(jī)械磨擦制動(dòng)，延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命等。

3.逆變回饋裝置的組成

裝置主要由隔離開關(guān)柜、逆變柜和隔離變壓器柜組成，其主要功能為：能在列車制動(dòng)時(shí)將多余的再生制動(dòng)能量反饋回中壓電網(wǎng)。

隔離開關(guān)柜內(nèi)的主要器件有隔離開關(guān)、直流接觸器、預(yù)充電接觸器、放電接觸器、預(yù)充電電阻、放電電阻等，其主要功能是用于連接直流電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整套裝置上電時(shí)主回路的預(yù)充電和斷電時(shí)主回路的放電，配備有隔離開關(guān)，可以用于設(shè)備在檢修和維護(hù)時(shí)脫開直流電網(wǎng)，確保設(shè)備和人身安全。

逆變柜內(nèi)的主要器件有直流濾波電容、逆變功率單元、濾波電抗器、電流互感器、電壓互感器、同步變壓器、交流接觸器等，其主要功能是將列車產(chǎn)生的制動(dòng)能量逆變成交流電反饋給交流電網(wǎng)供其他設(shè)備使用。

隔離變壓器柜的主要器件有隔離變壓器、溫控器等，其主要功能是根據(jù)不同的交流電網(wǎng)配備不同電壓等級(jí)的變壓器，與并網(wǎng)的電壓等級(jí)相匹配，具有溫度顯示和報(bào)警功能。

4.可靠性與可維護(hù)性

4.1可靠性

設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)采用高可靠性措施。這些措施通過(guò)利用如下的技術(shù)以降低系統(tǒng)故障概率和有關(guān)影響正常運(yùn)行的隨機(jī)性：

4.1.1采用冗余措施，采用多單元并聯(lián)的方式，其中一個(gè)單元出現(xiàn)故障后，整機(jī)會(huì)自動(dòng)封鎖對(duì)應(yīng)單元的輸出信號(hào)，不影響其余單元的正常運(yùn)行。

4.1.2使用已證明具有高可靠性的元器件和零部件，整個(gè)裝置均選用高可靠性的元器件和零部件，裝置上選用的元器件和零部件都經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用的考驗(yàn)。

4.1.3電磁輻射及兼容。

對(duì)于電子設(shè)備充分考慮防電磁干擾措施。任何子系統(tǒng)的運(yùn)行都不應(yīng)受其它子系統(tǒng)產(chǎn)生之電磁輻射的影響，或受到跟據(jù)經(jīng)驗(yàn)所知的城市電磁環(huán)境及地鐵環(huán)境的影響。

4.1.4預(yù)防蟲害，所提供設(shè)備，都采用適當(dāng)?shù)拇胧┮灶A(yù)防蟲害。

4.2可維護(hù)性

4.2.1設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)成只需最少的調(diào)整和預(yù)防性維護(hù)，以及運(yùn)行維護(hù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括故障隔離及診斷措施，以減少設(shè)備修復(fù)時(shí)間、維護(hù)材料和人工成本。

4.2.2通過(guò)制定合理的維修/更換策略、在線維修措施及維修支持設(shè)備的最佳運(yùn)用來(lái)減少停機(jī)時(shí)間。

4.2.3整個(gè)裝置維修到板級(jí)。

二、仿真測(cè)試

本次仿真測(cè)試以大連地鐵1號(hào)線為例，通過(guò)仿真測(cè)試結(jié)果來(lái)探討逆變回饋裝置的在地鐵中應(yīng)用的可行性。

1.大連地鐵一號(hào)線概況

大連地鐵1號(hào)線經(jīng)由姚家至河口站，全線長(zhǎng)約26.623km共22站。共設(shè)牽引降壓混合變電所9座，分別位于華北路、中華廣場(chǎng)、松江路、春光街、興工街、功成街、醫(yī)大二院、海事大學(xué)、河口停車場(chǎng)；設(shè)獨(dú)立牽引變電所1座，位于河口站；設(shè)降壓變電所11座，分別位于姚家、泉水路、千山路、東緯路、香工街、沙河口火車站、會(huì)展中心、星海廣場(chǎng)、黑石礁、學(xué)苑廣場(chǎng)、高新園區(qū)，設(shè)跟隨式降壓變電所7座，其中正線4座，南關(guān)嶺車輛段3座。

2.仿真測(cè)試條件設(shè)置

2.1行車參數(shù)設(shè)置

大連地鐵1號(hào)線的行車計(jì)劃為雙線，右側(cè)行車，采用受電弓的受流方式。所采用的車型為B2型車，初、近、遠(yuǎn)期均為6輛編組，4M2T，列車最大運(yùn)行速度為120km/h，基本阻力。運(yùn)行模式采用目標(biāo)速度為50 km/h的模式。

2.2供電仿真條件設(shè)置

供電仿真主要是對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的仿真，主要設(shè)置的參數(shù)包括發(fā)車對(duì)數(shù)計(jì)劃、牽引所布點(diǎn)方案和供電系統(tǒng)參數(shù)。本次針對(duì)近期和遠(yuǎn)期情況進(jìn)行逆變回饋裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的供電仿真計(jì)算。結(jié)合逆變回饋裝置的啟動(dòng)電壓在1690V-1750V之間可調(diào)，經(jīng)之前所做諸多案列分析，在全所安裝逆變回饋裝置的前提下，大連地鐵1號(hào)線逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓設(shè)置為1730V較為合理。

3.仿真測(cè)試結(jié)果分析

3.1根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓為1730V時(shí)，大連地鐵1號(hào)線近期全線安裝逆變回饋裝置的日反饋能量為8401.35kWh，節(jié)能率為8.92%。按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.75元/度電，全日節(jié)省電費(fèi)6301.01元，按一年365天計(jì)算，全年節(jié)能電費(fèi)2299869.56元，約230萬(wàn)元。

3.2根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓為1730V時(shí)，大連地鐵1號(hào)線遠(yuǎn)期全線安裝逆變回饋裝置的日反饋能量為3097.07kWh，節(jié)能率為1.47%。按照收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.75元/度電，全日節(jié)省電費(fèi)2322.80元，按一年365天計(jì)算，全年節(jié)能電費(fèi)847822.91元，約85萬(wàn)元。

3.3當(dāng)僅對(duì)部分牽引所試點(diǎn)安裝逆變回饋裝置時(shí)，假設(shè)每套逆變回饋裝置200萬(wàn)元，若一牽引所每日反饋能量小于900kWh，當(dāng)時(shí)該所逆變回饋裝置的投資回報(bào)周期約8年，可以不該所安裝逆變回饋裝置；對(duì)于連續(xù)多個(gè)牽引所日反饋能量低于900kWh的情況，可以每隔2到3個(gè)所安裝逆變裝置，據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估計(jì)一逆變回饋裝置可吸收相鄰牽引所區(qū)間回饋能量的60%左右，節(jié)能效果將更好。

三、結(jié)語(yǔ)

在軌道交通系統(tǒng)中，對(duì)于節(jié)能減排要求越來(lái)越高，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種技術(shù)手段也不斷增加，逆變回饋技術(shù)作為新興技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入了各節(jié)能系統(tǒng)當(dāng)中。通過(guò)一系列的實(shí)踐及仿真測(cè)試可以看出逆變回饋裝置有著很好的節(jié)能作用，如果通過(guò)仿真計(jì)算，合理的安裝裝置，節(jié)能效果會(huì)更好、更經(jīng)濟(jì)，有效的將低了地鐵的運(yùn)營(yíng)成本。

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