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                再生制动能量吸收逆变装置在青岛地铁上的应用

                发布时间:2020-04-14 作者:新风光

                1前言

                目前城市轨道交通直流牵引供电系统采用二极管整流器,电能只能从交流电网向直流牵引网单向流动。当车辆制动时,多余的再〓生制动能量使直流电网电压升高。传统的解决方法是设置电阻制动装置,但这将造成电能的极大浪费并带来温升等其它问题。由于轨道交通车辆起制动频繁,制动能量相当可观,若能加以合理利用必能产生良☉好的经济效益。

                现制动方式主要可以分为两大类:一是机械制动(动能◣转化成热能),机械摩擦制动的缺点是接触面容易磨损;摩擦时产生高温可熔化烧灼踏面;摩擦后产生的粉尘有严重污染的。二是电制动,把动能转化为电能后,再将电能送回电网或变成热能∴消耗掉,现在电制动主要是采用电阻吸收方式,其主要缺点是只能将电能转换为热能消耗掉,造成能源浪费,而且电阻散热会导致温度升高,因此需要增加相应的通风∏装置,即同时增加相应的电能▆消耗。

                电制动的另一种吸▓收方式是电容储能型,将制动能量吸收到大容量电容器组中,当供电区间有列车需要取流时√将所储存的电能释放出去,其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组,且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短。

                电制动第三种方式是飞轮◤储能,其工作原理是在列ㄨ车发生再生制动时,电动机驱动转子旋※转进行能量储存,直至达到允许的最大转速;当列车需求能量█时,电动机切换到发电机工况,释放飞轮中储存的能量直至达到最低工作转速并转变为变电所供电。其缺点☆是寿命容易受到机械部件磨损的影响而大幅度降低,并且其投资与维护费用均较高。
                电制动的第四种■是逆变吸收方式,是将车辆制动时产生能量经过逆变变成工频交流电与车站内电≡网并网,该吸收方式有利于能源的综合再利用,实现了节能,是目前日益重视并大力推广的方式。
                2 新风〗光再生制动能量吸收逆变装置

                轨道交通其牵引供电系统在机车牵引变电所,一般1-2公里就需要设置一个机车牵引变电所,每个机车牵引所都需要配备再生制动能量吸收设备。

                再生制动能量吸收逆变装置(以下简称逆变ω 装置)是新风光为满足轨道交通机车绿色环保运行的市场需求,研制成功的新一代机车制动】再生能量处理设备。该逆变装置属于逆变回馈型。逆变装置根据各个传感器检测信号,综合判断直流电网上是否有列车处于再生电制动状态,一旦确认列车处于再生制♀动状态并需要吸收能◎量时,系统启动吸收过程。逆变装置把机车刹车制动时产生的能量转换成AC400V电压,自动跟踪AC400V母线电压,并向负载供电,将再生能量消耗在用电设备上,或经隔离︾变压器反送至35kV /10kV电网。在直流牵引供电系统中,再生制动能量吸收装置做为一个子系统工程,其作用关乎〗系统的安全。

                该产品相比以往设备,具有动※态响应快,并网电流谐波小(THD小于3%),回馈能量效率高(大于98%),可靠性高。产品经铁道部质量监督检验中心检验,各项技术指◤标均达到设计要求。

                2.1系统组成

                系统组成框图如图1所示,现在大部分城市轨道交通牵引所都是35kV或10kV电网,经过牵引整流变压器,再进行12脉波整流输出直流1500V或750V给⊙机车供电。
                再生制动能量吸收装置是并联█在1500V/750V直流系统中,经过逆变■装置变成交流,经◣隔离变压器输入到电网(35kV/10kV/400V)。



                图1 系统组成框图

                2.2 逆变装置主回路拓扑

                逆变装置主要由输入输出开关、逆变单元、隔离变压器、开关柜等几部分组成,逆变装置框图ㄨ如图2所示。



                图2 逆变装置框图

                (1)输入输出开关
                主要包括㊣输入直流接触器、输出交流接触器等器件。分别用于逆变装置输入、输出的接通⊙与分断。
                (2)逆变单元
                逆变单元的主要作用←是把系统瞬间刹车积聚的能量逆变成与电网电压同步的交流电回送╱至电网。目前地铁牵引供电系统〇电压一般有两个电压等级即直流750V和1500V,逆变主电路采用二极管箝位三电平电路拓扑。主电路拓扑如图3所示。



                图3逆变单元主电路拓扑

                (3)隔离变压器
                  逆变单元→输出交流电压1000V/500V,经隔离变压器接到35kV/10kV/400V电网。
                 (4)开关柜
                  逆变装置输出经隔离变压器后接入35kV/10kV/400V电网。
                2.3技术特点
                (1)领先的控制技术
                控制系统由DSP+FPGA/CPLD+PLC组成。控制系统具备自动化数据采集功能,用于收¤集装置内部状态信号。采用MODBUS数据传输方式与上位机系统接口,并提供所有状态信息。
                (2)主回路采@用三电平拓扑电路结构
                降低了器件耐压等级,利于减小网侧〒电流谐波。
                (3)易于实现容量扩展
                控制系统网侧呈电流源特性,易于多单元并联实现装置容量扩展。
                (4)功率〓因数高♀
                网侧功率因数可调,逆变装置可以做到单位功率因数运行。
                (5)谐波特性好
                网侧电流波形正弦化,电流总谐波(THD)小于3%。
                (6)响应快,效率高
                具有动态响应≡快,能在毫秒内输◥出额定电流,整机效率98%以上。
                (7)保护功能齐全
                逆变装置具有过♀压、欠压、偏压、过流、短路、超温等多种保护功能,当某一逆变单元故障时,整机仍可以降额工作,不影响机车正常运行。
                3现场应用

                青岛某线路牵引供电系统主要分为直流牵引网和交流▲配电网两部分。其接入地铁供电∮系统图如图4所示,主变电所将三相35kV高压交流送至各牵引所,经整流变压器、整流器变成适合轨道车辆应用的1500V直流母线,馈电线再将直流电送到接触网上,接触网㊣是沿车辆走行轨架设的特殊供电线路,轨道车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电能。

                牵引变电所共∮有两台整流器RT1、RT2,两台并联运行。单台是12脉波整流,两台并联组Ψ 成24脉波整流。其额定功率为2400kW,额定输入电压1180V,额定输出电压1500V,额定№输出电流1600A,允许电压波动范围为1000V~1800V。走行轨构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。交流配电网主要是提供站内的照明、通风、排水、电梯】等基础设施。


                图4 地铁供电系统线⊙路图

                在该线某站上安装有新风光的FDBL-JC-2000/1500V的再生制动能量吸收逆变装置,该装置容量╱为2000kW,其中加装的再生制动能量吸收逆变装置使用虚框标出。
                该逆变装置于2016年10月初正式投入运行,至今运行良好。现场测试逆变装置直流母线◆与逆变三相输出电流』波形,如图5所示。



                图5 逆变直流母线与逆变三相输出电流波形

                根据ζ 业主电度表计量的数据,日回馈电能3000度左右,参考工业用电价格1元/度,该站点一天节省运行成本3000元左右,该逆变装置节@ 电效果是非常明显的。同时,对隧道内部的通风、散热需求降⌒低,综合来说,轨道交∏通每1-2公里就有一个站点,如果每个站点□都安装该逆变装置设备,那么地铁运行成本将会大大降低。
                4结束语

                新风光→再生制动能量吸收逆变装置控制车辆电制动时的运行电压,保障了车〓辆的安全运行。逆变装置投运后节电效果显著,符合国家节能减排的大政方针。同时降低了车辆运行隧道内的通风散热需求,提高了相关设备的运行环境质量。“十三五”期间,随着∮轨道交通节能环保、绿▃色化的主题深入人心≡,该逆变装置前景可期。