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再生制動逆變裝置在城市軌道交通的應用

發布時間:2020-04-13 作者:新風光

1概述

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向直流牽引網單向流動。當車輛制動時,多余的再生制動能量使直流電網電壓升高。傳統的解決方法是設置電阻制動裝置,但這將造成電能的極大浪費并帶來溫升等其它問題。由于軌道交通車輛起制動頻繁,制動能量相當可觀,若能加以合理利用必能產生良好的經濟效益。

從較早的在牽引變電所設置再生能量電阻消耗裝置的應用到近幾年電容儲能、飛輪儲能技術、再生電能逆變回饋設備發展,再生制動能量吸收技術在不斷研制和持續改進,在國內外軌道交通線路上得到應用。針對目前使用的四種吸收裝置方案,表1給出了四種吸收裝置的特點:

再生制動逆變裝置(以下簡稱逆變裝置)即為逆變回饋型,其回饋能量將用于400V 負載或反送至35kV 電網。逆變裝置(逆變+電阻)根據各個傳感器檢測信號,綜合判斷直流電網上是否有列車處于再生電制動狀態,一旦確認列車處于再生制動狀態并需要吸收能量時,系統啟動吸收過程。在控制系統中設置二級判斷基準值,當電網電壓升至到第一級判斷電壓時,系統首先投入逆變裝置,逆變裝置把機車剎車制動時產生的能量轉換成AC380V 電壓,自動跟蹤AC380V 母線電壓,并向負載供電,將再生能量消耗在用電設備上;一旦逆變吸收消耗不了該能量,將引起電網電壓進一步上升,當電網電壓升到第二級判斷電壓時,電阻斬波器立即投入工作,電阻吸收裝置將再生制動能量消耗,穩定電壓不再上升,確保機車充分有效利用電制動。在直流牽引供電系統中,再生制動能量吸收裝置做為一個子系統工程,其作用關乎系統的安全。
2 逆變裝置的主回路系統
2.1 重慶某線路牽引供電系統概況

重慶某線路牽引供電系統主要分為直流牽引網和交流配電網兩部分。主變電所將三相35KV高壓交流送至各牽引所,經整流變壓器、整流器變成適合軌道車輛應用的1500V直流母線,饋電線再將直流電送到接觸網上,接觸網是沿車輛走行軌架設的特殊供電線路,軌道車輛通過其受流器與接觸網的直接接觸而獲得電能。

牽引變電所一般設兩臺牽引整流機組。目前采用兩臺整流機組并聯運行構成等效24脈波整流方式。其容量按遠期運量設計,根據國標GB/T 10411-2005《城市軌道交通直流牽引供電系統》規定,牽引整流機組的負載能力應滿足:100%額定輸出連續;150%額定輸出2h;300%額定輸出lmin。允許電壓波動范圍為1000V~1800V。走行軌構成牽引供電回路的一部分。回流線將軌道回流引向牽引變電所。
交流配電網主要是提供站內的照明、通風、排水、電梯等基礎設施。
2.2 逆變裝置主回路拓撲

逆變裝置的主回路拓撲分四部分,直流接觸器部件、逆變單元、輸出電抗器、交流接觸器部件如圖2所示;

2.3 功率單元拓撲
逆變裝置的單元內部采用三電平結構電路,單元主電路如圖3所示。

3 逆變裝置原理及功能
3.1工作原理
逆變裝置在收到“啟動”給定信號后,經過控制回路動作直流接觸器、交流接觸器,并送出啟動完畢確認信號。總控裝置檢測到啟動完畢確認信號后,根據此時母線電壓的高低給出高電平“開機”信號,進行能量回饋;低電平使逆變設備瞬間關斷,處于能量回饋等待狀態。逆變設備工作過程中,時刻接收并及時回復設備內接觸器、各個單元的工作狀態信號。圖4為裝置的控制原理框圖。

3.2主要功能
(1)逆變裝置主要是根據母線電壓變化實現自動并網、逆變吸收及逆變電流調節等功能。
(2)逆變裝置設置過壓、過流、超溫、短路保護功能,當某一逆變單元故障時,整機仍可以降額運行,不影響整機正常工作,同時把整機的工作狀態傳給上位機,等候其控制指令。
(3)自動化數據采集功能,微機控制系統由PLC控制系統和16位DSP系統構成。實時采集直流、交流電網數據,根據直流母線電壓的變化自動調節逆變單元的輸出電流大小,逆變為與電網電壓同頻、同相的交流電送回電網。
(4) 微機控制系統采用標準的數據通信口接入變電所綜合自動化系統。物理接口采用RS485接口,波特率19.2kbps,通信協議采用目前國際上通用的MODBUS-RTU,具有良好的通用性和開放性。
4 運行效益分析
根據業主電度表計量的數據,重慶某線路逆變裝置節電效果明顯。具體數據如表2;

根據運行數據分析,一個地鐵站點安裝的逆變裝置日均回饋電能約1000余度,參考工業用電價格1元/度,一天節省運行成本1000余元,年節約成本36萬余元。同時,對隧道內部的通風、散熱需求降低,若無逆變裝置此部分能量又要考慮被損耗掉,運行成本也要相應增加。故設備運行經濟效益顯著。
5 結束語

軌道交通有著運量大、速度快、安全可靠、準點舒適的技術優勢正逐步成為主要城市的交通工具,城市軌道交通自身所具有的社會屬性和經濟屬性,使之成為城市交通運輸發展戰略的重點,同時也被視為城市交通體系的骨干力量。同時國家開始注重產品國產化,在國家設備國產化政策的引導下,一批軌道交通設備的生產企業和科研院所逐步壯大,推進了產品國產化進程。