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再生制動能量吸收逆變系統設計及應用

發布時間:2020-04-14 作者:新風光

城市的交通擁擠問題在國內大、中型城市日益嚴重,已經成為影響城市經濟發展的重要制約因素之一。由于城市軌道交通的眾多優點,具有運量大、速度快、時間準、能耗低、污染少和安全舒適等特點,因此城市軌道交通方式無疑是解決城市交通擁擠問題的一種有效手段。城市軌道交通主要包括地鐵、輕軌、磁懸浮和有軌電車等運輸方式,越來越多的城市投入到發展城市軌道交通的熱潮中。
1 應用背景

由于城市交通其運行特點的特殊性就是運行速度快,啟動、制動頻繁,且制動時會產生大量的能量。
現制動方式主要可以分為兩大類:一是機械制動(動能轉化成熱能),機械摩擦制動的缺點是接觸面容易磨損;摩擦時產生高溫可熔化燒灼踏面;摩擦后產生的粉塵有嚴重污染的。二是電制動,把動能轉化為電能后,再將電能送回電網或變成熱能消耗掉,現在電制動主要是采用電阻吸收方式,其主要缺點是只能將電能轉換為熱能消耗掉,造成能源浪費,而且電阻散熱會導致溫度升高,因此需要增加相應的通風裝置,即同時增加相應的電能消耗

電制動的另一種吸收方式是電容儲能型,將制動能量吸收到大容量電容器組中,當供電區間有列車需要取流時將所儲存的電能釋放出去,其主要缺點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而導致使用壽命短。

電制動第三種方式是逆變吸收方式,是將車輛制動時產生能量經過逆變變成工頻交流電與車站內電網并網,該吸收方式有利于能源的綜合再利用,實現了節能,是目前日益重視并大力推廣的方式。
2 再生制動能量吸收逆變裝置

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

再生制動能量吸收逆變裝置為逆變回饋型,就是將車輛制動所產生的能量經過逆變裝置回饋到電網。逆變裝置實時檢測直流側電壓,當直流側電壓高于一定值時,自動觸發逆變裝置投入工作。
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,經過牽引整流變壓器,再進行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機車供電。
再生制動能量吸收裝置是并聯在1500V/750V直流系統中,經過逆變裝置變成交流,經隔離變壓器輸入到電網(35kV/10kV/400V)。

2.2 逆變主電路設計

目前地鐵牽引供電系統電壓一般有兩個電壓等級即直流750V和1500V。通常采用常規功率器件IGBT的電壓等級為1700V、1200V,其封裝形式一樣,便于產品化實現批量生產。

逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓撲,可以保證1500V電壓等級非常方便實現,并且電壓余量大,更可以保證系統可靠運行。

逆變單元主電路原理圖如圖2所示,逆變輸出電壓波形、輸出電流波形分別如圖3、4所示。

主電路采用三電平電路拓撲其主要優點,每個主功率器件關斷時承受的電壓僅為直流側電壓的一半,功率器件電壓余量大,保證系統可靠工作,并延長器件使用壽命;輸出波形諧波小,保證電網質量;相同電壓情況下du/dt小,電磁干擾小;相同開關頻率的情況下,開關損耗比兩電平電路的開關損耗小,系統溫升低,可提高系統效率并延長器件使用壽命。
2.3 控制系統設計

逆變單元采用電流閉環控制,能夠保證輸出電流波形質量;逆變單元輸出呈現電流源特性,能夠很好適合單元并聯以達到容量擴展。
下面就一個單元作簡單理論分析,忽略調制過程引進的非線性,忽略高次諧波,則每個單元可簡化成一個線性放大系統。其控制框圖如圖5所示。


K1為放大器增益,K2為逆變器增益,逆變器內阻和電抗器阻抗近似表示為Z(s)=R+Ls。單元內閉環傳遞函數為:
 
,忽略內阻,低頻段增益為:
 
閉環后逆變單元內阻為:
閉環后,單元內阻大大增大,可近似為電流源。

裝置為得到大功率輸出可采用多個逆變單元并聯,每個單元獨立控制,具有冗余工作的特點,即使單元出現保護,其余逆變單元可以正常工作,進一步提高裝置運行的可靠性。而且每個逆變單元結構上完全一致,可以互換,這使得調試、維修非常方便。
2.4 系統保護功能
單元設置有過壓、偏壓、過流、短路、超溫保護功能,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,同時把單元的工作狀態傳給上位機。
逆變裝置系統設置有電網過壓、欠壓、直流母線過壓、欠壓保護功能。
3 現場應用

重慶地鐵電壓等級均為直流1500V,一號線、三號線、六號線截止2013年12月共有46臺設備。重慶某站現場設備照片如圖6所示。
地鐵電壓等級有750V和1500V兩種,六號線、七號線、九號線、十號線、十四號線截止2013年12月共有45臺。北京某站現場設備照片如圖7所示。

3.1 現場節能情況

一號線和六號線某站逆變裝置(容量900kW)日均節電情況如下表所示。參考工業用電1.00元/度,以日均1000度計算每月節約電費3萬元,一年可節省36萬元;若是采用電阻吸收消耗,除消耗電費36萬,還需增加額外通風設施來散熱。


4 關于現場應用相關問題討論

再生制動能量吸收逆變裝置,雖然現場已有百臺設備應用,節能效果并得到認可和好評,但對于用戶來說還是新產品,因此對此裝置的幾個應用問題,想提出來一起討論交流,以便更好地了解此裝置。
4.1 關于再生制動能量吸收裝置節能問題

制動能量吸收裝置節能效果是用戶和生產廠家較為關心的問題,直接關系到此產品是否滿足用戶需求,是否有應用前景。
逆變器(不包括隔離變壓器)轉換效率一般達到98%左右,現場節能效率與逆變器本身關系不大,真正影響現場節能效率的關鍵是逆變器的容量。逆變裝置的容量大小是直接影響能夠吸收多少能量到電網的關鍵指標,現場根據制動能量數據選擇合適容量的逆變器是很重要的;逆變器的容量直接體現逆變器利用率的關鍵指標,逆變器的利用率也是影響系統節能的重要因素。
4.2 關于再生制動能量吸收裝置回饋電網問題

制動能量吸收裝置回饋到400V電網,還是10kV電網或是35kV電網,到底回饋到哪種電網合適,我個人認為需要綜合來判斷。

目前地鐵應用,逆變器主要有兩個直流電壓等級1500V、750V,分別對應逆變器交流輸出1000V、500V,現場需要回饋到哪個電網,僅僅是逆變器輸出配置的隔離變壓器的規格不一樣,可以是1000V(500V)/400V、1000V(500V)/10kV、1000V(500V)/35kV等不同型號的變壓器,逆變器的各種性能、參數指標完全一樣。

400V配電網相比中壓網容量要小,用戶可能會認為回饋低壓電網不能完全吸收制動能量,根據各城市地鐵用電數據來看,牽引供電占到50%-57%,照明、通風等供電占到43%-50%,若按照配電網用電情況,只要選擇合適的逆變器容量完全可以回饋到配電網,即制動產生的能量可完全用于除牽引外的用電設備。

回饋到400V電網與中壓網相比其優點,一是從運行可靠性來講,若逆變器異常,不會影響到牽引網,不會影響車輛運行;二是400V隔離變壓器和400V開關柜相對價格便宜,體積小。

回饋10kV/35kV中壓網方式其優點,因中壓電網相對400V配電網容量大,所以逆變器可選容量范圍大;若選擇同容量的逆變器,逆變器對中壓網的沖擊和干擾相對會小。
4.3 關于吸收方式

不論是車輛配車載電阻還是站內配電阻,站內再增加逆變吸收方式,其工作方式都可認為是混合吸收方式。

電阻加逆變混合吸收方式其工作方式是,車輛制動時檢測到直流母線電壓到一定值時,逆變優先吸收,若測到直流母線電壓繼續升高到另一定值時,電阻才開始吸收;同樣若車輛上帶有車載電阻,其工作方式與上述一樣。

從運行可靠性上來說,帶有電阻的吸收方式更為可靠,逆變吸收為主,電阻吸收為輔。從成本上來說,可以選擇合適容量的逆變器,也可以讓逆變器的利用率較大化。
4.4 逆變吸收容量選擇

如何選擇合適的逆變吸收容量,也是讓用戶真正進行系統性節能的重要方面。

對于并網型的逆變器來說,逆變器輸出呈現電流源特性,很容易實現容量的擴展,理論上逆變容量按最大的制動能量來選擇,吸收利用率越大,但相應成本也會越高。

針對已經運營的老線,如果有電阻吸收的統計數據,就可以很好的選擇逆變吸收容量。根據每天、每月等電阻吸收的數據進行統計分析,制動產生能量大小及出現頻次,來判斷需要吸收利用的能量大小,從而確定逆變吸收容量。選擇時保證大部分的制動能量能夠吸收利用,又保證逆變器利用率較大化。對于生產廠家來說,提供高可靠性的產品是其不懈努力的方向;對于用戶來說,選擇性價比高的產品也是其不斷追求的目標。
5 結語

本文對再生制動能量吸收逆變系統的設計、現場應用節能效果以及應用相關問題進行闡述,與行業內專家共同探討。由于知識有限,理解難免會片面或錯誤,還請各位專家批評指正。

隨著軌道交通的快速發展,再生制動能量逆變吸收方式會被越來越多的用戶接受和認可,該產品也會在地鐵行業普遍應用。