地铁再生电能逆变回馈装置的阈值设置研究

徐荣欣

（厦门轨道交通集团，福建 厦门361000）

1 概述

地铁再生电能是指电客车在制动时将机械能通过牵引电机和变流单元传输到接触网上，给与其他用电设备使用的电能。轨道交通电客车辆每天在线路上频繁制动，理论上能实现50%左右的再利用[1]，这些能量如何吸收利用是目前地铁牵引供电行业研究的热点问题。再生电能逆变回馈装置是目前采用比较广泛的工程方案，它能够把这部分电能吸收到地铁中压35kV 或者低压400V 交流系统中去。相比传统的制动电阻方式，不仅可以有效控制接触网网压，也能重复利用这些再生电能达到节能目的，国内外各种地铁，很多试验性安装了一台或者几台的再生能吸收利用装置。厦门地铁2 号线设置了一套中压再生能回馈装置系统，在正线全部16 个牵引变电所均有安装，并且与其他地铁不同的是，撤除了全部车载制动电阻，使得再生电能的吸收利用完全依赖再生能回馈装置。如何在这种工况下从牵引供电系统角度利用好这套设备以取得最佳效能，同时保证接触网网压稳定，提供足够车辆制动力，有必要进行一些研究。

2 再生能回馈装置原理分析

图1 能馈装置组成

再生能回馈装置（以下简称能馈装置）主要由直流隔离开关柜、变流器柜和回馈变压器柜组成，其中直流隔离开关柜和变流器柜并柜安装，其组成如图1。

装置直流侧通过直流开关柜以并联的方式接入牵引变电所的直流母线，装置交流侧通过回馈变压器和35kV 开关柜接入到35kV 母线，实时检测直流母线的电压，当母线电压达到回馈启动阈值时，经过内部控制电压环计算得出回馈电流指令信号，再通过电流闭环和脉冲宽度调制后，驱动主电路绝缘栅双极性晶闸管(IGBT)输出得到期望回馈。接触网上电能经变流器柜逆变为1050V交流电传输到回馈变压器低压侧，升压为35kV交流电输送回中压环网中，实现再生电能吸收。

3 有能馈装置、无制动电阻的牵引供电系统中电能流动分析

装有能馈装置的牵引供电系统的原理如图2 所示。

图2 电能流动示意图

其可以等效为图3 的电路图。

图3 等效电路图

通过上图可以看出，在不考虑接触网系统损耗的条件下，当系统中无车启动空气制动时，任何时候整个牵引供电系统中电功率处于平衡状态，其表达式为：

其中n1表示同时在取流状态的电客车数量，n2表示同时在再生制动状态的电客车数量，n3表示同时在整流出力状态的整流机组数量，n4表示同时在回馈状态的能馈装置数量。Pm表示单个电客车取流功率，Pg表示单个电客车再生制动功率，Pz表示单台整流机组整流功率，Pc表示单台能馈装置回馈功率。

系统中电客车总取流负荷电功率表示为：

4 牵引供电系统中电功率的暂态分析

4.1 当系统中处于电制动状态的电客车数量减少或者取流状态的电客车数量增多时，电客车再生电能输出功率Pg大于电客车取流负荷功率Pm。此时电制动电客车中的电机转子扭矩不足，发电机转速上升抬升两端电压，引起接触网网压抬升，此时Pg＞Pm+Pc。

4.2 能馈装置控制器在检测到接触网网压抬升到能馈启动阈值Uo时，通过控制IGBT 工作，将逆变装置投入直流母线，直流系统中额外的Pg输入到35kV系统中。电制动工作状态电机转速恢复，两端电压恢复，接触网网压随之恢复。此时Pg=Pm+Pc。

4.3 当系统中处于电制动状态的电客车数量增多或者取流状态的电客车数量减少时，Pg＜Pm。能馈装置控制器在检测到回馈电流为0 时，控制IGBT关断逆变装置退出运行，此时Pg=0，缺少的电功率由整流机组补充，此时Pg=Pm+Pz。

通过分析上述暂态过程可以发现，当系统处于Pg＞Pm+Pc状态时，如果能馈装置没有适时投入直流母线，那么接触网网压将继续会快速升高，达到电客车空气制动介入阈值，导致电客车进行空气制动，车辆动能被白白浪费在闸瓦轮对的摩擦内能上，这个情形应该避免。同时，当系统处于Pg=Pm+Pc状态时，再生电功率分别流向电客车取流电动机和能馈装置。

其中取流电动机的损耗与其获得的动能的比是个固定值，不会因为电功率是来自再生电能或者整流机组而改变。而能馈装置的损耗则与通过它的电功率有正比关系。所以应尽量使Pm尽量大，Pc尽量小，以减少系统电功率损耗。

综上所述，能馈装置的启动时机，是直接影响到再生能利用率的关键。也就是说应选择合理的启动阈值，保证接触网网压低于电客车空气制动介入阈值的同时，尽量减少再生电能流向能馈装置。

5 实际验证

以厦门地铁2 号线为例，其车辆空气制动启动值为1890V。接触网空载电压为直流1700V。正线共有16 个牵引变电所，每个牵引变电所都安装了一套2.5MW的能馈装置。初始启动电压阈值站平均为1722。试验中对正线全部16 台同时进行了多次阈值调整，记录阈值调整后的能馈回馈电量和车载系统空气制动介入次数。试验结果如表1：

表1 启动阈值调整结果

图4 启动阈值与日均回馈电量趋势

通过观察表1 结果我们可以发现，随着启动阈值的升高，能馈日均回馈电量呈现出下降趋势，在1780V时，日均回馈电量趋于稳定。整个过程中平均启动电压从1722V 至1787V 之间，车辆空气制动均未介入。

节约损耗计算：能馈装置损耗包括自身损耗与循环损耗，约占6%，按初始回馈启动值1722V 计算，通过调整到1787V，减少了466kW·h/天的损耗，一年可节约170206kW·h。

6 结论

随着轨道交通行业的发展，再生电能逆变回馈装置能够有效控制接触网网压，利用多余再生电能，其使用前景必将越来越广。本次研究阐明了安装能馈装置无车载制动电阻的1500V直流牵引供电系统中的电能流向原理，并就此提出了能馈装置启动电压阈值的调整方法，并作了相应现场实际验证。明确提出在不出现车辆空气制动情况的基础上，能馈启动电压越高节能效果越好的结论，为今后能馈装置在其他线路上运用提供了一定依据。