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再生制动能量吸收逆变装置在重庆轨道交通中的应用

发布时间:2020-04-14 作者:新风光

1 引言

轨道交通有着运量大、速度快、安全可靠、准点舒适的技术优势正逐步成为主要城市的交通工具,同时也被视为城市交通体系的骨干力量。城市轨道交通工程中,普遍采用直交变压变频的传动方式,车辆的制动方式为“电制动(再生制动)+机械制动”,运行中以电制动为主,机械制动为辅。列车在运行过程中,由于站间距较短,列车启动、制动频繁,制动能量相当可观。目前国内城市轨道交通在地面采用电阻能耗吸收装置处理列车运行过程中的再生能量,这不仅浪费能量,而且也增加了站内空调通风装置的负担,并使城轨建设费用和运行费用增加。如能将这部分能量储存再利用,这些问题将迎刃而解。

目前,吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等四种。而重庆轨道交通所采用的吸收装置主要有电阻耗能型和逆变回馈型,逆变回馈型时将车辆制动时的直流电逆变成工频交流电与车站内380V电网并网,将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上,该吸收方案有利于能源的综合利用,实现了节能。
2 重庆轨道交通(集团)有限公司改造现场
2.1 公司简介

重庆市轨道交通(集团)有限公司创建于1992年,是重庆市唯一承担城市轨道交通建设、运营和沿线资源开发一体化的大型国有控股轨道交通客运企业。轨道集团现有资产700多亿元,职工上万人,具有甲级轨道交通设计资质,甲级工程管理资质,甲级设备监理资质,甲级工程咨询资质,二级房地产开发资质;拥有一批长期从事轨道交通技术研究与工程建设管理的技术骨干,以及接受过国内外大型地铁公司系统培训的轨道交通专业技术人才和运营管理队伍;具有承担城市轨道交通规划、建设和运营管理以及轨道交通技术咨询的能力,为实现重庆轨道交通的规划目标提供了技术和人才保障。

轨道集团成功建成并运营了国内首条跨座式单轨交通线路——重庆市轨道交通2号线。目前运营线路已有4条,运营里程达到170公里。到2015年,将建成208公里轨道交通线路;2020年,将建成轨道交通线网300多公里,日客运量达到600万人次。
2.2 牵引供电系统概况

重庆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。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。

牵引变电所一般设两台牵引整流机组。目前采用两台整流机组并联运行构成等效24脉波整流方式。其容量按远期运量设计,根据国标GB/T 10411-2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》规定,牵引整流机组的负载能力应满足:100%额定输出连续;150%额定输出2h;300%额定输出lmin。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。
3 新风光再生制动能量吸收逆变装置
3.1新风光再生制动能量吸收逆变装置简介

新风光再生制动逆变装置(以下简称逆变装置)即为逆变回馈型,其回馈能量将用于400V负载。逆变装置(逆变+电阻)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。在控制系统中设置二级判断基准值,当电网电压升至到第一级判断电压时,系统首先投入逆变装置,逆变装置把机车刹车制动时产生的能量转换成AC380V电压,自动跟踪AC380V母线电压,并向负载供电,将再生能量消耗在用电设备上;一旦逆变吸收消耗不了该能量,将引起电网电压进一步上升,当电网电压升到第二级判断电压时,电阻斩波器立即投入工作,电阻吸收装置将再生制动能量消耗,稳定电压不再上升,确保机车充分有效利用电制动。在直流牵引供电系统中,再生制动能量吸收装置作为一个子系统工程,其作用关乎系统的安全。
3.2 逆变装置的主回路系统

逆变装置的一次主回路主要有直流接触器、逆变单元、滤波电抗器、交流接触器等部分组成。整机主回路图如图1所示。



图1 逆变装置整机主回路图

3.3电气原理
逆变设备单元采取单元并联结构。由于该逆变设备回馈功率较大,且电网电压低,所以总的输出电流大,采用多单元并联的拓扑结构实现起来更为容易。单元并联主回路图如图2所示。



图2 单元并联主回路图

逆变装置的单元采用三电平拓扑电路,如图3所示。逆变输出电压波形、输出电流波形分别如图4、5所示。


 
                                         图3  功率单元拓扑结构

3.4工作原理

        本设备在接收到总控装置启动信号,即启动/退出信号的无源常开结点闭合后,经过控制回路动作,送出启动完毕确认信号,即此无源常开结点闭合。总控装置检测到启动完毕确认信号后,根据母线电压幅值给出开机结点信号。结点闭合逆变装置IGBT瞬间开通,进行能量回馈。逆变设备工作过程中,时刻接受总控装置的控制信号并及时回复设备内接触器、各个单元的工作状态信号。图6为整机的控制原理图。

图6 整机控制原理图

4 运行效果分析
再生制动能量吸收逆变装置,显著节电效果统计(重庆某线路)

据数据分析,以歇台子站逆变装置日均回馈电能1444度计,一天节省1444元,(工业用电1元/度),年节约52万余元。对隧道内通风散热需求降低,运行成本也相应降低,设备运行经济效益显著。
5 结束语

中国城市轨道交通建设已步入了快速发展时期。城市轨道交通虽然已是绿色交通工具,但是市场调研显示,轨道交通现在已经成为各城市的用电大户,能源消耗过大现象也非常严重。而再生制动能量吸收逆变装置在重庆轨道交通中的应用有着良好的节能效果,目前主要在地铁一号线、三号线、六号线稳定运行,取得了良好的经济效益和社会效益,适应了国家建设资源节约型社会的潮流。

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