中压能馈逆变装置在轨道交通中的应用

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1、中压能馈逆变装置在城市轨道交通中的应用王会丰刘恒摘要：通过对再生制动能量的分析及再生制动能量吸收装置的对比介绍，得出逆变回馈式装置是当前解决列车再生制动能量问题的较优措施。给出了中压能馈逆变装置在北京地铁15号线供电工程的设计方案，并进行了现场试验和应用效果分析。关键词：轨道交通再生能量逆变回馈节能减排1引言目前城市轨道交通普遍采用交流传动即VVVF（VariableVoltageandVariableFrequency）动车组列车，其制动一般为电制动(即再生制动、电阻制动)和空气制动两级。在车辆高速运行时，使用再生制动和电阻制动，当减速到电制动不起作用时，使用空气制动。列车在运行

2、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，可以达到牵引能量的40％以上，部分再生制动能量（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。资料表明，当列车发车间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被再生能量吸收装置吸收，变成热能并向四外散发，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使建设费用和运行费用增加。如能将

3、这部分能量储存再利用，这些问题将迎刃而解。2再生制动能量吸收装置的类型和特点目前，国内外再生制动能量吸收装置主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等4种。2.1电阻耗能型电阻耗能型是在变电所设置一套电阻吸收装置，将列车的再生制动能量消耗掉，从而抑制接触网网压的飙升。该装置的优点：控制简单，可以取消(或减少)列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；对降低隧道温度、减少闸瓦的消耗和制动粉尘、净化隧道环境比较有效，而且国内有比较成熟的产品制造经验，价格也较低。该装置的缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上集中发热消耗，对再生电能不能有效利用；电阻散热也导致环境温度上升

4、，因此当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，设备房间也必须采取措施保证有足够的通风量。从发展的角度，它不代表再生电能吸收技术的方向。2.2电容储能型电容储能吸收装置是用超级电容将列车制动能量存储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用。电容储能吸收装置的技术原理较佳，但国内企业暂无生产供货能力，进口设备不成熟，技术有待完善和提高，建设成本高，在马德里、法兰克福轨道交通有应用，国内尚无成功的工程应用实例。北京地铁5号线曾设置了4套电容储能吸收装置，但一直未投入运行。2.3飞轮储能型飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样，吸收装置是利用高速旋转的飞轮，将列车制动能量存

5、储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用。飞轮储能吸收装置的技术原理也较佳，但国内企业暂无生产供货能力，进口设备不成熟，技术有待完善和提高，建设成本高，在纽约、香港地铁有应用，但国内尚无成功的工程应用实例。2.4逆变回馈型能量逆变回馈装置是利用电力电子变流器，将列车制动能量逆变为交流电能回馈到交流电网，供其他设备再利用。该装置充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻；对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。根据交流电网的电压等级，能量逆变型又分为中

6、压逆变型(35kV或10kV)和低压逆变型(380V)，中压电网容量更大、更稳定，对于能量的流动和分配利用更有利。国外已有批量生产的能馈逆变装置，其中以欧美和日本的产品技术较为成熟。国内在地铁运营中应用再生能量回馈技术尚属起步阶段，在重庆地铁、北京地铁十号线二期、北京地铁15号线进行了有限投入。3能馈逆变装置3.1能馈逆变装置原理能馈逆变装置是将地铁车辆进站制动时产生的直流电能逆变成与交流电网同幅值、同相位交流电能的电力电子装置，其原理图如图3-1所示。能馈式逆变装置图3-1能馈逆变装置示意图能馈逆变装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该装置的直流侧与牵引变电所中的

7、直流母线相联，其交流进线接到交流电网上，当再生制动使接触网直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。3.2中压能馈逆变装置湖南恒信电气有限公司生产的中压能馈逆变装置可以实现上述目的，在国内地铁中得到了初步应用。该中压能馈逆变装置包含直流控制柜一面、逆变柜若干面、升压变压器柜一面。逆变柜配置数量根据系统需求吸收功率进行设置，一般为1～4面，每面逆变柜包含4个NPC模块和一个并网断路器。对于1500V直流牵引系统每