葉 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

基于地鐵列車制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng)

葉 飛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

地鐵列車制動能量回饋裝置雖然回饋電能可觀,而且減少電阻消耗以改善地鐵通道熱環(huán)境,但是也帶來了能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)的隱患。而且，城市軌道交通供電系統(tǒng)還具有夜間停運(yùn)期間負(fù)荷低時功率因數(shù)偏低的特點(diǎn)。針對上述特點(diǎn)提出基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng)。充分利用地鐵制動能量回饋裝置的有功和無功獨(dú)立可控的控制原理,通過能量管理系統(tǒng)對主變電所的檢測、判斷、計算，以及對地鐵制動能量回饋裝置下達(dá)命令,實(shí)現(xiàn)了對地鐵制動能量回饋裝置的有功和無功能量管理,不僅可實(shí)現(xiàn)對地鐵供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償,也可實(shí)現(xiàn)對地鐵制動回饋能量裝置回饋能量時能量逆流的控制。

地鐵列車; 制動能量回饋裝置; 能量管理

由于地鐵站間距短,列車起動、制動頻繁,再生制動能量非?？捎^。國內(nèi)外目前多利用能量回饋?zhàn)兞髌鲗⒍嘤嘀苿幽芰恳阅孀兓仞伒姆绞交仞佒两涣麟娋W(wǎng),供全線列車及車站負(fù)荷使用,以實(shí)現(xiàn)制動能量的最大程度節(jié)約利用[1]。

地鐵制動能量回饋裝置饋送至35 kV中壓環(huán)網(wǎng)的再生制動能量,一般會被臨近牽引的動車及站點(diǎn)內(nèi)部照明空調(diào)等用電耗掉。在站點(diǎn)內(nèi)部耗電量小、鄰近動車較遠(yuǎn)、距離地鐵供電系統(tǒng)對電網(wǎng)的連接處較近等情況下,地鐵逆變回饋裝置所回饋的電能可能會逆流至110 kV側(cè)高壓網(wǎng)絡(luò),從而對電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行造成影響[1-3]。

我國地鐵主要采用集中供電方式。首先，通過主變電所將城市電力系統(tǒng)的高壓電源(一般110 kV)降壓為地鐵系統(tǒng)中使用的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓(一般35 kV)；然后，再通過中壓網(wǎng)絡(luò)送至各個牽引變電所和降壓變電所(如圖1所示)。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)示意圖

由于地鐵供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)電纜較長,對地電容大,故會產(chǎn)生大量的容性無功。在地鐵運(yùn)營初期尤其是在正式運(yùn)營后的夜間地鐵停運(yùn)時,由于地鐵用電負(fù)荷低,電纜產(chǎn)生的容性無功不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部平衡,故功率因數(shù)不符合要求,進(jìn)而導(dǎo)致無功功率倒送,地鐵運(yùn)營企業(yè)會由此受到電力部門的違約罰款[2，4-5]。

為了解決地鐵供電系統(tǒng)由于用電負(fù)荷變化導(dǎo)致的功率因數(shù)低的問題,以及地鐵逆變回饋裝置帶來的回饋電能逆流至110 kV側(cè)問題,本文提出了一種基于地鐵逆變回饋裝置的能量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了地鐵制動能量回饋裝置的有功和無功獨(dú)立可控的控制原理,不但可以實(shí)現(xiàn)對地鐵供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償,還可以實(shí)現(xiàn)對逆變回饋裝置能量回饋時能量逆流至110 kV電網(wǎng)的控制。

1 地鐵制動能量回饋裝置

地鐵制動能量回饋裝置應(yīng)用于地鐵直流供電系統(tǒng)中,取代傳統(tǒng)的能耗電阻吸收裝置,將制動能量逆變至交流電網(wǎng)。當(dāng)?shù)罔F列車制動時,逆變回饋裝置快速將列車制動能量回饋至中壓35 kV交流電網(wǎng)；同時，穩(wěn)定直流接觸網(wǎng)電壓,確保地鐵列車安全可靠運(yùn)行。地鐵制動能量回饋裝置系統(tǒng)接入示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵制動能量回饋裝置系統(tǒng)接入示意圖

1.1 工作原理

地鐵制動能量回饋裝置在不同階段的工作原理及狀態(tài)切換情況也不同。

1.1.1 從待機(jī)到回饋

當(dāng)列車進(jìn)站,開始制動減速時,由于列車采用電制動,其電動機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī),將動能轉(zhuǎn)化為電能,并將制動的電能回饋至直流接觸網(wǎng)。與此同時,直流接觸網(wǎng)電壓會上升。

地鐵逆變回饋裝置可實(shí)時監(jiān)測并判斷直流接觸網(wǎng)電壓。當(dāng)直流接觸網(wǎng)電壓超過地鐵逆變回饋裝置的回饋閾值時,地鐵逆變回饋裝置打開PWM(脈寬調(diào)制)整流器脈沖,開始控制功率器件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)工作,并通過快速調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流,將直流側(cè)由地鐵列車制動時產(chǎn)生的能量快速回饋到交流電網(wǎng)中；同時，穩(wěn)定直流母線電壓,以確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.1.2 從回饋到待機(jī)

地鐵列車制動進(jìn)站過程中，隨著列車制動減速直至停車,其回饋至直流接觸網(wǎng)的能量也逐漸減小至零。

地鐵制動能量回饋裝置可實(shí)時判斷回饋電流。當(dāng)回饋電流逐漸減小至待機(jī)電流閾值時,地鐵逆變回饋裝置立即退出運(yùn)行,封鎖IGBT驅(qū)動脈沖,隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。地鐵牽引所需能量完全由牽引整流器提供。

1.2 裝置的控制原理

地鐵制動能量回饋裝置采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為電壓型PWM整流器(如圖3所示)。PWM整流器是1個其交流側(cè)與直流側(cè)均可控的四象限運(yùn)行變流裝置。PWM變流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖4所示。

注:Udc——直流電壓；C——直流母線電容

圖3 電壓型PWM整流器

通過PWM整流器交流側(cè)穩(wěn)壓矢量關(guān)系圖可以看出,通過改變交流電流與交流電網(wǎng)電壓相位的夾角可以得到變流器不同的運(yùn)行模式。其中,圖4a)是純電感特性運(yùn)行;圖4b)是單位功率因數(shù)整流運(yùn)行,此時電流方向與電網(wǎng)電壓矢量方向一致;圖4c)是純電容特性運(yùn)行;圖4d)單位功率逆變器運(yùn)行,此時電流方向與電網(wǎng)電壓矢量方向相反。因此,要實(shí)現(xiàn)PWM變流器的四象限運(yùn)行,關(guān)鍵在于對交流電流的控制[4]。

注:E——交流電網(wǎng)電動勁勢；Vl——交流側(cè)電感電壓；V——交流側(cè)電壓;I——交流側(cè)電流圖4 PWM變流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系

地鐵制動能量回饋裝置采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制方案,易于實(shí)現(xiàn)對有功和無功的獨(dú)立控制。有功無功獨(dú)立可控的控制策略,既可滿足白天實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的逆變回饋要求,也可滿足根據(jù)地鐵供電需要進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)囊螅欢?，通過對有功的控制還可防止回饋能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)。地鐵制動能量回饋裝置的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

電壓外環(huán)控制直流側(cè)電壓,實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)的穩(wěn)壓控制。將實(shí)時采樣的直流電壓Udc與給定閾值電壓Udc，0的差值作為PI(比例積分)調(diào)節(jié)器的輸入,并將PI調(diào)節(jié)器的輸出對應(yīng)有功功率d軸給定電流id,0。通過調(diào)節(jié)變流器可將有功功率傳送到交流電網(wǎng),使直流接觸網(wǎng)電壓穩(wěn)定為給定的參考電壓。

內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標(biāo)系下,采用2個PI調(diào)節(jié)器對變流器輸出電流的d、q軸分量進(jìn)行解耦控制。q軸給定電流iq，0設(shè)置為0,則變流器輸出功率因數(shù)為1。也可根據(jù)需要對iq,0進(jìn)行設(shè)置,以向交流電網(wǎng)輸出感性或容性無功。通過對id，0的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)對有功能量的控制,從而實(shí)現(xiàn)防止回饋能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)。

2 能量管理系統(tǒng)

根據(jù)地鐵制動能量回饋裝置有功和無功獨(dú)立可控的控制原理,可通過對變流器的控制,實(shí)現(xiàn)對有功和無功的能量管理。

基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),可實(shí)時監(jiān)測并判斷主變電所的有功方向及功率因數(shù)情況,還可分析監(jiān)測結(jié)果并通過光纖下發(fā)對各個站內(nèi)的地鐵逆變回饋裝置的命令,從而進(jìn)行功率調(diào)度。基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.1 有功調(diào)度管理

地鐵制動能量回饋裝置以逆變回饋并網(wǎng)的方式將地鐵列車制動產(chǎn)生的電能回饋至地鐵供電系統(tǒng)的35kV中壓環(huán)網(wǎng)。這部分能量一般會被臨近牽引的列車及站點(diǎn)內(nèi)部照明空調(diào)等耗用,但也可能會導(dǎo)致回饋裝置所回饋的能量逆流到110 kV側(cè)高壓網(wǎng)絡(luò),從而對電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行造成影響。

基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),可通過對主變電所的實(shí)時檢測及判斷來實(shí)現(xiàn)對回饋裝置的有功調(diào)度管理,即防止地鐵供電系統(tǒng)的逆流控制。

地鐵回饋裝置的防逆流方法如下:

(1) 在整個地鐵供電系統(tǒng)的主變電所,設(shè)置有功無功監(jiān)測裝置,且該檢測裝置與能量管理系統(tǒng)采用光纖連接。

(2) 有功無功檢測裝置實(shí)時檢測監(jiān)測點(diǎn)處的有功電流方向,并實(shí)時將逆流信息上傳給能量管理系統(tǒng)。

(3) 能量管理系統(tǒng)實(shí)時接收并判斷檢測裝置發(fā)送的信息,如果有逆流發(fā)生,則將逆流信號通過光纖下發(fā)至每個地鐵逆變回饋裝置。

(4) 正在回饋運(yùn)行的回饋裝置接收到逆流信號后,按照一定的步長Δ遞減輸出有功,直至使得逆流信號快速消失,并且維持當(dāng)前的功率作為功率限幅輸出,并持續(xù)一定的時間后,再逐漸增大功率限幅值。其中,地鐵逆變回饋裝置的防逆流處理流程圖如圖7所示。

2.2 無功調(diào)度管理

地鐵供電系統(tǒng)主要是35 kV中壓環(huán)網(wǎng)，為地鐵列車牽引、列車內(nèi)部空調(diào)照明、站內(nèi)空調(diào)照明等供電。地鐵正常運(yùn)行后,白天由于地鐵列車運(yùn)行、列車內(nèi)空調(diào)照明、站內(nèi)空調(diào)照明等有功負(fù)載較大,故其功率因數(shù)高;而夜間由于地鐵列車停運(yùn)，列車內(nèi)空調(diào)照明關(guān)閉，站內(nèi)空調(diào)照明關(guān)閉等,有功負(fù)載大大減小,故供電系統(tǒng)功率因數(shù)較低。

注：SCADA系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)

圖6 地鐵制動能量回饋裝置能量管理系統(tǒng)

圖7 地鐵逆變回饋裝置防逆流處理流程圖

鄭州地鐵1號線自2013年12月28日正式運(yùn)營開始,其供電系統(tǒng)功率因數(shù)一直較低(見表1),尤其是晚上。主要是表現(xiàn)為容性無功較大。例如2014年3月份的供電系統(tǒng)功率因數(shù)為0.66,離標(biāo)準(zhǔn)值0.85相差較遠(yuǎn)。

表1 鄭州地鐵1號線2014年3-5月功率因數(shù)情況

基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),可通過對主變電所的檢測實(shí)現(xiàn)對地鐵回饋系統(tǒng)的無功調(diào)度管理,提高地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

無功調(diào)度具體方法如下:

(1) 通過地鐵供電主變電所的檢測裝置,實(shí)時監(jiān)測地鐵供電系統(tǒng)的有功無功情況,并通過光纖傳輸給能量管理系統(tǒng)。

(2) 能量管理系統(tǒng)實(shí)時接收并判斷檢測裝置發(fā)送的無功和有功情況,同時，根據(jù)所有回饋裝置的數(shù)量來計算需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率，并下發(fā)指令至每臺回饋裝置(可按每min計算);

(3) 回饋裝置接收到無功補(bǔ)償命令后,根據(jù)調(diào)度指令對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償;

(4) 無功補(bǔ)償開始后,變流器控制中的有功電流指令I(lǐng)dr仍根據(jù)實(shí)際情況(回饋運(yùn)行或是系統(tǒng)待機(jī))計算得到,無功電流指令I(lǐng)qr則按照接收到的無功功率計算得到。

基于地鐵制動能量回饋裝置的無功調(diào)度管理,在鄭州地鐵1號線進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。對地鐵制動能量回饋裝置的無功調(diào)度,使其輸出無功功率對地鐵供電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

圖8為地鐵制動能量回饋裝置無功輸出從150 kVar到300 kVar的變化過程。圖9為無功補(bǔ)償展開波形圖。

圖8 輸出無功從150 kVar到300 kVar變化過程截圖

圖9 回饋裝置輸出感性300 kVar無功截圖

由圖8可以看出,無功輸出功率的變化對電網(wǎng)電壓及直流接觸網(wǎng)電壓并無影響,系統(tǒng)依然穩(wěn)定運(yùn)行。由圖9可以看出,無功補(bǔ)償過程中,并網(wǎng)無功電流及電網(wǎng)電壓的波形平滑。圖8及圖9充分驗(yàn)證了地鐵逆變回饋裝置有功和無功獨(dú)立可控的控制策略的正確性和合理性。

3 結(jié)語

地鐵制動能量回饋裝置列車制動的能量回饋至交流電網(wǎng),但如回饋的能量不能被鄰近列車或車站設(shè)備消耗掉,則有可能會導(dǎo)致能量逆流至110 kV側(cè)電網(wǎng)。而且，城市軌道交通供電系統(tǒng)在正常運(yùn)營時,其用電負(fù)荷大,能抵消大部分容性無功,功率因數(shù)較高;而在夜間地鐵停運(yùn)時,其用電負(fù)荷低,故電纜產(chǎn)生的容性無功不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部平衡,功率因數(shù)不符合要求。

本文提出的基于地鐵制動能量回饋裝置的能量管理系統(tǒng),充分利用了地鐵逆變回饋?zhàn)兞髌鞯挠泄蜔o功獨(dú)立可控的控制原理,不但可實(shí)現(xiàn)對地鐵供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償,同時也可解決對逆變回饋裝置能量回饋時的能量逆流問題。

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Energy Management System Base on Braking Energy-feedback Device in Rail Transit System

YE Fei

The braking energy-feedback device in rail transit system can not only collect a lot of energy, but can also improve the air condition and reduce the economic cost in cooling the tunnel air caused by the resistor heat. However, it can also harm the power grid of 110 kV,i.e.the off-line operation of rail transit at night results in the light load of the systems which would cause the low power factor. On this basis, a management system of rail transit energy feedback system is proposed, which makes good use of the independent controllability of active and reactive power, calculates, gives order and executes better management of the energy systems.The proposed system can not only realize the reactive compensation of the rail transit systems, but also reduce the harmfulness of the feedback energy to the 110 kV power grid.

metro train; braking energy-feedback device; energy management

China Railway Fourth Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

U 231.8; U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.03.010

2016-01-14)