陳 琪，孫才勤，嚴長輝

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長沙地鐵1號線雙向變流型再生電能吸收裝置

陳 琪，孫才勤，嚴長輝

介紹了長沙地鐵1號線雙向變流型再生電能吸收利用裝置的組成、功能、主要技術要求、特點。在地鐵工程中采用基于該裝置的節(jié)能方案同時還增加了整流機組的輸出功率。通過實際運行驗證，裝置運行穩(wěn)定，節(jié)能和整流效果良好。

地鐵；雙向變流；再生電能；吸收利用

0 引言

長沙地鐵1號線一期工程線路全長約 23.627 km，其中地下線22.3 km，設19座地下車站；高架線1.1 km，設1座高架站。列車采用B型車、6輛編組，設計最高行車速度為80 km/h。供電系統(tǒng)采用110/35 kV集中供電方式，35 kV系統(tǒng)采用大環(huán)網(wǎng)、大分區(qū)供電網(wǎng)絡。該工程設置2座主變電所，正線設置9座牽引降壓混合變電所，牽引網(wǎng)采用DC 1 500 V供電制式。每座牽引降壓混合變電所設置1套雙向變流型再生電能吸收利用裝置（以下簡稱雙向變流回饋裝置）。該工程已于2016年6月28日開通試運營，雙向變流回饋裝置同時全部投入運行。

1 裝置構成及主接線

雙向變流回饋裝置由2面雙向變流柜、1臺變壓器、1面負極隔離開關柜、1面直流控制柜組成，圖1為現(xiàn)場設備并柜效果圖，其中變壓器為單獨安裝。直流控制柜通過直流1 500 V斷路器接變電所直流母線，負極隔離開關柜接變電所直流1 500 V負極母線，變壓器通過40.5 kV GIS接變電所35 kV母線。雙向變流回饋裝置和整流機組并接在同一段35 kV母線上，其主電路拓撲結構如圖2所示。

圖1 雙向變流回饋裝置現(xiàn)場效果圖

圖2 雙向變流回饋裝置主電路拓撲結構圖

2 逆變模塊電路

雙向變流回饋裝置的核心設備是雙向變流柜，雙向變流柜采用模塊化設計，變流模塊采用三電平拓撲結構，如圖3所示。每個模塊都是一個完整的變流單元，每個單元設計容量為0.5 MW。雙向變流柜由多個單元組成，當一個單元發(fā)生故障退出運行時，雙向變流柜仍能繼續(xù)運行。

圖3 逆變模塊主電路拓撲結構圖

采用三電平模塊化設計理念有諸多優(yōu)點，例如：諧波含量小，模塊化設計容量需求及擴容方便，模塊故障系統(tǒng)功率損失小，維修簡便，系統(tǒng)恢復時間短，運營維護成本低等；該理念的另一優(yōu)勢在于整套裝置對變壓器無特殊要求，結構簡單。

3 裝置主要技術參數(shù)

該裝置主要技術參數(shù)見表1。

表1 裝置主要技術參數(shù)表

4 裝置容量

長沙地鐵1號線一期工程共設置9套雙向變流回饋裝置，其容量配置如表2所示。

表2 長沙地鐵1號線一期工程雙向變流回饋裝置容量配置表

30 s短時功率是根據(jù)雙向變流回饋裝置的運行特性提出的間歇工作制功率要求。

5 功能介紹

雙向變流回饋裝置具有牽引整流與制動逆變2種功能。

5.1 逆變模式

該裝置通過實時檢測直流網(wǎng)壓，在列車制動時將多余的再生制動能量反饋到交流中壓電網(wǎng)，在逆變模式下，該裝置具備恒壓與恒功率2種典型的輸出特性。

（1）恒壓特性。當列車制動的回饋能量在裝置容量范圍內(nèi)時，通過裝置的恒壓輸出特性可將直流網(wǎng)壓穩(wěn)定在設定值附近，從而避免直流網(wǎng)壓持續(xù)抬升及大幅波動。

（2）恒功率特性。當列車制動的回饋能量超過裝置的最大容量時，裝置進入恒功率輸出模式，此時裝置保持滿功率輸出，直流網(wǎng)壓不再受控；與此同時，直流網(wǎng)壓的持續(xù)抬升會觸發(fā)相鄰站設備的啟動，協(xié)助吸收多余的制動能量。

圖4為典型的逆變吸收波形圖。裝置啟動電壓為1 690 V，恒壓特性下的電壓設定值為1 670 V。在恒壓特性所示的虛線框內(nèi)，電壓既無大幅波動，也無明顯上升趨勢，自始至終恒定在某一數(shù)值附近；在恒功率特性所示的虛線框內(nèi)，由于吸收功率已經(jīng)達到裝置所允許的最大容量范圍，因此裝置保持滿功率輸出，此時電壓不可控；但是隨著相鄰站設備的相繼協(xié)助吸收，直流網(wǎng)壓始終能夠控制在一個較低的范圍內(nèi)。

圖4 逆變吸收波形圖

5.2 整流模式

該裝置通過實時檢測直流網(wǎng)壓，能夠在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量，進而維持直流網(wǎng)壓在一個較高的數(shù)值，充分迎合列車牽引時的機械特性，抑制直流網(wǎng)壓的波動，減小直流電壓紋波，提高列車牽引供電質(zhì)量。在整流模式下，裝置不僅具備恒壓恒功率輸出特性，同時還具備下垂輸出特性。

（1）恒壓恒功率特性。整流模式下的恒壓恒功率特性與逆變時一致。圖5為典型的整流輸出波形圖。裝置啟動電壓為1 560 V，恒壓特性下的電壓設定值為1 580 V。在恒壓特性所示的虛線框內(nèi)，電壓始終維持在設定值附近，并無明顯跌落趨勢及大幅波動；在恒功率特性所示的虛線框內(nèi)，裝置已處于滿功率輸出狀態(tài)，此時直流網(wǎng)壓不再受控，雖有下降趨勢，但直流網(wǎng)壓始終能夠控制在一個較高的范圍內(nèi)。

圖5 整流輸出波形圖

（2）下垂特性。為了與整流機組共同且均勻分擔列車牽引時所需的能量，因此必須準確獲取整流機組的下垂特性，再將該特性輸入至裝置的主控系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)根據(jù)直流網(wǎng)壓與直流電流的對應關系，輸出與之相應的整流功率。

圖6為下垂輸出特性波形圖，裝置啟動電壓為1 600 V，下垂輸出特性啟動較為頻繁，輸出過程持續(xù)時間長，其輸出功率隨著電壓的下降而增大，隨著電壓的上升而減小。

圖6 下垂輸出波形圖

5.3 逆變與整流模式

逆變模式與整流模式是相互獨立的，逆變模式下能量從直流側流向交流側，整流模式下能量從交流側流向直流側。2種模式不能同時運行，在運行某種模式前，必須先退出另一種模式。2種模式隨著直流網(wǎng)壓的變化而自動切換，如圖7所示。

圖7 整流與逆變輸出波形圖

圖7中整個波形為整流與逆變的完整工作過程。裝置整流模式電壓啟動值為1 560 V，穩(wěn)壓參考值為1 580 V；逆變模式電壓啟動值為1 710 V，穩(wěn)壓參考值為1 690 V。當列車制動導致直流網(wǎng)壓升高超過1 710 V時，裝置啟動并進入逆變輸出模式，在該模式下，裝置首先進入恒壓特性輸出，隨后進入恒功率特性輸出；當列車牽引導致直流網(wǎng)壓下降至1 560 V時，裝置啟動并進入整流輸出模式，在該模式下，裝置同樣先后經(jīng)歷了恒壓輸出與恒功率輸出。

6 結語

長沙地鐵1號線所采用的雙向變流回饋裝置，可將列車再生制動電能回饋至35 kV電網(wǎng)，并具有PWM整流功能，系在國內(nèi)城市軌道交通正式運營線路中首次全線采用，具有極大的示范作用。通過半年多的運行驗證，設備運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。

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The paper introduces the composition, functions, main technical requirements and characteristics of bidirectional converter type regenerated energy absorption device for line 1 of Changsha Subway. This device-based energy saving scheme adopted for the subway project has increased the output power of the rectifier sets as well. The actual operating experience indicates that the device is operating stably and has satisfactory energy saving and rectifying effects.

Subway; bidirectional current converting; regenerative energy; absorption and utilization

U231.8

B

1007-936X(2017)03-0021-04

2017-03-03

陳 琪.長沙市軌道交通集團有限公司，工程師，電話：18613980169；孫才勤.中鐵六院中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，工程師；嚴長輝.湖南恒信電氣有限公司，工程師。