轨道交通应用

您当前的位置:首页>经典案例 > 轨道交通应用

再生制动能量吸收逆变系统设计及应用

2015-04-09 10:47:45
再生制动能量吸收逆变系统设计及应用

方汉学
山东新风光电子科技发展有限公司,272500,济宁

 
摘要 再生制动能量吸收逆变系统主要应用在城市轨道交通领域,其作用是将机车制动时产生的能量回馈到交流电网,以实现能源的综合利用,达到节能降耗的目的。本文对再生制动能量吸收逆变系统的设计,包括主电路介绍、控制原理及保护功能等内容,以及现场应用时节能效果和现场应用相关等问题进行阐述。
关键词 再生制动  能量回馈 逆变 节能

Design and Application of Inverter System of Regenerative Braking Energy Absorption
Abstract:Regenerative braking energy absorption is mainly used in inverter system in city track traffic field, its role is to exchange network feedback for generating  locomotive braking energy, to achieve the comprehensive utilization of energy, to achieve the purpose of energy saving. This paper absorption design of inverter system for regenerative braking energy, including the main circuit, the control principle and protection function and so on, and the field application effect of energy saving and field application are discussed.
Key words:Regenerative braking;energy feedback;inverter;energy saving

        城市的交通拥挤问题在国内大、中型城市日益严重,已经成为影响城市经济发展的重要制约因素之一。由于城市轨道交通的众多优点,具有运量大、速度快、时间准、能耗低、污染少和安全舒适等特点,因此城市轨道交通方式无疑是解决城市交通拥挤问题的一种有效手段。城市轨道交通主要包括地铁、轻轨、磁悬浮和有轨电车等运输方式,越来越多的城市投入到发展城市轨道交通的热潮中。
1 应用背景
       由于城市交通其运行特点的特殊性就是运行速度快,启动、制动频繁,且制动时会产生大量的能量。
        现制动方式主要可以分为两大类:一是机械制动(动能转化成热能),机械摩擦制动的缺点是接触面容易磨损;摩擦时产生高温可熔化烧灼踏面;摩擦后产生的粉尘有严重污染的。二是电制动,把动能转化为电能后,再将电能送回电网或变成热能消耗掉,现在电制动主要是采用电阻吸收方式,其主要缺点是只能将电能转换为热能消耗掉,造成能源浪费,而且电阻散热会导致温度升高,因此需要增加相应的通风装置,即同时增加相应的电能消耗。
        电制动的另一种吸收方式是电容储能型,将制动能量吸收到大容量电容器组中,当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去,其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组,且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短。
        电制动第三种方式是逆变吸收方式,是将车辆制动时产生能量经过逆变变成工频交流电与车站内电网并网,该吸收方式有利于能源的综合再利用,实现了节能,是目前日益重视并大力推广的方式。
2 再生制动能量吸收逆变装置
        轨道交通其牵引供电系统在机车牵引变电所,一般1-2公里就需要设置一个机车牵引变电所,每个机车牵引所都需要配备再生制动能量吸收设备。  
        再生制动能量吸收逆变装置为逆变回馈型,就是将车辆制动所产生的能量经过逆变装置回馈到电网。逆变装置实时检测直流侧电压,当直流侧电压高于一定值时,自动触发逆变装置投入工作。
2.1系统组成   
       系统组成框图如图1所示,现在大部分城市轨道交通牵引所都是35kV或10kV电网,经过牵引整流变压器,再进行12脉波整流输出直流1500V或750V给机车供电。
再生制动能量吸收装置是并联在1500V/750V直流系统中,经过逆变装置变成交流,经隔离变压器输入到电网(35kV/10kV/400V)。
2.2 逆变主电路设计
        目前地铁牵引供电系统电压一般有两个电压等级即直流750V和1500V。通常采用常规功率器件IGBT的电压等级为1700V、1200V,其封装形式一样,便于产品化实现批量生产。
        逆变主电路采用二极管箝位三电平电路拓扑,可以保证1500V电压等级非常方便实现,并且电压余量大,更可以保证系统可靠运行。
       逆变单元主电路原理图如图2所示,逆变输出电压波形、输出电流波形分别如图3、4所示。
        主电路采用三电平电路拓扑其主要优点,每个主功率器件关断时承受的电压仅为直流侧电压的一半,功率器件电压余量大,保证系统可靠工作,并延长器件使用寿命;输出波形谐波小,保证电网质量;相同电压情况下du/dt小,电磁干扰小;相同开关频率的情况下,开关损耗比两电平电路的开关损耗小,系统温升低,可提高系统效率并延长器件使用寿命。
2.3 控制系统设计
        逆变单元采用电流闭环控制,能够保证输出电流波形质量;逆变单元输出呈现电流源特性,能够很好适合单元并联以达到容量扩展。
       下面就一个单元作简单理论分析,忽略调制过程引进的非线性,忽略高次谐波,则每个单元可简化成一个线性放大系统。其控制框图如图5所示。

K1为放大器增益,K2为逆变器增益,逆变器内阻和电抗器阻抗近似表示为Z(s)R+Ls。单元内闭环传递函数为:
 
,忽略内阻,低频段增益为:
 
闭环后逆变单元内阻为:
        闭环后,单元内阻大大增大,可近似为电流源。
        装置为得到大功率输出可采用多个逆变单元并联,每个单元独立控制,具有冗余工作的特点,即使单元出现保护,其余逆变单元可以正常工作,进一步提高装置运行的可靠性。而且每个逆变单元结构上完全一致,可以互换,这使得调试、维修非常方便。
2.4 系统保护功能
        单元设置有过压、偏压、过流、短路、超温保护功能,当某一逆变单元故障时,整机仍可以降额运行,不影响整机正常工作,同时把单元的工作状态传给上位机。
逆变装置系统设置有电网过压、欠压、直流母线过压、欠压保护功能。
3 现场应用
        重庆地铁电压等级均为直流1500V,一号线、三号线、六号线截止2013年12月共有46台设备。重庆某站现场设备照片如图6所示。
        地铁电压等级有750V和1500V两种,六号线、七号线、九号线、十号线、十四号线截止2013年12月共有45台。北京某站现场设备照片如图7所示。
3.1 现场节能情况
        一号线和六号线某站逆变装置(容量900kW)日均节电情况如下表所示。参考工业用电1.00/度,以日均1000度计算每月节约电费3万元,一年可节省36万元;若是采用电阻吸收消耗,除消耗电费36万,还需增加额外通风设施来散热。

4 关于现场应用相关问题讨论
        再生制动能量吸收逆变装置,虽然现场已有百台设备应用,节能效果并得到认可和好评,但对于用户来说还是新产品,因此对此装置的几个应用问题,想提出来一起讨论交流,以便更好地了解此装置。
4.1 关于再生制动能量吸收装置节能问题
        制动能量吸收装置节能效果是用户和生产厂家最为关心的问题,直接关系到此产品是否满足用户需求,是否有应用前景。
        器(不包括隔离变压器)转换效率一般达到98%左右,现场节能效率与逆变器本身关系不大,真正影响现场节能效率的关键是逆变器的容量。逆变装置的容量大小是直接影响能够吸收多少能量到电网的关键指标,现场根据制动能量数据选择合适容量的逆变器是很重要的;逆变器的容量直接体现逆变器利用率的关键指标,逆变器的利用率也是影响系统节能的重要因素。
4.2 关于再生制动能量吸收装置回馈电网问题
        制动能量吸收装置回馈到400V电网,还是10kV电网或是35kV电网,到底回馈到哪种电网合适,我个人认为需要综合来判断。
        目前地铁应用,逆变器主要有两个直流电压等级1500V、750V,分别对应逆变器交流输出1000V、500V,现场需要回馈到哪个电网,仅仅是逆变器输出配置的隔离变压器的规格不一样,可以是1000V(500V)/400V、1000V(500V)/10kV、1000V(500V)/35kV等不同型号的变压器,逆变器的各种性能、参数指标完全一样。
        400V配电网相比中压网容量要小,用户可能会认为回馈低压电网不能完全吸收制动能量,根据各城市地铁用电数据来看,牵引供电占到50%-57%,照明、通风等供电占到43%-50%,若按照配电网用电情况,只要选择合适的逆变器容量完全可以回馈到配电网,即制动产生的能量可完全用于除牵引外的用电设备。
        回馈到400V电网与中压网相比其优点,一是从运行可靠性来讲,若逆变器异常,不会影响到牵引网,不会影响车辆运行;二是400V隔离变压器和400V开关柜相对价格便宜,体积小。
        回馈10kV/35kV中压网方式其优点,因中压电网相对400V配电网容量大,所以逆变器可选容量范围大;若选择同容量的逆变器,逆变器对中压网的冲击和干扰相对会小。
4.3 关于吸收方式
        不论是车辆配车载电阻还是站内配电阻,站内再增加逆变吸收方式,其工作方式都可认为是混合吸收方式。
电阻加逆变混合吸收方式其工作方式是,车辆制动时检测到直流母线电压到一定值时,逆变优先吸收,若测到直流母线电压继续升高到另一定值时,电阻才开始吸收;同样若车辆上带有车载电阻,其工作方式与上述一样。
        从运行可靠性上来说,带有电阻的吸收方式更为可靠,逆变吸收为主,电阻吸收为辅。从成本上来说,可以选择合适容量的逆变器,也可以让逆变器的利用率最大化。
4.4 逆变吸收容量选择
       如何选择合适的逆变吸收容量,也是让用户真正进行系统性节能的重要方面。
       对于并网型的逆变器来说,逆变器输出呈现电流源特性,很容易实现容量的扩展,理论上逆变容量按最大的制动能量来选择,吸收利用率越大,但相应成本也会越高。
       针对已经运营的老线,如果有电阻吸收的统计数据,就可以很好的选择逆变吸收容量。根据每天、每月等电阻吸收的数据进行统计分析,制动产生能量大小及出现频次,来判断需要吸收利用的能量大小,从而确定逆变吸收容量。选择时保证大部分的制动能量能够吸收利用,又保证逆变器利用率最大化。
        对于生产厂家来说,提供高可靠性的产品是其不懈努力的方向;对于用户来说,选择性价比高的产品也是其不断追求的目标。
5 结语
        本文对再生制动能量吸收逆变系统的设计、现场应用节能效果以及应用相关问题进行阐述,与行业内专家共同探讨。由于知识有限,理解难免会片面或错误,还请各位专家批评指正。
        随着轨道交通的快速发展,再生制动能量逆变吸收方式会被越来越多的用户接受和认可,该产品也会在地铁行业普遍应用。
 
参考文献
[1] 再生制动能量吸收逆变装置应用手册[M].山东新风光电子科技发展有限公司
[2] 电力电子技术[M].王兆安,黄俊.第四版.北京:机械工业出版社,2000:132-148.
[3] 自动控制原理[M].胡寿松.第四版.北京:科学出版社,2001:20-118.
[4] 多电平逆变技术及其应用[M].刘凤君.北京:机械工业出版社,2007:32-77.
[5] PWM整流器及其控制[M].张崇巍,张兴.北京:机械工业出版社,2003:62-153.
[6] 功率模块应用手册[M].李毅,魏宇洁,译.赛米控国际公司.
[7] 载波相移调制技术及其在大功率变流器中的应用[M].李建林,王立乔.北京:机械出版社,2009:88-107.
[8] 瞬时功率理论及其在电力调节中的应用[M].徐政,译.北京:机械工业出版社,2009:34-89
[9] 谐波抑制和无功功率补偿[M].王兆安,杨君,刘进军,王跃.第二版.北京:机械工业出版社,2005:386-416.
[10] 现代变流技术与电气传动[M].丁荣军,黄济荣.北京:科学出版社,2008:199-262.
[11] 交流调速系统[M].陈伯时,陈敏逊.北京:机械工业出版社,1998:161-220.
[12] 大功率变频器及交流传动[M].卫三民,译.北京:机械出版社,2007:116-143.
[13] 高性能变频调速及其典型控制系统[M].马小亮.北京:机械工业出版社,2010:123-132.
【 返回上一页 】