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再生制动逆变装置在南京地铁中的应用

2016-02-23 11:10:00
Application of Regenerative Braking Inverter Device in Nanjing Subway
新风光电子科技股份有限公司  张岩  周玉兰  郭道省
Zhang Yan  Zhou Yulan  Guo Daosheng
摘  要:本文介绍了新风光研制的再生制动逆变装置的系统结构和工作原理,及该装置在南京地铁某线路的应用情况。现场运行证明该装置具有显著的推广价值。
关键词:再生制动  逆变装置  牵引降压混合所  
Abstract: This paper introduces the system structure and working principle, and the installation of new Fengguang developed regenerative braking inverter device in the application of certain of Nanjing Metro Line. Site operation proved that the device has significant promotional value.
Key words: Regenerative braking   Inverter device   Traction buck mixed the
1 引言
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。
目前城市轨道交通直流牵引供电系统采用二极管整流器,电能只能从交流电网向直流牵引网单向流动。当车辆制动时,多余的再生制动能量使直流电网电压升高。传统的解决方法是设置电阻制动装置,但这将造成电能的极大浪费并带来温升等其它问题。由于轨道交通车辆起制动频繁,制动能量相当可观,若能加以合理利用必能产生良好的经济效益。
从最早的在牵引变电所设置再生能量电阻消耗装置的应用到近几年电容储能、再生电能逆变回馈设备发展,再生制动能量吸收技术在不断研制和持续改进,在国内外轨道交通线路上得到应用。再生能量电阻消耗装置,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。再生电能逆变回馈设备,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。
新风光研制的再生制动能量吸收逆变装置为逆变回馈型,其回馈能量将直接用于车站内400V负载或经变压器反送至10kV//35kV电网。再生制动能量吸收逆变装置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。逆变装置把机车刹车制动时产生的能量转换成AC400V电压,自动跟踪AC400V母线电压,并向负载供电,将再生能量消耗在用电设备上,确保机车充分有效利用电制动。在直流牵引供电系统中,再生电能吸收装置为一个子系统工程,其作用关乎系统的安全。
2南京某线路牵引供电系统概况
南京轨道交通其牵引供电系统在机车牵引变电所,2-4公里就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。
南京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。
本工程供电系统主要参数如表1所示。


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3新风光FDBL-JC-650/1500V型再生制动能量吸收逆变装置介绍
再生制动能量吸收逆变装置是新风光电子科技股份有限公司自主研发,拥有完全的自主知识产权,新风光通过对逆变器多电平电路拓扑结构技术、电压型逆变器的电流源控制技术、单元并联技术、并网技术等关键技术进行攻关,实现了突破。在国内首创并成功运行在轨道交通行业,填补了国内空白。通过该项目关键技术开发与应用,满足了城市轨道交通行业低碳绿色环保节能的需求,推动国产轨道交通装备的提质增效。
该逆变装置具有动态响应快,并网电流谐波小,回馈能量效率高,可靠性高。产品经铁道部质量监督检验中心检验,各项技术指标均达到设计要求。该设备被列入科技部2014年度国家火炬计划项目,山东省重点领域首台套装备名单。
3.1新风光FDBL-JC-650/1500V型再生制动能量吸收逆变装置主要技术参数
新风光FDBL-JC-650/1500V型再生制动能量吸收逆变装置主要技术参数如下:
(1)功率:峰值功率650kW,持续时间20s,周期120s
(2)工作制:间歇工作制
(3)启动电压值:1530V~1980V连续平滑可调
(4)输出电压:AC1000V  三相三线制
(5)频率:跟踪交流侧电网频率
(6)额定工况下输出功率因数:>0.98
(7)额定工况下整套设备效率:>97%
(8)额定工况下电流谐波含量:≤3%
(9)额定工况下电压谐波含量:≤3%
(10)装置响应时间:≤200ms
3.2主要工作原理
逆变器部分采用多单元并联方式,根据再生制动时直流母线电压的变化状况调节逆变器的输出功率大小,将直流母线电压恒定在某一设定值范围内,整机对外呈现电流源特性。
逆变器主要由直流接触器、逆变单元、滤波电抗器、交流接触器等部分组成,如图1所示,可实现逆变装置自动投入、撤出、滤波及检测等功能。
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图1 逆变装置主回路拓扑
当车辆再生电制动且制动能量不能被其它车辆或用电设备消耗时,再生制动能量吸收逆变装置将该部分的能量,根据直流母线电压的变化自动调节逆变单元的输出电流大小,逆变为与电网电压同频、同相的交流电送回电网。
逆变主电路主要实现逆变吸收、自动并网及逆变电流调节等功能。逆变主电路由多路独立的逆变单元及控制装置等组成,逆变单元采用IGBT作为开关器件,控制装置通过PWM调节控制每条支路IGBT通断。并根据实际再生制动能量的大小调节并网电流,充分满足车辆的再生制动功能。装置具有过压、过流、温度、短路等多种保护功能。
逆变装置的单元采用三电平拓扑电路,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。
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图2 功率单元拓扑结构



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3.3显示设定显示装置采用彩色触摸屏,通过触摸屏操作,实现对系统运行状态的实时显示、用户级参数修改等功能。同时对故障进行显示和记录,欠压、过压、过流、过热等保护值,以及逆变装置启动阀值等参数可通过触摸屏进行设定。
3.4通信功能 
控制系统采用标准的数据通信口,采用RS485接口,数据通信协议采用具有良好的通用性和开放性Modbus协议。实现开关位置、故障信号遥信,电流、电压和电度等的遥测功能,根据实际需要可以增加对设备交直流接触器的遥控功能。控制系统上送变电所综合自动化系统的故障信息带有时标,并具有与综合自动化系统进行时钟同步功能。
3.5自动化数据采集、存储功能
控制系统具有数据采集、存储功能,以及显示、控制界面,本地采集信息包括以下内容:数据采集日期和时间、直流电网电压、逆变器输出侧交流电压、电流、回馈功率等。以上参数通过数据采集系统处理后,保存在本地装置中,也可实现USB等传输方式转存。
控制系统对设备运行状态信息进行处理、显示。设备运行状态信息包含开关状态和系统故障信息。其中开关状态包括交、直流开关柜、逆变柜内的开关状态,系统故障信息包括交、直流电网电压异常、功率模块异常、变压器异常等。
3.6保护功能
装置内部设置如下保护:交流电网欠压、过压保护,直流电网欠压、过压保护,功率模块过流保护,功率模块过热保护,隔离开关(状态)保护,散热风机故障保护,变压器过热保护等保护。
4改造后使用效果
为了降低地铁运营成本,南京地铁公司领导经过多方考察,与新风光电子科技股份有限公司签订了在地铁某线路上使用FDBL-JC-650/1500V型再生制动能量吸收逆变装置的协议。经过双方技术人员的紧密配合,制定了周密的改造方案。2015年1月8日,改造工程完成,逆变设备一次性投入运行,至今运行良好,取得了显著的节能效果,达到了改造的预期目的。
该逆变装置将再生制动吸收的能量回馈到400V电网,供给地铁内其他用电设备使用。该逆变装置接入地铁电网系统框图如图5所示。

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图5 系统组成框图
为了测试节能效果,南京地铁公司加装了电表计量,测试逆变装置回馈的电量及效果。经过近一年的测试,该装置投运后日均节电1000度左右,年节电约36.5万度,按照南京当地电价0.8451元/度,年节省电费约30.8万元,另外采用该设备节省了原来电阻制动时隧道散热所需的电量,这又节省了一笔可观的开支。
5 结束语
新风光研制的再生制动能量吸收逆变装置成功应用在北京、重庆、天津、南京等城市的地铁中,是目前国内地铁现场应用最早、业绩最多、性能最为可靠的产品。随着人们节能环保的意识提高,再生制动能量逆变吸收方式会被越来越多的地铁公司接受和认可,该产品也会在地铁行业普遍应用。
 
参考文献:
    1、再生制动逆变装置 FDBL-1500-650 用户手册  新风光电子科技股份有限公司
2、GB/T 10411-2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》 2005
3、IEC60077《电力牵引设备规则》

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