叶 飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥工程师)

基于地铁列车制动能量回馈装置的能量管理系统

叶 飞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥工程师)

地铁列车制动能量回馈装置虽然回馈电能可观,而且减少电阻消耗以改善地铁通道热环境,但是也带来了能量逆流至110 kV侧电网的隐患。而且，城市轨道交通供电系统还具有夜间停运期间负荷低时功率因数偏低的特点。针对上述特点提出基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统。充分利用地铁制动能量回馈装置的有功和无功独立可控的控制原理,通过能量管理系统对主变电所的检测、判断、计算，以及对地铁制动能量回馈装置下达命令,实现了对地铁制动能量回馈装置的有功和无功能量管理,不仅可实现对地铁供电系统的无功补偿,也可实现对地铁制动回馈能量装置回馈能量时能量逆流的控制。

地铁列车; 制动能量回馈装置; 能量管理

由于地铁站间距短,列车起动、制动频繁,再生制动能量非常可观。国内外目前多利用能量回馈变流器将多余制动能量以逆变回馈的方式回馈至交流电网,供全线列车及车站负荷使用,以实现制动能量的最大程度节约利用[1]。

地铁制动能量回馈装置馈送至35 kV中压环网的再生制动能量,一般会被临近牵引的动车及站点内部照明空调等用电耗掉。在站点内部耗电量小、邻近动车较远、距离地铁供电系统对电网的连接处较近等情况下,地铁逆变回馈装置所回馈的电能可能会逆流至110 kV侧高压网络,从而对电网的安全、可靠运行造成影响[1-3]。

我国地铁主要采用集中供电方式。首先，通过主变电所将城市电力系统的高压电源(一般110 kV)降压为地铁系统中使用的中压网络电压(一般35 kV)；然后，再通过中压网络送至各个牵引变电所和降压变电所(如图1所示)。

图1 地铁供电系统示意图

由于地铁供电系统中压网络电缆较长,对地电容大,故会产生大量的容性无功。在地铁运营初期尤其是在正式运营后的夜间地铁停运时,由于地铁用电负荷低,电缆产生的容性无功不能实现内部平衡,故功率因数不符合要求,进而导致无功功率倒送,地铁运营企业会由此受到电力部门的违约罚款[2，4-5]。

为了解决地铁供电系统由于用电负荷变化导致的功率因数低的问题,以及地铁逆变回馈装置带来的回馈电能逆流至110 kV侧问题,本文提出了一种基于地铁逆变回馈装置的能量管理系统。该系统充分利用了地铁制动能量回馈装置的有功和无功独立可控的控制原理,不但可以实现对地铁供电系统的无功补偿,还可以实现对逆变回馈装置能量回馈时能量逆流至110 kV电网的控制。

1 地铁制动能量回馈装置

地铁制动能量回馈装置应用于地铁直流供电系统中,取代传统的能耗电阻吸收装置,将制动能量逆变至交流电网。当地铁列车制动时,逆变回馈装置快速将列车制动能量回馈至中压35 kV交流电网；同时，稳定直流接触网电压,确保地铁列车安全可靠运行。地铁制动能量回馈装置系统接入示意图如图2所示。

图2 地铁制动能量回馈装置系统接入示意图

1.1 工作原理

地铁制动能量回馈装置在不同阶段的工作原理及状态切换情况也不同。

1.1.1 从待机到回馈

当列车进站,开始制动减速时,由于列车采用电制动,其电动机变为发电机,将动能转化为电能,并将制动的电能回馈至直流接触网。与此同时,直流接触网电压会上升。

地铁逆变回馈装置可实时监测并判断直流接触网电压。当直流接触网电压超过地铁逆变回馈装置的回馈阈值时,地铁逆变回馈装置打开PWM(脉宽调制)整流器脉冲,开始控制功率器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)工作,并通过快速调节并网电流,将直流侧由地铁列车制动时产生的能量快速回馈到交流电网中；同时，稳定直流母线电压,以确保地铁直流供电系统的稳定。

1.1.2 从回馈到待机

地铁列车制动进站过程中，随着列车制动减速直至停车,其回馈至直流接触网的能量也逐渐减小至零。

地铁制动能量回馈装置可实时判断回馈电流。当回馈电流逐渐减小至待机电流阈值时,地铁逆变回馈装置立即退出运行,封锁IGBT驱动脉冲,随后进入待机状态。地铁牵引所需能量完全由牵引整流器提供。

1.2 装置的控制原理

地铁制动能量回馈装置采用的拓扑结构为电压型PWM整流器(如图3所示)。PWM整流器是1个其交流侧与直流侧均可控的四象限运行变流装置。PWM变流器交流侧矢量关系如图4所示。

注:Udc——直流电压；C——直流母线电容

图3 电压型PWM整流器

通过PWM整流器交流侧稳压矢量关系图可以看出,通过改变交流电流与交流电网电压相位的夹角可以得到变流器不同的运行模式。其中,图4a)是纯电感特性运行;图4b)是单位功率因数整流运行,此时电流方向与电网电压矢量方向一致;图4c)是纯电容特性运行;图4d)单位功率逆变器运行,此时电流方向与电网电压矢量方向相反。因此,要实现PWM变流器的四象限运行,关键在于对交流电流的控制[4]。

注:E——交流电网电动劲势；Vl——交流侧电感电压；V——交流侧电压;I——交流侧电流图4 PWM变流器交流侧稳态矢量关系

地铁制动能量回馈装置采用同步旋转坐标系的控制方案,易于实现对有功和无功的独立控制。有功无功独立可控的控制策略,既可满足白天实现功率因数为1的逆变回馈要求,也可满足根据地铁供电需要进行无功补偿的要求；而且，通过对有功的控制还可防止回馈能量逆流至110 kV侧电网。地铁制动能量回馈装置的系统控制框图如图5所示。

电压外环控制直流侧电压,实现对直流侧的稳压控制。将实时采样的直流电压Udc与给定阈值电压Udc，0的差值作为PI(比例积分)调节器的输入,并将PI调节器的输出对应有功功率d轴给定电流id,0。通过调节变流器可将有功功率传送到交流电网,使直流接触网电压稳定为给定的参考电压。

内环为电流环。在与电网电压矢量同步旋转的d、q坐标系下,采用2个PI调节器对变流器输出电流的d、q轴分量进行解耦控制。q轴给定电流iq，0设置为0,则变流器输出功率因数为1。也可根据需要对iq,0进行设置,以向交流电网输出感性或容性无功。通过对id，0的设置可以实现对有功能量的控制,从而实现防止回馈能量逆流至110 kV侧电网。

2 能量管理系统

根据地铁制动能量回馈装置有功和无功独立可控的控制原理,可通过对变流器的控制,实现对有功和无功的能量管理。

基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统,可实时监测并判断主变电所的有功方向及功率因数情况,还可分析监测结果并通过光纤下发对各个站内的地铁逆变回馈装置的命令,从而进行功率调度。基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统结构如图6所示。

2.1 有功调度管理

地铁制动能量回馈装置以逆变回馈并网的方式将地铁列车制动产生的电能回馈至地铁供电系统的35kV中压环网。这部分能量一般会被临近牵引的列车及站点内部照明空调等耗用,但也可能会导致回馈装置所回馈的能量逆流到110 kV侧高压网络,从而对电网的安全、可靠运行造成影响。

基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统,可通过对主变电所的实时检测及判断来实现对回馈装置的有功调度管理,即防止地铁供电系统的逆流控制。

地铁回馈装置的防逆流方法如下:

(1) 在整个地铁供电系统的主变电所,设置有功无功监测装置,且该检测装置与能量管理系统采用光纤连接。

(2) 有功无功检测装置实时检测监测点处的有功电流方向,并实时将逆流信息上传给能量管理系统。

(3) 能量管理系统实时接收并判断检测装置发送的信息,如果有逆流发生,则将逆流信号通过光纤下发至每个地铁逆变回馈装置。

(4) 正在回馈运行的回馈装置接收到逆流信号后,按照一定的步长Δ递减输出有功,直至使得逆流信号快速消失,并且维持当前的功率作为功率限幅输出,并持续一定的时间后,再逐渐增大功率限幅值。其中,地铁逆变回馈装置的防逆流处理流程图如图7所示。

2.2 无功调度管理

地铁供电系统主要是35 kV中压环网，为地铁列车牵引、列车内部空调照明、站内空调照明等供电。地铁正常运行后,白天由于地铁列车运行、列车内空调照明、站内空调照明等有功负载较大,故其功率因数高;而夜间由于地铁列车停运，列车内空调照明关闭，站内空调照明关闭等,有功负载大大减小,故供电系统功率因数较低。

注：SCADA系统为数据采集与监视控制系统

图6 地铁制动能量回馈装置能量管理系统

图7 地铁逆变回馈装置防逆流处理流程图

郑州地铁1号线自2013年12月28日正式运营开始,其供电系统功率因数一直较低(见表1),尤其是晚上。主要是表现为容性无功较大。例如2014年3月份的供电系统功率因数为0.66,离标准值0.85相差较远。

表1 郑州地铁1号线2014年3-5月功率因数情况

基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统,可通过对主变电所的检测实现对地铁回馈系统的无功调度管理,提高地铁供电系统的功率因数。

无功调度具体方法如下:

(1) 通过地铁供电主变电所的检测装置,实时监测地铁供电系统的有功无功情况,并通过光纤传输给能量管理系统。

(2) 能量管理系统实时接收并判断检测装置发送的无功和有功情况,同时，根据所有回馈装置的数量来计算需要补偿的无功功率，并下发指令至每台回馈装置(可按每min计算);

(3) 回馈装置接收到无功补偿命令后,根据调度指令对电网进行无功补偿;

(4) 无功补偿开始后,变流器控制中的有功电流指令Idr仍根据实际情况(回馈运行或是系统待机)计算得到,无功电流指令Iqr则按照接收到的无功功率计算得到。

基于地铁制动能量回馈装置的无功调度管理,在郑州地铁1号线进行了试验验证。对地铁制动能量回馈装置的无功调度,使其输出无功功率对地铁供电系统进行无功补偿。

图8为地铁制动能量回馈装置无功输出从150 kVar到300 kVar的变化过程。图9为无功补偿展开波形图。

图8 输出无功从150 kVar到300 kVar变化过程截图

图9 回馈装置输出感性300 kVar无功截图

由图8可以看出,无功输出功率的变化对电网电压及直流接触网电压并无影响,系统依然稳定运行。由图9可以看出,无功补偿过程中,并网无功电流及电网电压的波形平滑。图8及图9充分验证了地铁逆变回馈装置有功和无功独立可控的控制策略的正确性和合理性。

3 结语

地铁制动能量回馈装置列车制动的能量回馈至交流电网,但如回馈的能量不能被邻近列车或车站设备消耗掉,则有可能会导致能量逆流至110 kV侧电网。而且，城市轨道交通供电系统在正常运营时,其用电负荷大,能抵消大部分容性无功,功率因数较高;而在夜间地铁停运时,其用电负荷低,故电缆产生的容性无功不能实现内部平衡,功率因数不符合要求。

本文提出的基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统,充分利用了地铁逆变回馈变流器的有功和无功独立可控的控制原理,不但可实现对地铁供电系统的无功补偿,同时也可解决对逆变回馈装置能量回馈时的能量逆流问题。

[1] 张秋瑞,毕大强,葛宝明.地铁再生制动能量逆变回馈电气装置的研究[J].电力电子技术,2012,46(9):60-63.

[2] 王靖满,黄书明.城市轨道交通供电系统技术[M].上海:上海科学普及出版社,2011:1-40.

[3] 黄海.光伏电站中的逆功率保护功能[J].电气技术与自动化,2010,39(5):159-161.

[4] 陆然.城市轨道交通变电站中的无功补偿分析[J].天津电力技术,2011(2):31-33.

[5] 禹华军,潘俊民.一种同时实现无功补偿的光伏并网发电技术[J].上海交通大学学报(自然科学版),2005,39(8):49-52.

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)