关于地铁供电系统应用再生能馈装置的可行性分析

关于地铁供电系统应用再生能馈装置的可行性分析

何剑 严娓

天津轨道交通运营集团有限公司 天津市 300222

摘要：本文介绍再生能馈装置的工作原理，提出地铁工程供电系统应用再生能馈装置需验证系统稳定性、电能质量及经济效益等重要问题。通过统计再生能馈装置运行后较长时间内的电能数据，计算节能电量，分析再生能馈装置与原供电系统设备的匹配情况，结果表明再生能馈装置投用于地铁供电系统后运行情况和节能效果良好。

关键词：节能管理；再生能馈；牵引供电

Abstract:This article introduces the working principle of the regenerative energy feed device, and proposes that the application of the regenerative energy feed device in the power supply system of the subway project needs to verify the system stability, power quality and economic benefits. Calculate the energy-saving power by counting the electric energy data of the regenerative energy feeder device for a long time after operating, and analyze the matching situation of the regenerative energy feeder device and the original power supply system equipment. The conditions and energy-saving effects are good.

Key words:Energy-saving management; regenerative energy feed; traction power supply;

1、引言

地铁列车在制动时，会使接触网电压升高，过高的电压会危害到列车的正常运行。为了将网压控制在额定范围内，在网压达到某一电压（阀值）时，将列车上功率开关管导通，使电流流过制动电阻，确保电压稳定在阀值附近。但随着制动电阻的发热，电能也会转换成热能损失掉。通过再生能馈装置，可以截取流向制动电阻的部分电流，经过逆变、变压后输送到地铁供电系统的中压母线上，供给车站内其他用电设备使用达到节能的作用。

2、工作原理及状态

（1）工作原理

　　再生能馈装置能够自动跟踪电网频率和电压，在直流母线电压上升到一定程度便开始启动，逐步调节。根据各个传感器检测信号进行能量吸收逆变，综合判断直流电网上是否有列车处于再生制动状态，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。再生能馈装置的逆变单元把机车制动时产生的能量转换成与电网同频同幅电压，自动跟踪母线电压，并向负载供电，将再生能量再利用。

（2）保护设施

　　再生能馈装置设置有过压、偏压、过流、短路、超温保护，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，同时把整机的工作状态传给上位机。逆变单元整机设置有电网过压、欠压、母线过压、欠压保护功能。当自动保护装置动作时，不会影响其他供电设备的正常运行。

（3）无功补偿

　　再生能馈装置的逆变单元具备谐波治理及无功补偿功能，改善电网质量，性价比高。可以直接利用其功率因数可调性实现对中压环网的无功补偿。

（4）自动并网

　　再生能馈装置实时检测直流侧电压，当直流侧电压高于一定值时，自动触发逆变单元投入工作。对电流电压起到稳定作用。

（5）远程功能

再生能馈装置可远程控制，系统可通过通讯模块连接网络，从远程监控整个装置的状态和运行情况。同样可以实现开关位置、故障信号遥信，电流、电压和电度等的遥测功能。逆变装置采用标准通信协议，可将内部功率单元、主电路器件状态、故障状态传送至本站的综合自动化系统。

3 可行性分析

（1）关于逆变单元与车载电阻的启动阀值匹配问题

逆变单元实时检测整理器负载电流、直流母线电压幅值、交流电压幅值及电压电流曲线斜率。当直流母线达到设定值，整流器负载为零，直流电压斜率满足启动设定值时逆变装置启动。启动电压是根据车载电阻的启动阀值进行修正设置，对于电压为1500V的牵引供电系统来说，车载电阻的启动电压一般设置在U_车载电阻 =1720V。逆变装置的最优设置参数是电阻启动之前的最小值，即电阻刚好不启动时逆变单元开始启动，实现了车辆的制动能量被相邻车辆的牵引吸收，剩余能量被逆变装置充分输送到电网再次利用。

从直流侧分析车辆制动时车辆相当于临时供电电源，接触网相当于具有一定内阻的传输导线，处于牵引状态的车辆属于负载，逆变单元相当于受控启动的负载。

根据专业论文国内接触网传输电阻值△R=0.008092Ω/km,逆变装置工作区间长度L=4km，传输电阻R=△R*L=0.032Ω。根据单车制动能量瞬时制动功率2000kWh计算，线路传输电流I=P/U=1183A,由车辆的制动点到逆变装置的电压损耗△U=I*R=37V。

U_逆变启动= U_车载电阻-△U=1720-37=1683V；

另外逆变装置启动参数可根据现场运营工况在装置上进行调整。前期推荐逆变单元启动电压设置1690V。因车辆反向电动势抬升牵引网电压高于整流器整流电压，整流机组处于电压反向截止状态，逆变单元工作时牵引机组负载为零。

（2）关于对牵引供电系统的影响

逆变单元的输出电流50次以下THD＜3%，对外部设备无影响。能馈装置本身进行冗余设计。逆变单元前后级配有独立的交直流开关柜，保护定值动作优先级最高，过电流定值1.3In,大电流脱口定值2In，当能馈装置出现故障时会自动退出前后级电网。

能馈装置在安装时增加1500V直流柜、35kV开关柜各一台。新增直流柜接入已有的框架保护系统，逆变单元采用独立的框架保护系统。装置投运的不同阶段需进行使用电能质量检测设备进行检测。

（3）关于再生能馈装置与综合自动化系统的接口问题

再生能馈装置可采用标准的通信协议，可将内部功率单元、主电路器件状态、故障状态传送至本站的综合自动化系统。

（4）关于对环境需求及节能确认问题

再生能馈装置相比于制动电阻发热量大大减小，整机效率达到98%以上，不需要单独的散热通风设施。同时降低了因车载电阻发热对隧道的散热需求。同时并网开关高压柜装有双向计算的数字式电能表，可计量流出和流入逆变装置的电能。将流出和流入的电能数据做差即可得到算出再生能馈装置扣除自身损耗的节能数据。

4节能效益分析

（1）直接经济效益

根据天津地铁已有的数据分析，再生能馈装置的节电参数最优化的一个变电所日均回馈电能1200度，参考工业用电价格0.57元/度，年节省成本约24.9万元。

（2）间接节能效益

　　采用再生能馈装置后隧道内部的通风、散热需求降低，此部分运行成本也被相应削减。车辆电制动减速到5kM/h，减少闸瓦制动次数，可减少车轮、闸瓦的维护与更换费用。

（3）社会效益

若按300公里规模计算，一天产生的再生电能约30万kWh，可供10-15万个家庭一天的用电；可节约标准煤约121.2T，减少排放碳81.8T，减少排放二氧化碳235.5T。

再生能馈装置的应用紧密围绕国家节能减排产业导向，提升企业建设节约型社会的公众社会效益，促进了产业结构调整和战略性产业发展。

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