地铁再生制动能量回馈系统自适应启动电压分析

1　工程概况

文章以成都地铁10号线一期工程为背景，针对此工程供电系统牵混所内配置的五套再生制动能量回馈装置进行试验分析。当车辆进行刹车制动时，将车辆刹车制动的能量再吸收并反馈至交流电网中予以再利用。通过现场车辆实际运行及制动时对电网的影响研究，发现再生能馈装置的启动电压值设置十分重要。启动电压设置过高，不能起到有效的稳压作用，同时系统的回馈能量将会减少；若设置过低，则会造成再生能馈装置在电压稍一波动达到启动值时即开始工作，造成频繁启动，甚至会在供电系统内形成环流，不但不能起到能量回馈的作用，甚至作为电动机在系统内使用并消耗能量。因此，再生能馈装置的启动电压的设置必须合理，应充分考虑各种因素，不能过高或过低。

图1是将再生制动能量吸收装置的启动电压设置为固定值时，记录的一天内35kV交流环网电压变化情况，从记录可以看出交流环网电压变化＞800V，从而导致所内接触网电压变化幅度较大，不能很好地满足运营要求。

图1　1天内35kV交流环网电压波形情况

基于再生能馈装置启动电压设置为固定值时的接触网电压变化幅度较大的实际情况，提出了能跟随35kV电压变化而自适应的启动电压方式，具体为再生制动能量回馈装置采集整流机组侧35kV电压后，按照35kV:1672V比例的公式计算得到接触网空载网压的理论值，并在此基础加上一个增量，作为再生制动能量吸收装置的启动电压值。通过这种方法，可使再生能馈装置在有车辆制动时尽可能多地吸收制动能量并转化为再生动能，同时需确保轻载或空载时不会出现所内环流情况。

2　自启动电压设置方式

再生制动能量回馈装置通过采集整流机组侧35kV电压，实时测量中压环网电压，然后根据参数设置的整流变初级额定电压、整流变次级额定电压、整流器空载整流折算系数k计算出接触网空载电压值，折算系数k默认值为1.41，可以根据各站点现场实际测量数据进行微调。在此基础上，再加上一个增量作为再生制动能量吸收装置的启动电压值，在车辆运行时及夜间无车运行时分别设置接触网空载时的增量。通过“实时采集电压+增量电压”作为再生制动能量回馈装置的启动电压，实现了再生能馈系统的电压自适应启动。启动电压增量值不分日间时段与夜间时段，统一设置，简化了操作，针对启动电压增量值的确定，进行一系列的试验及分析来选定最优电压增量值。

3　自启动电压设置的空载验证

为了验证上述自适应启动电压方式的可行性，现场通过采集2017年6月5日的全天数据进行了分析，统计了接触网空载情况的1500V开关柜电压及再生制动能量吸收装置计算出来的接触网空载电压值进行对比。得出结论：再生能馈系统计算的接触网空载电压值与按照35kV:1672V比例得出接触网电压值很接近，偏差在5V以内。说明按再生制动能量吸收装置计算空载电压计算出来的空载电压值比较准确，可作为启动电压值的基准。而直流开关柜记录的直流电压比计算出来的空载电压值偏高，偏差在10V以内，满足要求。

4　自启动电压增量值设置的试验验证

2017年6月15日～7月4日期间，地铁车辆在区间正常试运行，全线的再生能馈系统采用了自适应启动电压方式，一直处于正常工作状态。车辆在牵引和制动时，接触网电压一直保持在1800V以内，且波动范围在良好的电压水平内，保证了车辆的正常运行。针对启动电压增量值的确定，7月5日及7月6日分别设置15V和30V时，对两种情况下的接触网电压及回馈能量情况进行对比分析，文章以两个站点为例进行采集及分析。

4.1　针对15V和30V两种启动电压增量值情况下回馈电能的对比分析

针对两天启动电压值不同的情况，再生能馈系统回馈能量值也有所不同，详见表1启动电压增量为15V和30V时全线5套装置的回馈能量（kW·h）对比。

表1　15V和30V时全线5套装置的回馈能量（kW·h）对比

从表1可看出，当启动电压增量从15V增加到30V时，回馈能量有所减少，符合理论分析，但回馈能量总体并没有减少太多。

针对10号线目前的运行方式，车辆运行间隔较长，可预计，邻车吸收的能量相对较小，所以降低启动电压并不会大幅提升回馈能量。因此，本次试验未对10V情况进行试验，直接对启动电压增量设置为5V的情况下进行试验。

4.2　针对启动电压增量值设置为5V的情况进行试验验证

7月28日，将再生能馈系统启动电压增量设置为5V时，在华兴站21:00～23:00进行了跟踪测试。详见图2华兴站电压电流波形。

图2　华兴站电压电流波形

从图2可以看出，将启动电压增量由15V设置为5V以后，系统在车辆运行情况下仍可正常工作，启动电压相应降低，从而引起接触网电压进一步降低，基本保持在1650V以下。

采用再生能馈系统的目的之一即在于将接触网电压控制在1800V以下，保证列车运行安全稳定。如果将再生能馈系统的启动电压值设置过低，将带来以下几个方面的影响：

（1）再生能馈系统作为电动机使用，过度回馈接触网能量，增加了整个牵引系统损耗，增加了能馈装置的工作负荷。

（2）地铁设计中的邻车吸收制动能量的接触网电压范围为[1500V，1710V]，再生能馈系统与邻车共同吸收制动能量的接触网电压范围为[启动电压值，1710V]，若降低了再生能馈装置的启动电压，再生能馈装置频繁启动则会造成邻车吸收的制动能量减少。

（3）直流输入电压适当升高，输入车辆直流电流则降低，有利于车辆启动性能，地铁车辆启动较为频繁，接触网电压过低时不利于车辆发挥牵引性能。

（4）夜间地铁停运，车辆回库后，整个接触网电压处于空载工况，当接触网贯通后，各牵引所的接触网电压相互影响，与中压环网电压不成正比关系。如果启动电压的增量设置过低，可能会出现站内环流的情况。

现场统计了簇锦站和T1站的计算接触网电压与实际的接触网电压波形，得出结论：凌晨1:00～1:30的0.5h内两站均出现了实际接触网电压高于计算接触网电压的情况，如果将启动电压设置过低，在夜间必然会出现环流这种异常情况。同时，考虑到10号线目前的运行方式，车辆运行间隔较长，可预计，邻车吸收的能量相对较小，所以降低启动电压并不会大幅提升回馈能量，因此本次试验未对10V情况进行试验。

5　结语

综上所述，通过对比回馈能量的差异，随着启动电压值的增量升高，回馈能量有所减小，但减幅并不大。分析原因为地铁10号线运营前期车辆运行间隔较大，邻车吸收制动能量的影响较小，大部分的车辆制动能量由再生能馈装置吸收再利用。启动电压值的增量设置需考虑到各种因素，确保整个系统不得出现设备异常环流的工况。结合成都地铁是10号线目前的运营情况，推荐采用[15V，30V]作为启动电压的增量选取范围，可以较好地实现再生能馈装置的自适应电压启动。

参考文献

[1]陈建君，周才发．再生制动能量吸收装置设置方案研究[J]．电气化铁道，2011，（5）.

[2]何礼光，何海华．再生制动能量回馈系统的能量回馈效率影响因素分析[J]．城市轨道交通研究，2017，（6）.

[3]李珞．重庆单轨交通再生制动能量地面吸收装置的应用[J]．现代城市轨道交通，2005，（4）.

收稿日期：2018-01-25

作者简介：杨晓龙（1983-），男，河北新乐人，中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司工程师，研究方向：地铁机电施工。