城市轨道交通再生制动回馈系统设计与节能探讨.pdf

城市轨道交通再生制动回馈系统设计与节能探讨刘聪(中国铁路设计集团有限公司,天津 )摘要:对城市轨道供电系统各组成部分的电气特性建模,研究含逆变回馈装置的牵引变电所组合运行控制策略,并采用交替迭代方式实现交直流一体化供电仿真计算.结合列车运行负荷过程模拟,利用软件求解多车、动态的全网络潮流分布和再生制动能量分配利用情况,以此为基础进行相关牵引供电计算、逆变回馈装置位置容量优化和能量反馈效果评估等研究工作,并对再生制动回馈进行系统优化设计.关键词:再生制动能量;逆变回馈;系统优化设计;交直流潮流计算;节能中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s D e s i g no fR e g e n e r a t i v eB r a k i n gF e e d b a c kS y s t e mf o rU r b a nR a i lT r a n s i t a n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nD i s c u s s i o nL I UC o n g(C h i n aR a i l w a yD e s i g nC o r p o r a t i o n,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ee l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c sm o d e l o f e a c hc o m p o n e n t o f t h eu r b a n r a i l p o w e r s u p p l ys y s t e mi s e s t a b l i s h e d,t h ec o m b i n e do p e r a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yo f t r a c t i o ns u b s t a t i o nw i t h i n v e r t e r f e e d b a c kd e v i c e i s s t u d i e d,a n d t h e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fA Ca n dD Ci n t e g r a t e dp o w e rs u p p l y i s r e a l i z e db ya l t e r n a t i n g i t e r a t i v em o d e C o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o no ft r a i nr u n n i n g l o a dp r o c e s s,t h es o f t w a r e i su s e dt os o l v e t h em u l t i c a r,d y n a m i cp o w e r f l o wd i s t r i b u t i o na n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yd i s t r i b u t i o na n du t i l i z a t i o n B a s e do n t h i s,t h e r e l e v a n t t r a c t i o np o w e r s u p p l y c a l c u l a t i o n,i n v e r t e r f e e d b a c kd e v i c ep o s i t i o nc a p a c i t yo p t i m i z a t i o na n de n e r g y f e e d b a c ke f f e c t e v a l u a t i o na r e c a r r i e do u t,a n d t h e s y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g no f r e g e n e r a t i v eb r a k i n gf e e d b a c k i sc a r r i e do u t K e yw o r d s:r e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g y;f e e d b a c k i n v e r t e r;s y s t e md e s i g no p t i m i z a t i o n;A C/D Cp o w e r f l o wc a l c u l a t i o n;e n e r g yc o n s e r v a t i o n收稿日期:作者简介:刘聪(),工学硕士,研究方向为轨道交通供电系统设计.引言当前,在国内城市轨道交通供电系统中,为有效利用城市轨道列车再生制动所产生的电能以减少城市轨道交通运营的用电量,同时改善城市轨道交通供电质量,一种逆变回馈型的再生制动电能吸收、回馈和再利用的新技术在业内被广泛推广与应用.然而,这项新技术却对传统的供电系统设计提出了新的要求,亟需建立一种全新的交、直流网络受控互联的潮流计算算法,从系统建模与仿真层面为供电系统设计提供技术支持.为此,基于交直流交替迭代的城市轨道供电系统再生制动能馈仿真算法应运而生.含逆变回馈的牵引供电系统仿真是完成相关牵引供电计算、逆变回馈装置位置容量优化和能量反馈效果评估等研究工作的基础,并直接面向城市轨道供电系统相关设计.该算法在深圳地铁 号线、深圳地铁号线三期、杭州地铁 号线等再生能系统设计中得到应用,对于指导设计和推广应用具有实用价值.同时,仿真平台在各工程中的应用也积累了大量统计结果数据,为探究系统节能和优化设计提供了理论基础和数据支撑,使得各影响因素的定量分析成为可能.本文以此为出发点,探究各影响因素对再生制动能量吸收效果的影响过程,并以统计结论分析来探究牵引供电系统优化设计的可能方向.牵引供电系统建模逆变回馈再生制动能量吸收装置主要采用大功率晶闸管三相逆变器或I G B T逆变器.工业中常用的三相桥式晶闸管有源逆变电路如图所示.图三相桥式有源逆变电路与不可控的整流电路相对应,作为全控电路,有源逆自动控制电工技术变电路常采用的控制方式有恒压控制(即控制直流输出电压恒定)和恒逆变角控制(即控制逆变角恒定)等.在回馈至中压环网的方案中,处在逆变状态的牵引变电所,与普通整流牵引变电所在结构上区别不大.但由于整流、逆变电路额定空载电压的不同(计算中将逆变电路额定输出电压选取为控制电压),整流牵引变电所变压器二次侧绕组匝数与逆变变压器也相应存在一定比例关系nI RnI/nR.其中nI R的计算式为:nI RUac o sm i n(EdXcId)()式中,m i n为最小熄弧角(恢复阻断角与换相安全裕量角之和),约 .考虑严苛情况,即中压网络电压Ua的压降以及重载下直流侧电流Id取额定工况下的 ,nI R计算值约为 .通常情况下,特别是高压直流输电系统的计算中,换相电阻Rc远小于电抗Xc,或者为计算简便,Rc往往忽略不计.而城市轨道供电系统中压电网电压等级较低,一般为 k V,换流器的换相电阻和电抗的比值通常高于HV D C系统,换相电阻不可被忽略.为将换相电阻对换流器工作状态的影响加以考虑,提出了等效电阻电抗模型(R L模型),如图所示.在潮流计算中,考虑到换相阻抗对整流/逆变器工作模式的影响,在换流器电路中可使用等效换相阻抗Re q表示,Re q()Rc,其中为阻抗角.图R L逆变电路模型若换流器电路工作在逆变状态(即模式)下,则可得到考虑换相压降的逆变变压器二次侧回路方程:Et|nI REd|(c o sc o s)()IdRc()三相桥式有源逆变电路二次侧负载基波电流Id瞬时值为:Idi|nI REd|c o sXce()c o s()e()c o s()()式中,RcXca r c t a n(RcXc).对基波电流Id瞬时值表达式进行傅里叶分解,可分别得到其实、虚部(即有功、无功部分),进而得出三相桥式有源逆变电路两侧功率模型:Pi|nI RUi|Xcc o sA(,)|nI RUi|IdiB(,)()Qi|nI RUi|Xcc o sC(,)|nI RUi|IdiD(,)()其中:A(,)()s i nc o s()c o s()c o sc o s()e()c o s()c o s()B(,)c o se()c o s()c o s()c o sc o sC(,)()c o ss i n()s i n()c o sc o s()e()s i n()c o s()D(,)c o se()s i n()s i n()s i ns i n含有逆变回馈的牛顿拉夫逊法潮流计算在交直流混合系统的潮流计算中,所有交流、直流节点同步参与计算.牵引变电所是交直流网络的接口,其功率模型反映了两侧电能的交换.变电所功率模型简图如图所示.图变电所功率模型简图功率平衡方程中i节点为逆变型变电所节点,p节点为整流型变电所节点,v和t分别表示该网络直流侧的节点编号,q、k分别表示其他交流、直流节点.PpQpUp(NqYp qUq)Pp jQpPiQiUi(NqYi qUq)Pi jQi对于逆变支路,功率偏差方程为:PiPiNqUiUq(Gi qc o si qBi qs i ni q)Pi()QiQiNqUiUq(Gi qc o si qBi qs i ni q)Qi()对于逆变支路直流侧节点,功率偏差方程为:PvPvUv(MkGv kUk)EvIdi()由于功率方程中引入逆变回路参数超前角和熄弧角,因此需另引入个独立修正方程:REv|nI RUi|(c o sc o s)()RcIdi()RIdi|nI RUi|c o sXce()c o s()e()c o s()()无论是牵引变电所内地面制动电阻吸收装置还是逆变电工技术自动控制 回馈装置,都希望维持其输入输出电压恒定.控制电压取装置投入电压Es e t,则引入修正方程为:REs e tEv()PiQiRRPqQqPvRPkHi iNi iAiBiHi qNi qCi vJi iLi iDiEiJi qLi qFi vGiIiKi Oi vMi vRiSiTi Ui v Hq iNq i Hq qNq q Jq iLq i Jq qLq q Zv i Nv vNv k Yv v Nk vNk kiUi/UiIdIiqUq/UqEv/EviEk/Ek()式中,Hi iPi i,Ni iPi UiUi,AiPi Idi,BiPi i整流牵引变电所可采用相同模型,或使用 脉波整流机组模型,可一并加入修正方程进行迭代求解.交替迭代算法和城市轨道仿真平台采用交替迭代方式的交直流一体化供电计算,其直流侧计算、交流侧计算和换流器模块计算具备相对独立性.交替迭代算法在各计算模块建模精度、算法整体收敛难度和变电所状态转换的实现上具备优势.交替迭代算法示意图如图所示.图交替迭代算法示意图仿真平台使用MA T L A B作为编程工具,采用交替迭代方式实现交直流一体化供电仿真计算.针对安装逆变回馈装置的牵引变电所,给出基于电流流向判据的状态转换方法,实现牵引变电所整流、关断、逆变三种工作状态的闭环转换;确定以V S C换流电路为主体的逆变回馈装置的运行控制策略组合;通过交直流一体化供电计算求解整个供电系统的潮流分布,分析再生制动能量经变电所逆变回馈至交流网络后再分配和利用的情况;通过对城市轨道供电系统交流及直流各组成部分的建模,以及对列车动态运行负荷过程的模拟,在算法中实现含有逆变回馈装置的交直流全网络动态仿真.再生制动回馈效率影响因素的探究基于实际工程作为算例,应用上述供电仿真平台对各牵引变电所再生制动回馈效率的影响因素进行仿真计算和数理统计