(天津保富电气有限公司 天津 300392)
摘要：机车牵引供电系统是机车电力系统当中重要谐波来源，会严重影响机车的性能。在经过不断改进下，虽然在控制低次谐波上有所成效，但在高次谐波的控制上收效甚微。本文就以地铁为例，对再生制动工况中的机车牵引供电系统状态进行分析。
关键词：再生制动；地铁；牵引供电系统
引言：近年来，我国城市轨道交通发展迅速。目前国内轨道交通车辆普遍采用先进的VVVF调速技术，地铁车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，车辆启制动性能较高，从能量相互转换的角度来看，制动能量是相当可观的。但是，在采用电阻耗散方案的再生能量系统中，多余的能源被电阻消耗掉，不但不能节能，反而增加了城市轨道交通线路通风散热系统的负担，因此研究城市轨道交通再生制动能量利用技术，提高再生制动能量利用率，对节能减排和可持续发展具有很重要的意义和实用价值。
一、地铁牵引供电系统组成
在地铁牵引供电系统中，电能从10kV（或35kV）交流母线经牵引降压变压所、馈电线、接触网输送给轨道交通车辆，产生的电流从轨道交通车辆行驶的钢轨和回流线流回变电所。由馈电线、接触网、钢轨和回流线组成的供电网络称为牵引网。
地铁牵引供电系统由牵引降压变电所和牵引网组成，其中牵引降压变电所和接触网是牵引供电系统的主要组成部分。
地铁车辆的制动方式为电制动（再生制动）和空气制动，运行中以电制动为主，空气制动为辅。根据经验，地铁再生制动产生的能量除了一定比例（一般为20%～80%）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。
二、天津地铁1号线再生能方案
天津地铁1号线为改善既有线西站至新华路早期建设区段的隧道温度，刘园至双林全线采用电阻耗能型再生能量吸收装置。其主要工作原理是：当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。
该方案的优点：控制简单和直观，可以取消（或减少）列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；能够降低隧道温度、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗和闸瓦制动粉尘、净化隧道环境，而且国内有比较成熟产品制造，价格较低。
该方案的缺点：该装置设置在地下变电所内，再生制动能量在吸收电阻上集中发热消耗，导致放置电阻柜的设备房间环境温度上升，还需采取措施保证足够的通风量。该装置在1号线使用过程中并没有将再生能量进行有效利用，未达到节能效果。制动电阻柜放置在地面上与风亭合建或者做成护栏形式，虽然能够保证热量的及时发散，但是涉及拆迁、环评、规划等事宜，难度较大。从节能的角度，电阻能耗型设备不代表再生能量吸收技术的发展方向。
三、低压逆变方案（逆变至400V）
能馈式再生制动能量吸收方式是通过逆变装置将能量回馈至交流电网供其它用电设备使用，可以节约机车制动电阻，减少地铁洞体温升并减少通风设备的能耗，是节约能源的一种再生制动能量吸收利用方式，这里的交流电网可以是低压400V母线，也可以是变电所10kV（或35kV）交流电网。
该方案的优点：根据国内已正常通车的线路运营效果可以看出逆变装置与电阻装置间吸收能量之比约8：2，电阻装置发热量将明显降低，可选用2面电阻柜，比电阻耗能型制动电阻装置减少一面电阻柜。
该方案的缺点：受制于逆变电压等级（0.4kV）与IGBT元器件生产工艺，目前低压逆变装置750V系统最大容量650kW，1500V系统最大容量为1200kW，因此低压逆变方案仍需配备2面电阻柜，系统结构复杂。低压逆变方案在国内多条地铁线路里采用，如重庆1号线一期、重庆轻轨3号线、重庆地铁6号线一期、北京9号线等。
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2007年底，天津地铁1号线对低压逆变方案进行了挂网运行试验，逆变装置运行比较平稳，但从回馈的电度表上显示的吸收电量不理想，未能全线推广应用。
四、中压逆变回馈型方案
中压逆变回馈型再生制动能量吸收装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。中压逆变型装置目前基本功率单元为1000kW，若设备容量需求高于1000kW，可采取并联模块的方式来实现。因此，中压逆变装置通常不设置电阻。
中压能馈型再生制动装置目前已在北京地铁10号线二期工程等线路示范应用，运营情况良好且节能效果显著。
该方案的优点：充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到中压环网不需要配置储能元件；对环境温度影响小，适合大功率室内安装的情况。
该方案的缺点：该方案已在国内个别城市的线路中挂网运行，但是缺少长期运营维护经验。
五、新线建设中再生能量系统方案的建议
电阻耗能型再生能量消耗装置技术已成熟，在国内也有大量运行经验，但其没有节能效果，不推荐采用。
中压能馈型装置代表了再生电能利用技术的最新发展方向，目前在北京地铁10号线二期和14号线各选取了2座牵引变电所进行示范性应用节能效果良好，推荐采用。
六、地铁牵引供电系统状态分析
地铁在进行牵引运作时，从馈线取流近似正弦波。低次谐波电流不受馈线电流的影响。低次谐波电流含量的总体水平大致相当于交—直型机车的20%～30%左右。交—直—交型机车在再生制动时，由于馈线电流较小，从而导致低次谐波电流含有率占用较高，而且次谐波以及高次谐波大量涌现。通过对实际运行的数据进行调查发现，再生制动工况下，馈线电流的总畸变数量较大，连带着功率也比较低。交—直—交型地铁在初期的起动中，逆变器输出的交流频率一直处于较低状态。而且在起动中，机车整流器从电网中的取流较小，馈线电流总谐波的畸变现象明显，功率相比较正常运行时较低。反之，当馈线电流较大速度时，谐波畸变就会较弱，功率因数也较低。这也就说明了在负荷功率较大下的情况，负荷功率大导致馈线电流正弦性较好，产生的谐波较少，电流的THD值就较小。
在电力电子技术快速发展的今天，在提升地铁运行速度和稳定性的目的驱使下，它实现了从直流传动向着交流传动的方向转变。交流传动技术在地铁的运用，能够大大减轻机车运行时对电网产生的污染，以及对信号和通信设备的破坏。但是，交流传动技术与直流传动相比，必然也存在一定的劣势，例如交流传动技术在运作过程中会产生大量的谐波，这些谐波充斥在电网和通信线路当中，也会在一定程度上造成破坏性影响。因此，对于机车工作者或研究者来说，对交—直—交型地铁的网测谐波进行分析是很有必要的。交—直—交型地铁与交—直型机车相比，采用的脉冲整流方式是具有一定特殊性的。尤其在牵引工况当中，其特殊性体现的更为明显。脉冲整流器在经过调制之后，能够通过从馈线获取与网压同相位的于正弦波电流的方式，大大减少馈线电流的畸变程度，从而提高电所功率因数，提升变电所容量的运用。
结束语：
对机车在再生制动工况下，牵引供电系统的谐波的产生原因及条件的分析，对于提高我国机车运行速度、稳定性，降低能源的消耗有重大指导意义。对于电气化铁道而言，要想最大程度的降低谐波对牵引供电系统，以及电子设备的负影响。必须要明确馈线电流谐波的含量及其分布情况。然后再根据在实际状况中的数据收集，分析如何降低谐波对机车运行，以及通信系统的干扰。
参考文献：
[1]王彦峥，苏鹏程. 城市轨道交通再生能量回收技术方案的研究[J].电气化铁道，2004（2）：37-39.
[2]孙延焕. 再生制动吸收设备的应用介绍[J].电气化铁道，2005（3）：40-41.
[3]郑瞳炽，张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统[M].北京：中国铁道出版社，2003.
论文作者:孙君
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：谐波论文; 能量论文; 电阻论文; 地铁论文; 供电系统论文; 电流论文; 装置论文; 《电力设备》2017年第29期论文;