周帅
长沙市轨道交通运营有限公司，湖南 长沙 410100
摘要：介绍了长沙地铁1号线双向变流型再生能馈装置的基本原理及功能，对基于模块化设计的能馈装置的控制与保护方案进行研究。研究了长沙地铁1号线双向变流型再生能馈装置的定值保护方案及控制策略，并对其进行现场验证。
关键词：双向变流型再生能馈装置；模块化设计；定值保护
1 引言
地铁车辆在进站时采用电制动刹车，会向直流接触网母线反馈能量，当这一部分能量不能被其他车辆或者用电设备完全吸收时，会造成接触网母线电压抬升，影响列车电制动性能的发挥。双向变流型的再生能馈装置将列车制动产生能量逆变为交流电能回馈到交流电网，在列车牵引时与变电所牵引整流机组共同为列车提供能量。为实现这一功能，需监测能馈系统各个传感器的检测值，根据实时状态判断其工作状态，实现双向变流功能。同时采用模块化设计实现降低检修难度以及备件成本的目的。
2 长沙地铁1号线双向变流型再生能馈装置
2.1 设备基本工作原理
长沙地铁1号线双向变流型再生电能吸收利用装置其工作原理示意图如图1所示。变压器高压侧接35kV GIS开关柜，通过GIS开关柜接入中压环网，双向变流器柜通过直流开关柜接到直流母线的正极，通过负极隔离开关接到直流母线负极。
正常情况下中压电网电能通过AC35kV开关柜，降压变压器，整流柜，DC150OV开关柜向接触网供电，当列车进站制动时，直流母线电压上升，当高于设定值时，双向变流型机车再生制动能量吸收利用装置进入逆变工作模式，直流母线侧电能通过DC150OV开关柜，变流柜，升压变压器柜，AC35kV开关柜变成与中压环网电压频率幅值一致的交流电，从而达到稳定母线电压的目的。当接触网母线电压过低时，双向变流型机车再生制动能量吸收利用装置进入整流模式，将中压环网的AC35kV交流电整流成DC150OV直流，起到提升稳定接触网电压作用。
2.2 主要结构组成
长沙地铁1号线线双向变流型再生能馈系统主要由变压器、交流低压开关、双向变流器柜、负极隔离柜等设备组成。
负极柜：负极隔离开关柜为系统提供DC1500V直流电源进线。
直流控制柜：直流开关柜为系统提供DC1500V直流电源，并对该电源起到控制、维护检修时的电气隔离等作用，同时对变流柜提供预充电回路。主要安装有直流电动隔离开关、直流接触器、避雷器、预充电回路等元器件。
变流柜：变流柜负责把DC1500V直流电源变换为AC1000V三相交流电源，实现直流/交流双向变流型再生电能吸收利用。主要安装有DC/AC功率单元、滤波电抗、交流并网断路器等元器件。
隔离变压器柜：隔离变压器柜负责是将变流柜输出的AC1000V交流电变换为AC40.5kV交流电，把再生制动能量馈送至AC40.5kV交流网中。
2.3 NPC模块化设计
再生逆变回馈型再生制动能量吸收装置采用三电平、模块化设计，具有现场维护方便、模块故障时系统功率损失小等特点。装置根据容量要求不同，采用不同数量的NPC模块并联，每个NPC模块独立检测输入输出电压电流，独立进行锁相、并网等控制。列车进站产生的直流电通过熔断器进入NPC模块的直流支撑电容，三电平三相全桥主电路将直流电逆变成与电网同幅值、同相位的交流电。C1、C2为直流支撑电容、C3～C8为IGBT吸收电容、IGBT1～IGBT12与D1～D4构成三电平三相全桥、输出电感以及电压、电流检测。
NPC模块功能主要有：将直流电逆变成与电网同幅值、同相位的交流电；检测交直流测电压、电流，并提供完善的保护；将检测的各种信号量和NPC内部状态信号上送。
3 再生能源系统控制保护方案
双向变流型再生电能吸收利用装置保护包括主控系统保护和NPC模块保护两大类。主控系统保护定值及延时时间比NPC模块保护定值及延时时间稍大一些，当主控系统保护动作时，通常会有相应的开关动作；NPC模块保护时，通常只封锁本模块输出，并且故障消失后模块可以重新投入运行。
3.1 再生电能吸收装置启动停止逻辑
控制电源闭合，系统自检，没有故障告知PSCADA系统系统就绪；直流馈线断路器闭合，系统预充电；需要逆变柜与斩波柜都完成预充，线路接触器闭合；逆变柜预充完成后才能闭合逆变柜中的并网断路器（PLC实现闭锁）；系统根据检测到的直流电压值，自动实现能量吸收和反馈（逆变柜）；当电压值大于设定的启动电压时，吸收能量，当电压值小于设定的整流电压时，系统启动输出功能，当电压值等于接触网母线额定电压是，封锁PWM。其中逆变柜设置的启动电压值比斩波柜低30V左右。系统接受到PSCADA或者HMI发出的停止指令时，封锁PWM输出，然后按照一定的顺序分断交流馈线断路器、直流馈线断路器、电动隔离开关、并网断路器。
3.2 NPC模块保护
长沙地铁1号线变流柜中有8个独立的逆变模块独立检测输入输出电压电流，独立进行锁相、并网等控制，当某一模块故障时，可独立封锁故障模块，整机降额运行。NPC模块主要保护功能有，交流侧过压、欠压保护，直流侧过压、欠压保护，交流侧过频、欠频保护，交流侧过流保护，直流侧过流保护，IGBT过温保护，短路保护等。这些故障都是可恢复的，当某个参数故障引起PWM封锁后，当参数恢复正常值，系统自动重启相应模块。
3.3 主控系统
主控系统，检测系统的交流侧输入侧与直流侧电压与电流，其主要保护功能有：交流侧过压、欠压保护，直流侧过压、欠压保护，交流侧过频、欠频保护，环境过温保护，通讯故障等功能。主控系统保护会引起系统直流侧或者交流侧开关柜内断路器跳闸，一般为不可自行恢复故障。
3.4 控制与保护系统效果分析
图2与图3分别为再生能源装置接触网侧电压与电流波形与实时波形。通过图2可知，在24小时的时间内，双向变流再生能馈系统直流侧电压基本稳定，根据电压的检测值，变流器或整流或逆变，直流侧电流出现相应波动，证明系统实现了双向变流功能。根据图3可知，当直流侧电压达到设定的整流启动电压或者逆变启动电压后，再生能馈装置会迅速反应，输出电流快速变化。综上可知双向变流再生能馈系统起到了良好的稳定接触网电压作用。
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结论
截止2017年12月，长沙地铁1号线双向变流再生能馈装置已经投入使用一年多，投入使用期间运行稳定。
表1 2017年3月-12月用电量统计
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根据2017年3月-12月用电量统计，再生能馈装置共计反馈电量2728195kWh，平均每月节省电能272820kWh，起到了良好的稳定接触网电压的作用，取得了良好的节能减排效果。
参考文献：
[1].基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究