第37卷 第12期2009年12月V o.l37 N o.12D ec. 2009城市轨道交通能馈式再生制动技术及其对电网的影响陶章荣1,潘爱强2(1.上海申通地铁集团有限公司,上海 200233;2.华东电力试验研究院有限公司,上海 200437)摘 要:城市轨道交通起停频繁、速度变化快、制动能量大,可以重新利用制动能量的再生制动技术也在不断改进。
回顾了各类常规制动技术及其特点,并介绍了最新的能馈式再生制动技术,研究论述能馈式再生制动技术对电网的影响,从电能质量、电能计量、继电保护三个方面分别进行分析,有助于电网应对城市轨道交通再生制动电能的注入。
关键词:城市轨道交通;能馈式再生制动技术;电能质量;电能计量;继电保护作者简介:陶章荣(1962 ),男,工程师,从事城市轨道交通变电运行管理工作。
中图分类号:TM712 文献标志码:B 文章编号:1001 9529(2009)12 2035 03R egenerative braking of urban rail transit w it h energy feedback and its influence on pow er gridsTAO Zhang rong1,PAN A i q i ang2(1.Shangha i Shentong M e tro Co.,L td.,Shangha i200233,Ch i na;2.East Ch i na E lectr i c P ower T est&R esea rch Instit ute Co.,L td.,Shangha i200437,Ch i na)Abstrac t:The urban ra il trans itwh ich i s characterized by frequent start up and shut do w n and quick speed variation, genera tes great energy dur i ng braki ng.T herefore,the techno logy o f reg enerati ve brak i ng t hat could reuse braki ng ene rgy has been stud i ed a l o t.T he trad iti ona l techno log ies of brak i ng and the i r fea t ures we re v i ew ed,and the ne w technology of regenerati ve brak i ng w ith energy feedback was reco mm ended.The i nfl uence o f regenera ti ve brak i ng w it h ene rgy feedback on powe r g ri ds w as d i scussed i n the aspects of pow er qua lity,energy m e teri ng,and re lay protection.K ey w ords:urban rail transit,regenerati v e brak i ng w ith energy feedback,po w er qua lit y,energy m eter i ng,relay pro tecti on1 再生制动技术城市轨道交通启停频繁,使其制动技术变得十分关键。
制动方式主要有摩擦制动与动力制动[1]。
电力机车的电气制动分为电阻制动和再生制动两种。
电阻制动指的是牵引电动机在制动时作为发电机发出的电能经电阻消耗掉,如图1所示;电阻制动的主电路工作比较可靠、稳定,制动的速度范围较大,技术简单。
城市轨道交通显著的特点就是站间距一般较短,列车启制动频繁,启动加速度和制动减速度要求大。
制动能量大,根据经验,地铁再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30%甚至更多[2]。
将这部分能量消耗在制动电阻内,不但浪费能量,图1 电阻制动示意图还容易引起机车或牵引系统的温升,对运行造成不利影响。
再生制动指的则是将这部分制动产生的电能反馈给直流供电网,可供运行与同一区段的电力机车使用,或者供给其他用电储电负荷,图2为较为简单的再生制动示意图。
从能量利用来看,再生制动可再次利用机车制动产生的能量,经济效益较大,同时可以取消制动电阻及其转换开关,使得机车主电路得到简化。
图2 再生制动示意图一般来说,列车再生制动能量在直流网不能被相邻列车完全吸收,当发车密度较低时,再生能量被其他车辆吸收的概率也非常低,有资料表明,当列车发车的间隔大于10m in ,再生制动能量被吸收的概率几乎为零。
储能式技术已在再生制动技术得以应用,如图3所示。
图3 储能式再生制动示意图在城轨制动技术中的能量将反馈,称为能馈式再生制动技术[3]。
逆变回馈再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器,该逆变器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。
当再生制动使直流电压超过规定值时,逆变器启动并从直流母线吸收电流,将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网,如图4所示。
图4 能馈式再生制动示意图能馈式再生制动技术充分利用了列车制动所产生的电能,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。
其能量直接回馈到电网,既不要配置储能元件,又不要配置吸收电阻,因此对环境温度影响小,适合于配备在供电空间不充裕的城市轨道交通供电中。
由于能馈式再生制动技术将电能反馈到电网中,常规的用电负荷不同,是用电和发电的结合体,因此,它对电网产生一定影响。
2 能馈式再生制动对电网的影响2.1 对电能质量的影响由于采用了电力电子设备对直流电逆变送入电网,必然会引起供电电网的电能质量问题。
根据并网逆变器的运行特点,较为常见的电能质量问题有:频率的偏移、电压偏差、电压波动与闪变、电压电流谐波、三相不平衡等等。
在能馈式再生制动技术中,则以电压波动与闪变、谐波为最显著。
电力机车在运行区间的负荷变化速度就比较快,幅度较为剧烈,在启动、缓行、制动以及上下坡过程中,负荷相差比较大。
制动时电能反馈电网后,会使得负荷的波动更加剧烈,负荷变化更具有快速性和冲击性。
负荷的波动会引起电压的波动,波动速度较快时则会致使电压闪变的增大。
一般来说轨道交通投运之后需要对其进行电能质量测试,电压波动及电压闪变应符合国家标准GB /T 12326 2008 电能质量电压波动与闪变 中的规定,以110kV 供电为例,当负荷波动在100次/h 以上时,引起的电压波动范围限值为1%,公共连接点的长时间闪变应小于1。
当电压波动和闪变超出限值时,可以采取多种改善措施,如加装静止无功补偿器(SVC )、快速电压调节器等等。
变流器是电网中最主要的谐波源,包括整流器、逆变器、变频器等等。
牵引变电站中的整流装置以及能馈制动时变换到交流电网的逆变器均能产生大量的谐波,本质上它们产生谐波是由于直流电流在交流三相之间不断的换相引起的[4]。
一般来说,变流器网侧的三相电流中的谐波次数和特性比较规律,统称为特征谐波。
对于各种三相变流器的交流侧来说,在三相对称的情况下,计及换相过程影响,当每周期的触发脉冲数若为P ,其特征谐波次数为k P !1,k =1,2,3,∀,其谐波含有量与控制角及换相角有关。
国家标准GT /T 14549 93 电能质量公用电陶章荣,等 城市轨道交通能馈式再生制动技术及其对电网的影响2037网谐波中对电网谐波电压及用户谐波电流发射量作了详细规定,其中,110kV电力系统公共连接点正常电压总谐波畸变率的95%概率值不得超过2%,各奇次谐波电压含量不得超过1.6%,各偶次谐波电压含量不得超过0.8%。
降低注入系统谐波含量的方法较多,常见的如调谐补偿、加装滤波器等。
此外,使用脉宽调制技术(P WM)的逆变器会较好的控制谐波特性,也是能馈式再生制动技术的研究热点。
2.2 对电能计量的影响地铁制动的电能可以向电网反馈,不再单单是用电负荷,在计量电能时,需要考虑有功的流动方向,采用双向计量核算费用的方法。
传统的单向计量装置不能区分功率方向,不能辨别有功的流入和流出,显然不能用在具有电能反馈功能的负荷计量中。
同时,制动反馈的电能同负荷消耗的电能并不是简单的正负关系,需要对输出电能的质量进行综合评价,并根据电网规定进行区别计费,这对电能计量提出了更高的要求。
由于反馈的电能谐波含量较大,也需要考虑谐波发射对电能计量的影响。
就轨道交通而言,基波功率为其有效功率,谐波功率为其向电网注入的有害功率。
常用的电能计量准确反映实际电能,即基波与谐波的综合电能,一般表现为基波电能与各次谐波电能的矢量之和。
采用这种方式时,不但没有反映出谐波源注入谐波对其他用户的损害,反而因为向电网注入了谐波能量而受益,这种方式显然不合理。
谐波对于电能计量的影响及改善措施,通过基波电能表串接低通滤波器滤除高次谐波成分的方法,可以完成基波的准确计量且较容易实现,但是不能反映出谐波对电网的危害;通过采用宽频带的功率电能表与工频电能表配合使用的方法,不仅可测量基波和谐波电能,还可以反映谐波潮流的方向。
目前智能电表的发展比较迅速,也可以在智能电表中采用频谱分析的办法分别对基波和谐波进行计量[5]。
2.3 对继电保护的影响电力机车的频繁启停,冲击电流频繁,幅值较大,使得轨道交通牵引系统的继电保护配置本身就较为复杂。
引入能馈式再生制动技术后,功率方向时刻有可能改变,潮流流向不再单一,使得直流牵引供电系统和供电电网的继电保护装置将经受更大的考验。
继电保护动作的方向正确与否,对电力系统安全、稳定起着重要的作用。
潮流流向不再像普通配电线路一样只是单向流动,将可能影响电网中部分具有方向判别功能的继电保护装置。
在110kV及以上电压等级的线路保护和在各电压等级的主变保护中,方向元件在继电保护装置中较为普遍,保护动作的方向有着严格的规定。
列车制动的电流反馈电网后,如电网继电保护配置不合理,则有可能使得保护装置发生误动。
此外,反馈造成的谐波干扰也是电网继电保护应考虑的问题[6]。
3 结语随着智能电网发展的推进及节能意识的提高,用电负荷反馈电能到电网中的情况将越来越常见,城市轨道交通由于起停频繁,制动时会产生较大的能量,促使再生制动技术快速发展。
城市轨道交通的能馈式再生制动技术因其经济性高、能量利用率高,是未来制动技术的发展方向,电网需要对此充分做好应对。
本文研究能馈式再生制动技术应用后对供电电网可能造成的影响,针对其反馈电能的特点,从电能质量、电能计量、继电保护三个方面给予分析,并提出可能的应对措施,为电网充分接纳轨道交通反馈的电能提供参考。