城市轨道交通能量回馈系统课件

城市轨道交通能量回馈系统简介

株洲南车时代电气股份有限公司张志学城市轨道交通能量回馈系统简介株洲南车时代电气股份有限公司Page

2城市轨道交通能量回馈系统背景自工业革命以来，人类向大气中排放的CO2等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增加，已引起全球气候变暖等一系列严重问题。《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》以及《哥本哈根协议》等公约的签订表明了全世界各国在保护环境、减少排放等领域的广泛共识。温家宝总理在哥本哈根气候会议上曾承诺：“我国到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%。”城市轨道交通是所有公共交通方式中最绿色环保的，但其能耗和碳排放总量仍十分巨大，如何利用低碳技术降低能耗，减少碳排放是城市轨道交通行业的重要课题。城市轨道交通系统目前正采用或研究的低碳技术包括车辆轻型化技术、提升车载系统部件的效率、提升再生制动能力、空调通风系统智能化控制技术、节能型LED光源技术等等，其中供电系统回馈能量的再利用技术也是重要节能减排技术之一。

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3二技术思路初探三现行技术方案简介一再生制动能量分析可靠的、创造的、世界的、超越的、绿色的Page3二技术思路初探三现行技术方案简介一再生制动能3Page

4一再生制动能量分析常规牵引供电系统主要优点：

结构简单、可靠、经济主要缺点：谐波特性不佳；直流电压不可控；制动能量不能利用Page4一再生制动能量分析常规牵引供电系统主要4Page

5一再生制动能量分析整流器再生制动车辆牵引加速车辆Page5一再生制动能量分析整流器再生制动车辆牵5Page

6一再生制动能量分析电制动能量的约30%被列车利用，其余的制动能量都被电阻消耗掉。因此可以利用的能量为22%*70%=15.4%

能源浪费 背离低碳、环保理念热量聚集

加热隧道、洞室加大通风消耗额外能量耗散这些热量。Page6一再生制动能量分析能源浪费6Page

7一再生制动能量分析headway>10min15%-25%/dayHeadway<10min5%-15%/dayPage7一再生制动能量分析headway>107Page

8二技术路线初探回生再生吸收电阻整流器R发热消耗型回生再生回馈逆变器整流器回馈型回生再生超级电容整流器储能型Page8二技术路线初探回生再生吸收电阻整流器R发热8二、技术路线初探能量消耗型技术路线车载能量吸收装置地面再生能量吸收装置二、技术路线初探能量消耗型技术路线车载能量吸收装9飞轮储能缺点：

系统复杂，空间需求大

处于技术研究和实验室验证阶段。二、技术路线初探能量储存型技术路线飞轮储能二、技术路线初探能量储存型技术路线10二、技术路线初探能量储存型技术路线超级电容器储能超级电容器大容量：30000~80000F储能密度高：大于20KJ/Kg供应商较多：MAXWELL、VINA、和众汇能超级电容器储能方式车载超级电容器地面超级电容器二、技术路线初探能量储存型技术路线超级电容器储能11二、技术路线初探超级电容储能基本电路拓扑二、技术路线初探超级电容储能基本电路拓扑12二、技术路线初探能量回馈型技术路线

能量回馈到电力系统当中，必然要求将直流电能转换为交流电能，按逆变器的交流侧电压进行分类，相对的可以分为三个等级：低压回馈：400V中压回馈：1180V高压回馈：10KV,35KV（33KV)二、技术路线初探能量回馈型技术路线能量回13二、技术路线初探低压回馈+电阻消耗型方案1主要优点：实现制动电能的再利用主要缺点：回馈电能容量受限于400V系统容量，制动电阻不能取消回馈电能交流侧电压低，电流大，设备损耗和体积大二、技术路线初探低压回馈+电阻消耗型方案1主要优14二、技术路线初探--全PWM方案2主要优点：无需额外二极管整流回路，能量双向流动；直流电压可控，根据需要可设定为恒压或变压；在实现整流功能的同时实现无功补偿（STATCOM)；扩大输电能力，增大站间距离；主要缺点：变流器过载能力差，需按300%过载进行容量计算，成本显著增加。二、技术路线初探--全PWM方案2主要优点：15二、技术路线初探PWM中压回馈方案3主要优点：节省隔离变压器，占地面积少。回馈电能完全利用。主要缺点：二极管整流器与回馈装置之间存在固有环流；二、技术路线初探PWM中压回馈方案3主要优点：16二、技术路线初探高压回馈方案4主要优点：对电网冲击较小制动电能重新分配再利用主要缺点：高压侧开关柜相对昂贵，需增加变压器二、技术路线初探高压回馈方案4主要优点：17主要优点：具备全控PWM整流器方案的所有优点具备300%过载能力对高压电网的冲击很小主要缺点：超级电容器的串并联应用可靠性有待提升超级电容器的功率密度和性价比有待提升二、技术路线初探

PWM整流+超级电容器方案5主要优点：二、技术路线初探PWM整流+超级电容18Page

19三、现行技术方案简介高压回馈系统基本原理整流器能量回馈装置再生制动车辆牵引加速车辆牵引加速车辆车站动力系统Page19三、现行技术方案简介高压回馈系19Page

20三、现行技术方案简介系统基本原理Page20三、现行技术方案简介系统基本20Page

21三、现行技术方案简介系统基本原理jXIV

sV

invIXjXIVsV

invIPage21三、现行技术方案简介系统基本原21Page

22三、现行技术方案简介主要技术参数适用直流额定电压：

750VDC,1500VDC额定回馈功率Pn：

1.5MW/单元多重扩展功率： 1.5MW~9MW

短时峰值

功率因数cos：-0.99效率：＞96％系统谐波电流：<5%（额定功率，计算到25次谐波）回馈系统动作电压：1600~1800VDC；（手动或自动可调）人机界面：65k色，5.7''触摸屏本地/远程控制：RS485接口/Profibus接口

Page22三、现行技术方案简介主要技术参22Page

23三、现行技术方案简介主要技术参数能量回馈装置外特性Page23三、现行技术方案简介主要技术参23Page

24三、现行技术方案简介能量回馈装置外观回馈装置：1200（w）X1200（d）X2200（h）变压器：2500（w）X1500（d）X2600（h）

Page24三、现行技术方案简介能量回馈装置外观回馈24Page

25三、现行技术方案简介主要技术特点技术特点可靠性高变压器隔离多重化成熟模块高性能控制平台模块化设计支持支路扩展支持模块扩展接口丰富人机界面485接口ProfiBusDP工业以太网CSRDriver扩展方便匹配各种整流器匹配SCADA系统兼容性强Page25三、现行技术方案简介主要技术特25Page

26三、现行技术方案简介方案可靠性分析

成熟的功率模块技术

采用在城轨车辆、干线车辆、风力发电等领域成熟的功率模块

成熟的控制平台技术采用在机车、城轨车辆、石油钻井平台、轧钢机等工业领域成熟应用的控制平台及控制算法

功率模块控制系统Page26三、现行技术方案简介方案可靠性26三、现行技术方案简介方案可靠性分析PWM变流器技术的成熟度干线机车、柔性直流输电、风力发电、光伏发电系统业界使用案例：东京筑波快捷线、香港地铁可靠性设计关键信号多传感器：直流电压关键电路多回路并联：充电回路、变流器关键故障保护与监控：脉冲封锁、断路器隔离，在线检修系列化设计：1.5MVA/单元三、现行技术方案简介方案可靠性分析PWM变流器技术的成27Page

28三、现行技术方案简介方案接口分析人机界面Page28三、现行技术方案简介方案接口分28Page

29三、现行技术方案简介方案接口分析二次开发软件CSRDriverPage29三、现行技术方案简介方案接口分29Page

30三、现行技术方案简介方案兼容性分析可与6脉波、12脉波、24脉波等多种规格的整流器相匹配可与城轨地铁供电系统、磁悬浮供电系统匹配可与DC750V系统、DC1500V系统匹配与SCADA系统完全兼容，可提供RS485/Profibus等多种接口Page30三、现行技术方案简介方案兼容性30Page

31三、现行技术方案简介方案扩展性分析系统容量扩展：基本单元1.5MVA;可并联为3、4.5、 6、7.5、9MVA等多种容量等级供电功能扩展：可作为牵引供电单元，实现过载及跨

区供电冗余功能电能治理扩展：可兼做能量回馈装置和无功补偿SVG 电能质量治理装置Page31三、现行技术方案简介方案扩展性31三、现行技术方案简介方案的经济性分析节能减排减少车辆购置费减少车辆重量，提高车辆载荷能力改善车辆设备布局，减轻维护工作量三、现行技术方案简介方案的经济性分析节能减排32三、现行技术方案简介方案的经济性分析一个容量为3MW变电所回馈电能计算电能的回馈率与行车密度、客流量等密切相关；平均电能回馈率的经验数据为5~15%额定容量；制动电能回馈量的估计值为：365day*16hour*10%*3000kW=1,752,000kWh回馈装置本身损耗（主要来源于回馈能量）365day*24hour*(1-96%)*3000kW=1,051,200kWh年节省电费(1752000-1051200)KWh*0.75元/KWh=52.56万元制动电能发热温升处理空调、风机等设备购置费及运营电费估算40万元电能质量治理 SVG装置购置费60万（1.5MVar）三、现行技术方案简介方案的经济性分析一个容量为333Page

34三、现行技术方案简介方案的试验检测整流器整流器开关柜牵引整流变能量回馈装置能量回馈装置模拟负载模拟负载牵引整流变开关柜Page34三、现行技术方案简介方案的试验34Page

35三、现行技术方案简介方案的试验检测按750V/1500V城轨供电系统全功率考核能量回馈装置；模拟6/12/24脉波供电系统，考察回馈系统在负载变化时的稳定性与可靠性。实现对回馈装置与牵引整流器的兼容性及最佳输出特性的试验研究，保证回馈装置的兼容性及可靠性；实现对单台装置或单重模块的功能性试验。考察系统工作逻辑及流程，研究系统控制算法，获得最优控制策略。（缩短现场调试时间,降低试运行风险）Page35三、现行技术方案简介方案的试验35Page

36三、现行技术方案简介方案的试验检测Page36三、现行技术方案简介方案的试验36Page

37阀侧测量点10kV侧测量点三、现行技术方案简介方案的试验检测网侧电流谐波及效率测试Page37阀侧测量点10kV侧测量点三、现行技术方案37Page

38直流母线电压：1700V回馈电流：650A/重三、现行技术方案简介方案的试验检测Page38直流母线电压：1700V38Page

3910kV网侧电流波形及谐波频谱高压侧电流THD：4.5%功率因数：0.99三、现行技术方案简介方案的试验检测P