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1、株洲南车时代电气股份有限公司 张志学,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。
2、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。,Page 3,可靠的、创造的、世界的、超越的、绿色的,Page 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,Page 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,Page 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
3、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。,Page 7,一 再生制动能量分析,headway10min 15%-25%/day,Headway10min 5%-15%/day,Page 8,二 技术路线初探,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,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,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：3000080000F 储能密度高：大
4、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-超级电容储能基本电路拓扑,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-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
5、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- 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-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,主要优点： 具备全控PWM
6、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,Page 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,Page 20,三、现行技术方案简介 -系统基本原理,Page 21,三、现行技术方案简介-系统基本原理,jXI,V s,V inv,I,X,jXI,Vs,V inv,I,Page 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,
7、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： 16001800VDC；（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,Page 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,Page 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）X 2200（h）,变压器：2500（w）X1500（d）X 2600（h）
8、,Page 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 ProfiBus DP 工业以太网 CSR Driver,扩展方便,匹配各种整流器 匹配SCADA系统,兼容性强,Page 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,三、现行技术方案简介-方案可靠性分析,P
9、WM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,Page 28,三、现行技术方案简介-方案接口分析,人机界面,Page 29,三、现行技术方案简介-方案接口分析,二次开发软件-CSR Driver,Page 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、D
10、C1500V系统匹配 与SCADA系统完全兼容，可提供RS485/Profibus等多种接口,Page 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,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,一个容量为3MW变电所回馈电能计算 电能的回馈率与行车
11、密度、客流量等密切相关；平均电能回馈率的经验数据为515%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）,Page 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
12、,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,Page 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）,Page 36,三、现行技术方案简介-方案的试验检测,Page 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,Page 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,Page 39,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,Page 40,单重支路回馈电流：650A 效率：0.98 均流系数：0.98,三、现行技术方案简介-方案的试验检测,回馈装置交流侧电流波形,Page 41,三、现行技术方案简介-实际工程应用,广州地铁四号线庆盛区间牵引变电所： 制动电能回馈 南车株洲电力机车有限公司磁浮试验线： 制动电能回馈兼STATCOM,谢谢光临指导！,
