1 引言

　　從各國城市化發(fā)展的實(shí)踐來看，軌道交通以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)舒適的技術(shù)優(yōu)勢在世界各國和地區(qū)已經(jīng)成為主要的城市交通工具。城市軌道交通地鐵是解決城市交通擁擠問題的重要途徑，關(guān)乎國計(jì)民生，對(duì)于整個(gè)國家的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

　　城市軌道交通供電系統(tǒng)是軌道交通工程中重要機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)之一，它擔(dān)負(fù)著為電動(dòng)列車和各種運(yùn)營設(shè)備提供電能的重要任務(wù)。目前城軌供電系統(tǒng)的主流方案是12脈波或24脈波二極管不控整流機(jī)組，電力只能單向流動(dòng)。由于車站間距短，列車啟停非常頻繁，車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)電流通過車載制動(dòng)電阻消耗，白白浪費(fèi)了大量的能量，另外，增加了隧道溫升和額外環(huán)控設(shè)備投入。與國家大力提倡的節(jié)能環(huán)保、高效低碳運(yùn)行的國家戰(zhàn)略背道而馳。

　　為此，對(duì)于列車再生制動(dòng)能量的處理方式，國內(nèi)外大學(xué)、科研院所、企業(yè)進(jìn)行了大量研究，處理制動(dòng)能量除了電阻消耗方式(傳統(tǒng)處理方式)，還有以下方式：

　　電容儲(chǔ)能方式。電容儲(chǔ)能吸收裝置是用超級(jí)電容將列車制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來，并在列車牽引時(shí)釋放。這種方式缺點(diǎn)時(shí)電容體積大，因充放電頻繁電容壽命有限，價(jià)格高，技術(shù)有待完善和提高，限制了市場的推廣。一旦電容價(jià)格大幅下降，或者電容技術(shù)取得突破后，也是該產(chǎn)品未來的一個(gè)發(fā)展方向。

　　飛輪儲(chǔ)能吸收方式。飛輪儲(chǔ)能吸收裝置是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，將列車制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來，并在列車牽引時(shí)釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。飛輪儲(chǔ)能吸收裝置技術(shù)有待完善和提高，建設(shè)成本高，限制了市場的推廣。

　　逆變吸收方式。其主要原理：利用電力電子變流器，將列車制動(dòng)能量逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞伒浇涣麟娋W(wǎng)，供其他設(shè)備再利用。該方式為目前軌交列車再生制動(dòng)能量回收的主流方式。也是新風(fēng)光公司軌道交通再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置采用的技術(shù)路線。

　　2 再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置

　　2.1 再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置簡介

　　多年來，新風(fēng)光公司專注于電力電子技術(shù)節(jié)能與軌道交通牽引供電控制技術(shù)方面的開發(fā)利用。城市軌道交通節(jié)能產(chǎn)品是新風(fēng)光為滿足軌道交通機(jī)車綠色環(huán)保運(yùn)行的市場需求，自主研發(fā)的新一代機(jī)車制動(dòng)再生能量處理裝備。

　　該產(chǎn)品通過了鐵科院的型式試驗(yàn)及歐盟CE認(rèn)證，新風(fēng)光牽頭主持制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置》(GB/T37423-2019)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在重慶、北京、南京、青島、成都、濟(jì)南、鄭州等城市的地鐵線路上。

　　該產(chǎn)品的主要作用是，在地鐵列車停車制動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定供電系統(tǒng)直流電網(wǎng)的電壓，保證直流電網(wǎng)的電壓不會(huì)由于地鐵列車制動(dòng)能量反送電網(wǎng)而引起直流電網(wǎng)電壓大幅升高，導(dǎo)致連接直流電網(wǎng)的用電設(shè)備損壞。因此裝置投入運(yùn)行的最佳時(shí)機(jī)不是在地鐵制動(dòng)開始時(shí)，而是在制動(dòng)能量不能被直流電網(wǎng)上的其他設(shè)備利用而造成直流電網(wǎng)電壓明顯抬升時(shí)投入。

　　制動(dòng)能量首先由直流電網(wǎng)上的其他設(shè)備(相鄰站的列車)利用，其他用電設(shè)備不能完全將制動(dòng)能量吸收造成直流電網(wǎng)電壓明顯抬升時(shí)，逆變投入運(yùn)行，將制動(dòng)能量反饋至交流電網(wǎng)，供交流用電設(shè)備重新使用。

　　2.2 主回路系統(tǒng)

　　該裝置主回路系統(tǒng)主要由直流開關(guān)柜、隔離開關(guān)柜、逆變柜、能饋?zhàn)儔浩骱徒涣鞴駱?gòu)成，如圖1所示，其中直流開關(guān)柜和交流開關(guān)柜部分可以借用現(xiàn)場已有的柜體，因此系統(tǒng)中最少要包含隔離開關(guān)柜、逆變柜和隔離變壓器這三部分?！?/p>

　　圖1中，直流開關(guān)柜內(nèi)部主要是直流斷路器，用于將逆變裝置連接至直流牽引網(wǎng);隔離開關(guān)柜內(nèi)部主要是隔離開關(guān)以及控制核心部分，其中隔離開關(guān)用于設(shè)備安裝維護(hù)時(shí)與電網(wǎng)脫開，控制核心部分用于控制整套裝置邏輯動(dòng)作;逆變柜內(nèi)部主要是功率單元，主要用于直流、交流電能的轉(zhuǎn)換;交流低壓斷路器安裝在逆變柜內(nèi)，其用于連接逆變柜與能饋?zhàn)儔浩?能饋?zhàn)儔浩鞲鶕?jù)交流電網(wǎng)的電壓等級(jí)設(shè)置，用于將逆變器輸出的電壓逆變成與其相連的交流電網(wǎng)相同的電壓;交流開關(guān)柜用于將逆變裝置連接至交流電網(wǎng)，此處的交流電網(wǎng)可以是400V、10kV或者35kV，可以根據(jù)現(xiàn)場的需求變換。

　　2.3 電氣原理

　　逆變?cè)O(shè)備單元采取單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于該逆變?cè)O(shè)備回饋功率較大，且電網(wǎng)電壓低，所以總的輸出電流大，采用多單元并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大功率的拓展。

　　逆變單元采用三電平拓?fù)潆娐?，如圖2所示。逆變輸出電壓波形、輸出電流波形分別如圖3和圖4所示。逆變單元主電路三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既能滿足器件耐壓要求，又能獲得良好的輸出波形。逆變單元之間相互并聯(lián)，其控制采用載波移相控制方法，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了輸出諧波?！?/p>

　　2.4裝置工作原理

　　當(dāng)車輛再生電制動(dòng)且制動(dòng)能量不能被其它車輛或用電設(shè)備消耗時(shí)，再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置將該部分的能量，逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電送回電網(wǎng)。裝置可以根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀況調(diào)節(jié)逆變器的輸出功率大小，將直流母線電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)，整機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)電流源特性，具有自動(dòng)投入、撤出、濾波及檢測等功能。

　　逆變主電路主要實(shí)現(xiàn)逆變吸收、自動(dòng)并網(wǎng)及逆變電流調(diào)節(jié)等功能。逆變主電路由獨(dú)立的逆變單元及控制裝置等組成，每一支路單獨(dú)控制其IGBT開通或關(guān)斷、PWM調(diào)節(jié)。逆變電路采用IGBT作為開關(guān)器件，根據(jù)實(shí)際再生制動(dòng)能量的大小調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流，充分滿足車輛的再生制動(dòng)功能。裝置具有過壓、過流、溫度、短路等保護(hù)功能。

　　裝置除了具備將直流電能逆變成交流電能反饋電網(wǎng)的功能以外，同時(shí)還具有整流功能和無功補(bǔ)償功能。其中整流功能可以輔助現(xiàn)場的整流橋工作，甚至可以取代現(xiàn)場的整流橋進(jìn)行整流工作，為牽引網(wǎng)提供牽引能量;無功補(bǔ)償功能可以用于現(xiàn)場的分布式無功補(bǔ)償，減輕地鐵線路的無功負(fù)荷以及線路開閉所內(nèi)所配置SVG的容量。

　　3 現(xiàn)場應(yīng)用

　　河南某線路牽引供電系統(tǒng)主要分為直流牽引網(wǎng)和交流配電網(wǎng)兩部分。其接入地鐵供電系統(tǒng)圖如圖5所示，主變電所將三相35kV高壓交流送至各牽引所，經(jīng)整流變壓器、整流器變成適合軌道車輛應(yīng)用的1500V直流母線，饋電線再將直流電送到接觸網(wǎng)上，接觸網(wǎng)是沿車輛走行軌架設(shè)的特殊供電線路，軌道車輛通過其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電能。

　　牽引變電所共有兩臺(tái)整流器RT1、RT2，兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。單臺(tái)是12脈波整流，兩臺(tái)并聯(lián)組成24脈波整流。其額定功率為2750kW，額定輸入電壓1180V，額定輸出電壓1500V，額定輸出電流1833A，允許電壓波動(dòng)范圍為1000V～2000V。走行軌構(gòu)成牽引供電回路的一部分?；亓骶€將軌道回流引向牽引變電所。交流配電網(wǎng)主要是提供站內(nèi)的照明、通風(fēng)、排水、電梯等基礎(chǔ)設(shè)施。

　　在該線某站上安裝有新風(fēng)光的FDBL-JC-2000-1500的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置，該裝置容量為2000kW。該線在2019年8月，啟動(dòng)空載試運(yùn)行，2019年12月28日，正式開通試運(yùn)營。至今運(yùn)行良好。

　　為了測試節(jié)能效果，地鐵公司加裝了電表計(jì)量，測試逆變裝置回饋的電量及效果。經(jīng)過近8個(gè)月的測試，該裝置投運(yùn)后日均節(jié)電1100度左右，節(jié)電效果非常顯著，另外采用該設(shè)備節(jié)省了原來電阻制動(dòng)時(shí)隧道散熱所需的電量，這又節(jié)省了一筆可觀的開支。

　　4 結(jié)束語

　　中國城市軌道交通建設(shè)已步入了快速發(fā)展時(shí)期。城市軌道交通雖然已是綠色交通工具，但是市場調(diào)研顯示，軌道交通現(xiàn)在已經(jīng)成為各城市的用電大戶，能源消耗過大現(xiàn)象也非常嚴(yán)重。再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置既可以穩(wěn)定直流接觸網(wǎng)的電壓，又可以達(dá)到節(jié)能的目的，其應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的潮流。