1前言

目前城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)采用

二極管整流器，電能只能從交流電網(wǎng)向直流牽引網(wǎng)單向流動(dòng)。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，多余的再生制動(dòng)能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統(tǒng)的解決方法是設(shè)置電阻制動(dòng)裝置，但這將造成電能的極大浪費(fèi)并帶來(lái)溫升等其它問題。由于軌道交通車輛起制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀，若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)制動(dòng)方式主要可以分為兩大類：一是機(jī)械制動(dòng)(動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能)，機(jī)械摩擦制動(dòng)的缺點(diǎn)是接觸面容易磨損；摩擦?xí)r產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面；摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴(yán)重污染的。二是電制動(dòng)，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能后，再將電能送回電網(wǎng)或變成熱能消耗掉，現(xiàn)在電制動(dòng)主要是采用電阻吸收方式，其主要缺點(diǎn)是只能將電能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，造成能源浪費(fèi)，而且電阻散熱會(huì)導(dǎo)致溫度升高，因此需要增加相應(yīng)的通風(fēng)裝置，即同時(shí)增加相應(yīng)的電能消耗。

電制動(dòng)的另一種吸收方式是電容儲(chǔ)能型， 將制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間有列車需要取流時(shí)將所儲(chǔ)存的電能釋放出去，其主要缺點(diǎn)是要設(shè)置體積龐大的電容器組，且電容因頻繁處于充放電狀態(tài)而導(dǎo)致使用壽命短。

電制動(dòng)第三種方式是飛輪儲(chǔ)能，其工作原理是在列車發(fā)生能饋制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，直至達(dá)到允許的最大轉(zhuǎn)

速；當(dāng)列車需求能量時(shí)，電動(dòng)機(jī)切換到發(fā)電機(jī)工況，釋放飛輪中儲(chǔ)存的能量直至達(dá)到最低工作轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)變?yōu)樽冸娝╇?。其缺點(diǎn)是壽命容易受到機(jī)械部件磨損的影響而大幅度降低，并且其投資與維護(hù)費(fèi)用均較高。

電制動(dòng)的第四種是能饋吸收方式，是將車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過(guò)逆變變成工頻交流電與車站內(nèi)電網(wǎng)并網(wǎng)，該吸收方式有利于能源的綜合再利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，是目前日益重視并大力推廣的方式。新風(fēng)光軌道交通能饋?zhàn)兞髌骶褪沁@種能量吸收方式，產(chǎn)品廣泛于城市軌道交通地鐵線路中。

2新風(fēng)光軌道交通能饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)介紹

軌道交通其牽引供電系統(tǒng)在機(jī)車牽引變電所，一般1-2公里就需

要設(shè)置一個(gè)機(jī)車牽引變電所，每個(gè)機(jī)車牽引所都需要配備再生制動(dòng)能量吸收設(shè)備。

軌道交通能饋?zhàn)兞髌鳎ㄒ韵潞?jiǎn)稱能饋裝置）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(chǎng)需求，研制成功的新一代機(jī)車制動(dòng)再生能量處理設(shè)備。該能饋裝置屬于逆變回饋型。能饋裝置根據(jù)各個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動(dòng)狀態(tài)，一旦確認(rèn)列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)

吸收過(guò)程。能饋裝置把機(jī)車剎車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成AC400V電壓，自動(dòng)跟蹤AC400V母線電壓，并向負(fù)載供電，將再生能量消耗在用電設(shè)備上，或經(jīng)隔離變壓器反送至35kV /10kV電網(wǎng)。在直流牽引供電系統(tǒng)中，再生制動(dòng)能量吸收裝置做為一個(gè)子系統(tǒng)工程， 其作用關(guān)乎系統(tǒng)的安全。

該產(chǎn)品相比以往設(shè)備，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并網(wǎng)電流諧波?。═HD小于3%），回饋能量效率高（大于98%），可靠性高。產(chǎn)品經(jīng)鐵道部質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，現(xiàn)在大部分城市軌道交通牽引所都是3 5 k V或1 0 k V 電網(wǎng)，經(jīng)過(guò)牽引整流變壓器，再進(jìn)行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機(jī)車供電。

軌道交通能饋?zhàn)兞髌鳎ㄔ偕苿?dòng)能量吸收逆變裝置） 是并聯(lián)在1500V/750V直流系統(tǒng)中， 經(jīng)過(guò)變流器變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35kV/10kV/400V)。

2.2柜體功能介紹

(1)輸入輸出開關(guān)

主要包括輸入直流接觸器、輸出交流接觸器等器件，分別用于能饋裝置輸入、輸出的接通與分?jǐn)唷?/p>

(2)能饋單元

能饋單元的主要作用是把系統(tǒng)瞬間剎車積聚的能量逆變成與電網(wǎng)電壓同步的交流電回送至電網(wǎng)。目前地鐵牽引供電系統(tǒng)電壓一般有兩個(gè)電壓等級(jí)即直流7 5 0V和

1500 V，能饋主電路采用二極管箝位三電平電路拓?fù)?。主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

(3)隔離變壓器

能饋單元輸出交流電壓1000 V/ 500 V，經(jīng)隔離變壓器接到35kV/10kV/400V電網(wǎng)。

(4)開關(guān)柜

能饋裝置輸出經(jīng)隔離變壓器后接入35kV/10kV/400V 電網(wǎng)。

2.3技術(shù)特點(diǎn)

（1）領(lǐng)先的控制技術(shù)

控制系統(tǒng)由DSP+FPGA/CPLD+PLC組成。控制系統(tǒng)具備自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集功能， 用于收集裝置內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)。采用MODBUS數(shù)據(jù)傳輸方式與上位機(jī)系統(tǒng)接口，并提供所有狀態(tài)信息。

（2）主回路采用三電平拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)

降低了器件耐壓等級(jí)，利于減小網(wǎng)側(cè)電流諧波。

（3）易于實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展

控制系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)呈電流源特性，易于多單元并聯(lián)實(shí)現(xiàn)裝置容量擴(kuò)展。

（4）功率因數(shù)高

網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)，能饋裝置可以做到單位功率因數(shù)運(yùn)行。

（5）諧波特性好

網(wǎng)側(cè)電流波形正弦化，電流總諧波（THD）小于3%。

（6）響應(yīng)快，效率高

具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能在毫秒內(nèi)輸出額定電流，整機(jī)效率98%以上。

（7）保護(hù)功能齊全

能饋裝置具有過(guò)壓、欠壓、偏壓、過(guò)流、短路、超溫等多種保護(hù)功能， 當(dāng)某一能饋單元故障時(shí)， 整機(jī)仍可以降額工作，不影響機(jī)車正常運(yùn)行。

3地鐵應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

某地鐵工程設(shè)置主變電所2 座、2 9 個(gè)車站、牽 

混所21座。主變電所均由110kV電纜接入，安裝容量分別為2×50MV·A、2×25MV·A，變壓器接線方式為YNd1 1 ，變壓器百分比為1 0 .5 %，短路損耗為 

表 1 列車參數(shù)

圖 4 不同發(fā)車對(duì)數(shù)下回饋能量和再生制動(dòng)能量反饋率

200 k W，空載損耗為50 k W。牽混所整流機(jī)組裝機(jī)額定功率均為2×3 000kW。接觸網(wǎng)電阻為0.013 6Ω/km， 鋼軌電阻為0.02Ω/km，全變電所安裝逆變回饋裝置， 其啟動(dòng)電壓為1 730 V，容量為2MV·A。供電系統(tǒng)如圖3 所示。該工程采用5M1T的6輛編組As型列車，列車最大運(yùn)行速度為100km/h。表1為列車參數(shù)。

該地鐵線路采用新風(fēng)光公司研制的FDBL-JC-

2 0 0 0 / 1 5 0 0 V 等型號(hào)的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置1 2 套，投入后運(yùn)行良好，節(jié)能效果顯著。

3.1節(jié)能效果

對(duì)多種不同發(fā)車間隔下的回饋能量和再生制動(dòng)能量反饋率λ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)發(fā)車間隔比較大時(shí)，運(yùn)行的列車較少，這就導(dǎo)致較少的再生制動(dòng)能量被鄰近列車吸收并且大部分制動(dòng)能量通過(guò)逆變回饋裝置回饋到交流電網(wǎng)，因此λ較高。當(dāng)發(fā)車間隔逐漸減小時(shí)， 線路上運(yùn)行的列車數(shù)增加， 大部分的再生制動(dòng)能量會(huì)優(yōu)先被鄰近車吸收， 回饋到交流電網(wǎng)的制動(dòng)能量減少，這就造成λ降低。當(dāng)發(fā)車間隔繼續(xù)減小時(shí)，λ會(huì)再次上升，如圖5所示。

某地鐵線路全線每日運(yùn)營(yíng)18h ，采用五種發(fā)車間隔，分別是300s、400s、450s、600s、900s。全日行車計(jì)劃見下表2所示。

結(jié)合全日行車計(jì)劃，未投入逆變回饋裝置的系統(tǒng)主

表 2 全日行車計(jì)劃

所全日能耗WM為441296.31kW·h，投入逆變回饋裝置的系統(tǒng)主所全日能耗WM’為402842.06kW·h。全線節(jié)能率ξ為8.71%。

3.2其他優(yōu)點(diǎn)

（1）通過(guò)安裝再生制動(dòng)裝置，可以減小車載電阻的使用容量， 進(jìn)而降低機(jī)車重量， 提高機(jī)車運(yùn)載能力。每套車載電阻重量約1000 kg，運(yùn)行溫度約200 ℃，周邊設(shè)備需隔熱處理。

摘掉車載電阻每列車可降低車重4000 kg，增加50 人次的運(yùn)載能力，且降低車輛2% 的供電能耗。另外每列車車載電阻總造價(jià)約40萬(wàn)元，可削減此部分投資費(fèi)用。

（2）降低能耗型電阻容量，隧道主要發(fā)熱源消除， 隧道內(nèi)部的通風(fēng)、散熱需求降低， 環(huán)控負(fù)荷可降低約50%。

（3）采用再生制動(dòng)裝置車輛電制動(dòng)區(qū)間范圍更寬， 電制動(dòng)可將車輛由最高速度減速到5 -10 k M/ h，進(jìn)而減少機(jī)械制動(dòng)降低閘瓦磨損度， 車輪、閘瓦的維護(hù)與更換維保周期延長(zhǎng)一倍以上。

按照每片閘瓦400元統(tǒng)計(jì)，每列車年節(jié)省維保費(fèi)用近27萬(wàn)元。

（4）再生制動(dòng)裝置具有一定容量的無(wú)功補(bǔ)償功能， 提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

（5）電能回收再利用，節(jié)約電能響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，國(guó)家有扶持資金獎(jiǎng)勵(lì)政策。

4結(jié)束語(yǔ)

新風(fēng)光軌道交通能饋?zhàn)兞髌骺刂栖囕v電制動(dòng)時(shí)的運(yùn)

行電壓， 保障了車輛的安全運(yùn)行。逆變裝置投運(yùn)后節(jié)電效果顯著， 符合國(guó)家節(jié)能減排的大政方針。同時(shí)降低了車輛運(yùn)行隧道內(nèi)的通風(fēng)散熱需求， 提高了相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境質(zhì)量?！笆奈濉逼陂g，隨著軌道交通節(jié)能環(huán)保、綠色化的主題深入人心，該能饋裝置前景可期。