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)生再生制動(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)的第四種是逆變吸收方式，是將車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過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。
2 新風(fēng)光再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置

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。

再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置（以下簡(jiǎn)稱逆變裝置）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。該逆變裝置屬于逆變回饋型。逆變裝置根據(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)吸收過程。逆變裝置把機(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)電流諧波小（THD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35kV或10kV電網(wǎng)，經(jīng)過牽引整流變壓器，再進(jìn)行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機(jī)車供電。
再生制動(dòng)能量吸收裝置是并聯(lián)在1500V/750V直流系統(tǒng)中，經(jīng)過逆變裝置變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35kV/10kV/400V)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 逆變裝置主回路拓?fù)?/p>

逆變裝置主要由輸入輸出開關(guān)、逆變單元、隔離變壓器、開關(guān)柜等幾部分組成，逆變裝置框圖如圖2所示。

圖2 逆變裝置框圖

(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。分別用于逆變裝置輸入、輸出的接通與分?jǐn)唷?br/>(2)逆變單元
逆變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750V和1500V，逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓?fù)洹Ｖ麟娐吠負(fù)淙鐖D3所示。

圖3逆變單元主電路拓?fù)?/p>

(3)隔離變壓器
  逆變單元輸出交流電壓1000V/500V，經(jīng)隔離變壓器接到35kV/10kV/400V電網(wǎng)。
 (4)開關(guān)柜
  逆變裝置輸出經(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?？刂葡到y(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)，逆變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
逆變裝置具有過壓、欠壓、偏壓、過流、短路、超溫等多種保護(hù)功能，當(dāng)某一逆變單元故障時(shí)，整機(jī)仍可以降額工作，不影響機(jī)車正常運(yùn)行。
3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

青島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4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2400kW，額定輸入電壓1180V，額定輸出電壓1500V，額定輸出電流1600A，允許電壓波動(dòng)范圍為1000V～1800V。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。

圖4 地鐵供電系統(tǒng)線路圖

在該線某站上安裝有新風(fēng)光的FDBL-JC-2000/1500V的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置，該裝置容量為2000kW，其中加裝的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置使用虛框標(biāo)出。
該逆變裝置于2016年10月初正式投入運(yùn)行，至今運(yùn)行良好。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試逆變裝置直流母線與逆變?nèi)噍敵鲭娏鞑ㄐ?，如圖5所示。

圖5 逆變直流母線與逆變?nèi)噍敵鲭娏鞑ㄐ?/p>

根據(jù)業(yè)主電度表計(jì)量的數(shù)據(jù)，日回饋電能3000度左右，參考工業(yè)用電價(jià)格1元/度，該站點(diǎn)一天節(jié)省運(yùn)行成本3000元左右，該逆變裝置節(jié)電效果是非常明顯的。同時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)部的通風(fēng)、散熱需求降低，綜合來說，軌道交通每1-2公里就有一個(gè)站點(diǎn)，如果每個(gè)站點(diǎn)都安裝該逆變裝置設(shè)備，那么地鐵運(yùn)行成本將會(huì)大大降低。
4結(jié)束語(yǔ)

新風(fēng)光再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置控制車輛電制動(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。“十三五”期間，隨著軌道交通節(jié)能環(huán)保、綠色化的主題深入人心，該逆變裝置前景可期。