城軌列車再生制動能量的回收利用

　　1 引言

　　從各國城市化發(fā)展的實踐來看，軌道交通以其運量大、速度快、安全可靠、準點舒適的技術優(yōu)勢在世界各國和地區(qū)已經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，關乎國計民生，對于整個國家的社會經濟發(fā)展具有重要現實意義。

　　城市軌道交通供電系統(tǒng)是軌道交通工程中重要機電設備系統(tǒng)之一，它擔負著為電動列車和各種運營設備提供電能的重要任務。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組，電力只能單向流動。由于車站間距短，列車啟停非常頻繁，車輛制動時產生的再生制動電流通過車載制動電阻消耗，白白浪費了大量的能量，另外，增加了隧道溫升和額外環(huán)控設備投入。與國家大力提倡的節(jié)能環(huán)保、高效低碳運行的國家戰(zhàn)略背道而馳。

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

　　電容儲能方式。電容儲能吸收裝置是用超級電容將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放。這種方式缺點時電容體積大，因充放電頻繁電容壽命有限，價格高，技術有待完善和提高，限制了市場的推廣。一旦電容價格大幅下降，或者電容技術取得突破后，也是該產品未來的一個發(fā)展方向。

　　飛輪儲能吸收方式。飛輪儲能吸收裝置是利用高速旋轉的飛輪，將列車制動能量存儲起來，并在列車牽引時釋放，起到節(jié)能和穩(wěn)定網壓的作用。飛輪儲能吸收裝置技術有待完善和提高，建設成本高，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，將列車制動能量逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞伒浇涣麟娋W，供其他設備再利用。該方式為目前軌交列車再生制動能量回收的主流方式。也是新風光公司軌道交通再生制動能量吸收逆變裝置采用的技術路線。

　　2 再生制動能量吸收逆變裝置

　　2.1 再生制動能量吸收逆變裝置簡介

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

　　該產品通過了鐵科院的型式試驗及歐盟CE認證，新風光牽頭主持制定了國家標準《城市軌道交通再生制動能量吸收逆變裝置》(GB/T37423-2019)，產品廣泛應用在重慶、北京、南京、青島、成都、濟南、鄭州等城市的地鐵線路上。

　　該產品的主要作用是，在地鐵列車停車制動時，穩(wěn)定供電系統(tǒng)直流電網的電壓，保證直流電網的電壓不會由于地鐵列車制動能量反送電網而引起直流電網電壓大幅升高，導致連接直流電網的用電設備損壞。因此裝置投入運行的最佳時機不是在地鐵制動開始時，而是在制動能量不能被直流電網上的其他設備利用而造成直流電網電壓明顯抬升時投入。

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

　　2.2 主回路系統(tǒng)

　　該裝置主回路系統(tǒng)主要由直流開關柜、隔離開關柜、逆變柜、能饋變壓器和交流柜構成，如圖1所示，其中直流開關柜和交流開關柜部分可以借用現場已有的柜體，因此系統(tǒng)中最少要包含隔離開關柜、逆變柜和隔離變壓器這三部分。　

　　圖1中，直流開關柜內部主要是直流斷路器，用于將逆變裝置連接至直流牽引網;隔離開關柜內部主要是隔離開關以及控制核心部分，其中隔離開關用于設備安裝維護時與電網脫開，控制核心部分用于控制整套裝置邏輯動作;逆變柜內部主要是功率單元，主要用于直流、交流電能的轉換;交流低壓斷路器安裝在逆變柜內，其用于連接逆變柜與能饋變壓器;能饋變壓器根據交流電網的電壓等級設置，用于將逆變器輸出的電壓逆變成與其相連的交流電網相同的電壓;交流開關柜用于將逆變裝置連接至交流電網，此處的交流電網可以是400V、10kV或者35kV，可以根據現場的需求變換。

　　2.3 電氣原理

　　逆變設備單元采取單元并聯結構。由于該逆變設備回饋功率較大，且電網電壓低，所以總的輸出電流大，采用多單元并聯的拓撲結構實現更大功率的拓展。

　　逆變單元采用三電平拓撲電路，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撲結構，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，其控制采用載波移相控制方法，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了輸出諧波?！?/p>

　　2.4裝置工作原理

　　當車輛再生電制動且制動能量不能被其它車輛或用電設備消耗時，再生制動能量吸收逆變裝置將該部分的能量，逆變?yōu)榕c電網電壓同頻、同相的交流電送回電網。裝置可以根據再生制動時直流母線電壓的變化狀況調節(jié)逆變器的輸出功率大小，將直流母線電壓恒定在某一設定值范圍內，整機對外呈現電流源特性，具有自動投入、撤出、濾波及檢測等功能。

　　逆變主電路主要實現逆變吸收、自動并網及逆變電流調節(jié)等功能。逆變主電路由獨立的逆變單元及控制裝置等組成，每一支路單獨控制其IGBT開通或關斷、PWM調節(jié)。逆變電路采用IGBT作為開關器件，根據實際再生制動能量的大小調節(jié)并網電流，充分滿足車輛的再生制動功能。裝置具有過壓、過流、溫度、短路等保護功能。

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

　　3 現場應用

　　河南某線路牽引供電系統(tǒng)主要分為直流牽引網和交流配電網兩部分。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，經整流變壓器、整流器變成適合軌道車輛應用的1500V直流母線，饋電線再將直流電送到接觸網上，接觸網是沿車輛走行軌架設的特殊供電線路，軌道車輛通過其受流器與接觸網的直接接觸而獲得電能。

　　牽引變電所共有兩臺整流器RT1、RT2，兩臺并聯運行。單臺是12脈波整流，兩臺并聯組成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，允許電壓波動范圍為1000V～2000V。走行軌構成牽引供電回路的一部分。回流線將軌道回流引向牽引變電所。交流配電網主要是提供站內的照明、通風、排水、電梯等基礎設施。

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

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

　　4 結束語

　　中國城市軌道交通建設已步入了快速發(fā)展時期。城市軌道交通雖然已是綠色交通工具，但是市場調研顯示，軌道交通現在已經成為各城市的用電大戶，能源消耗過大現象也非常嚴重。再生制動能量吸收逆變裝置既可以穩(wěn)定直流接觸網的電壓，又可以達到節(jié)能的目的，其應用取得了良好的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節(jié)約型社會的潮流。