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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。當車輛制動時，多余的再生制動能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統(tǒng)的解決方法是設(shè)置電阻制動裝置，但這將造成電能的極大浪費并帶來溫升等其它問題。由于軌道交通車輛起制動頻繁，制動能量相當可觀，若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

現(xiàn)制動方式主要可以分為兩大類：一是機械制動(動能轉(zhuǎn)化成熱能)，機械摩擦制動的缺點是接觸面容易磨損；摩擦時產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面；摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴重污染的。二是電制動，把動能轉(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)在電制動主要是采用電阻吸收方式，其主要缺點是只能將電能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉，造成能源浪費，而且電阻散熱會導致溫度升高，因此需要增加相應(yīng)的通風裝置，即同時增加相應(yīng)的電能消耗。

電制動的另一種吸收方式是電容儲能型，將制動能量吸收到大容量電容器組中，當供電區(qū)間有列車需要取流時將所儲存的電能釋放出去，其主要缺點是要設(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)而導致使用壽命短。

電制動第三種方式是飛輪儲能，其工作原理是在列車發(fā)生再生制動時，電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進行能量儲存，直至達到允許的最大轉(zhuǎn)速；當列車需求能量時，電動機切換到發(fā)電機工況，釋放飛輪中儲存的能量直至達到最低工作轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)變?yōu)樽冸娝╇?。其缺點是壽命容易受到機械部件磨損的影響而大幅度降低，并且其投資與維護費用均較高。
電制動的第四種是逆變吸收方式，是將車輛制動時產(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，實現(xiàn)了節(jié)能，是目前日益重視并大力推廣的方式。
2 新風光再生制動能量吸收逆變裝置

軌道交通其牽引供電系統(tǒng)在機車牽引變電所，一般1-2公里就需要設(shè)置一個機車牽引變電所，每個機車牽引所都需要配備再生制動能量吸收設(shè)備。

再生制動能量吸收逆變裝置（以下簡稱逆變裝置）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，研制成功的新一代機車制動再生能量處理設(shè)備。該逆變裝置屬于逆變回饋型。逆變裝置根據(jù)各個傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)，一旦確認列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，系統(tǒng)啟動吸收過程。逆變裝置把機車剎車制動時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成AC400V電壓，自動跟蹤AC400V母線電壓，并向負載供電，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，再生制動能量吸收裝置做為一個子系統(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)督檢驗中心檢驗，各項技術(shù)指標均達到設(shè)計要求。

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，再進行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機車供電。
再生制動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 逆變裝置主回路拓撲

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、輸出的接通與分斷。
(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)電壓一般有兩個電壓等級即直流750V和1500V，逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓撲。主電路拓撲如圖3所示。

圖3逆變單元主電路拓撲

(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
（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)具備自動化數(shù)據(jù)采集功能，用于收集裝置內(nèi)部狀態(tài)信號。采用MODBUS數(shù)據(jù)傳輸方式與上位機系統(tǒng)接口，并提供所有狀態(tài)信息。
（2）主回路采用三電平拓撲電路結(jié)構(gòu)
降低了器件耐壓等級，利于減小網(wǎng)側(cè)電流諧波。
（3）易于實現(xiàn)容量擴展
控制系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)呈電流源特性，易于多單元并聯(lián)實現(xiàn)裝置容量擴展。
（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
具有動態(tài)響應(yīng)快，能在毫秒內(nèi)輸出額定電流，整機效率98%以上。
（7）保護功能齊全
逆變裝置具有過壓、欠壓、偏壓、過流、短路、超溫等多種保護功能，當某一逆變單元故障時，整機仍可以降額工作，不影響機車正常運行。
3現(xiàn)場應(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整流器RT1、RT2，兩臺并聯(lián)運行。單臺是12脈波整流，兩臺并聯(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、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光的FDBL-JC-2000/1500V的再生制動能量吸收逆變裝置，該裝置容量為2000kW，其中加裝的再生制動能量吸收逆變裝置使用虛框標出。
該逆變裝置于2016年10月初正式投入運行，至今運行良好?，F(xiàn)場測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)主電度表計量的數(shù)據(jù)，日回饋電能3000度左右，參考工業(yè)用電價格1元/度，該站點一天節(jié)省運行成本3000元左右，該逆變裝置節(jié)電效果是非常明顯的。同時，對隧道內(nèi)部的通風、散熱需求降低，綜合來說，軌道交通每1-2公里就有一個站點，如果每個站點都安裝該逆變裝置設(shè)備，那么地鐵運行成本將會大大降低。
4結(jié)束語

新風光再生制動能量吸收逆變裝置控制車輛電制動時的運行電壓，保障了車輛的安全運行。逆變裝置投運后節(jié)電效果顯著，符合國家節(jié)能減排的大政方針。同時降低了車輛運行隧道內(nèi)的通風散熱需求，提高了相關(guān)設(shè)備的運行環(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。