再生制动能量吸收逆变系统设计及应用

方汉学 胡桂苓

(1.山东新风光电子科技发展有限公司，272500，济宁;2.济宁金水科技有限公司，272000，济宁∥第一作者，高级工程师)

1 应用背景

城市轨道交通列车运行速度快，起动、制动频繁，且制动时会产生大量的能量。目前，制动方式主要可以分为2 大类:一是机械制动(动能转化成热能)，机械摩擦制动的缺点是接触面容易磨损;摩擦时产生高温可熔化烧灼踏面;摩擦后产生的粉尘有严重的污染。二是电制动，把动能转化为电能后，再将电能送回电网或变成热能消耗掉。目前大部分电制动主要是采用电阻吸收方式，其主要缺点是只能将电能转换为热能消耗掉，造成能源浪费，而且电阻散热会导致温度升高，因此需要增加相应的通风装置，即同时增加相应的电能消耗。

电制动的另一种方式是逆变吸收方式，是将车辆制动时产生能量经过逆变变成工频交流电与车站内电网并网。该吸收方式有利于能源的综合再利用，实现了节能，是目前日益重视并大力推广的方式。

2 再生制动能量吸收逆变装置

城市轨道交通一般1～2 km 就需要设置一个牵引变电所，每个牵引变电所都需要配备再生制动能量吸收设备。

再生制动能量吸收逆变装置为逆变回馈型，就是将车辆制动所产生的能量经过逆变装置回馈到电网。逆变装置实时检测直流侧电压，当直流侧电压高于一定值时，自动触发逆变装置投入工作。

2.1 系统组成

再生制动能量吸收逆变系统组成框图如图1所示。现在大部分城市轨道交通牵引所都是35 kV 或10 kV 电网，经过牵引整流变压器，再进行12 脉波整流输出直流1 500 V 或750 V 给机车供电。

再生制动能量吸收装置是并联在1 500 V 或750 V 直流系统中，经过逆变装置变成交流，经隔离变压器输入到电网(35 kV、10 kV 或400 V)。

2.2 逆变主电路设计

目前城市轨道交通牵引供电系统电压一般有2个电压等级即直流750 V 和1 500 V。通常采用常规功率器件IGBTI(绝缘栅双极晶体管)的电压等级为1 700 V、1 200 V，其封装形式一样，便于产品化实现批量生产。

逆变主电路采用二极管箝位三电平电路拓扑，可以保证1 500 V 电压等级非常方便实现，并且电压余量大，更可以保证系统可靠运行。

图1 再生制动能量吸收逆变系统组成框图

逆变单元主电路原理图如图2所示，逆变输出电压波形、输出电流波形分别如图3、图4所示。

图2 逆变单元主电路原理图

图3 逆变单元输出线电压波形

主电路采用三电平电路拓扑，其主要优点是:每个主功率器件关断时承受的电压仅为直流侧电压的一半，功率器件电压余量大，保证系统可靠工作，并延长器件使用寿命;输出波形谐波小，保证电网质量;相同电压情况下du/dt 小，电磁干扰小;相同开关频率的情况下，开关损耗比两电平电路的开关损耗小，系统温升低，可提高系统效率并延长器件使用寿命。

图4 逆变单元输出电流波形

2.3 控制系统设计

逆变单元采用电流闭环控制，能够保证输出电流波形质量;逆变单元输出呈现电流源特性，能够很好适合单元并联以达到容量扩展。

下面就一个单元作简单理论分析。忽略调制过程引进的非线性，忽略高次谐波，则每个单元可简化成一个线性放大系统。其控制框图如图5所示。

图5 控制框图

K1为放大器增益，K2为逆变器增益。逆变器内阻和电抗器阻抗近似表示为Z(s)=R +Ls。单元内闭环传递函数为:

当 βK1K2＞＞1，忽略内阻，低频段增益为:

闭环后逆变单元内阻为:

式中:

s——拉氏变换量;

β——反馈系数;

R——逆变器和电抗器内阻之和;

L——电感量;

IO——输出电流;

Vi——输入指令电流信号。

电流闭环后，单元内阻大大增大，可近似为电流源。

逆变装置为得到大功率输出可采用多个逆变单元并联，每个单元独立控制，具有冗余工作的特点，即使单元出现保护，其余逆变单元可以正常工作，进一步提高装置运行的可靠性。而且每个逆变单元结构上完全一致，可以互换，这使得调试、维修非常方便。

2.4 系统保护功能

逆变单元设置有过压、偏压、过流、短路、超温保护功能，当某一逆变单元故障时，整机仍可以降额运行，不影响整机正常工作，同时把单元的工作状态传给上位机。

逆变装置系统设置有电网过压、欠压、直流母线过压、欠压保护功能。

3 现场应用

3.1 应用概况

目前重庆地铁1号线、3号线、6号线截止2013年12月共有46 台设备。重庆地铁某站现场设备照片如图6所示。北京地铁6号线、7号线、9号线、10号线、14号线截止2013年12月共有 45 台。

图6 重庆地铁某站现场设备

国内地铁第一次正式使用再生制动能量吸收逆变装置是重庆地铁1号线，填补了国内空白。重庆地铁其牵引供电采用直流1 500 V 电压等级，制动能量逆变回馈到400 V 配电网，受配电网容量限制，再生制动能量吸收逆变装置在(1号线、6号线)正常运行容量设置约为700 kW。随后北京地铁9号线开始使用该装置，9号线其牵引供电采用直流750 V 电压等级，制动能量逆变回馈到400 V 配电网，受配电网容量限制，再生制动能量吸收逆变装置在(9号线)正常运行容量设置约为650 kW。

3.2 现场节能情况

根据现场电度表记录数据显示，重庆地铁1号线和6号线地铁站逆变装置运行容量约700 kW，1号线沙坪坝站、歇台子站、七星岗站在2013年1月份和3月份日均节电情况如表1所示。6号线红土地站、红旗河沟站、大龙山站在2013年8月份日均节电情况如表2所示。北京地铁9号线地铁站逆变装置运行容量约650 kW，郭公庄站、丰台东大街站、白石桥南站2013年3月份日均节电情况如表3所示。

表1 重庆地铁1号线日均节电情况 kWh

表2 重庆地铁6号线日均节电情况 kWh

表3 北京地铁9号线日均节电情况 kWh

若参考工业用电1.00 元/kWh，以日均1 000 kWh 来计算每月节约电费3 万元，一年可节省36 万元;若是采用电阻吸收消耗，除消耗电费36 万kWh外，还需增加额外通风设施来散热。

4 关于现场应用相关问题讨论

目前再生制动能量吸收逆变装置，虽然现场已有百台设备应用，节能效果得到认可和好评，但对于用户来说还是新产品，因此对此装置的几个应用问题提出来讨论，以便更好地了解此装置。

4.1 关于再生制动能量吸收装置节能问题

再生制动能量吸收装置节能效果是用户和生产厂家最为关心的问题，直接关系到此产品是否满足用户需求，是否有应用前景。

逆变器(不包括隔离变压器)转换效率一般达到98%左右。现场节能效率与逆变器本身关系不大，影响现场节能效率的关键是逆变器的容量。现场根据制动能量数据选择合适的逆变器容量是很重要的逆变器的容量是直接体现逆变器利用率的关键指标，逆变器的利用率也是影响系统节能的重要因素。

4.2 关于再生制动能量吸收回馈电网问题

再生制动能量吸收回馈到400 V 电网，还是10 kV 或35 kV 电网，到底回馈到哪种电网合适，需要综合判断。

针对目前地铁应用，逆变器主要有2 个直流电压等级1 500 V、750 V，分别对应逆变器交流输出1 000 V、500 V，现场需要回馈到哪个电网，仅仅是逆变器输出配置的隔离变压器的规格不一样，可以是1 000 V(500 V)/400 V、1 000 V(500 V)/10 kV、1 000 V(500 V)/35 kV 等不同型号的变压器，逆变器的各种性能、参数指标完全一样。

400 V 配电网相比中压网容量要小，用户可能会认为回馈低压电网不能完全吸收制动能量，根据各城市地铁用电数据来看，牵引供电占到50%～57%，照明、通风等供电占到43%～50%，若按照配电网用电情况，只要选择合适的逆变器容量完全可以回馈到配电网，即制动产生的能量可完全用于除牵引外的用电设备。

回馈到400 V 电网与中压网相比的优点:一是运行可靠性方面，若逆变器异常，不会影响到牵引网和车辆运行;二是400 V 隔离变压器和400 V 开关柜相对价格便宜，体积小。

回馈10 kV 或35 kV 中压网方式的优点:因中压电网相对400 V 配电网容量大，所以逆变器可选容量范围大;若选择同容量的逆变器，逆变器对中压网的冲击和干扰相对低压网会小(通常中压网容量相对大)。

结合以上特点，用户可以根据实际情况来选择合适的并网方式。

4.3 关于吸收方式

不论是车辆配车载电阻还是站内配电阻，站内再增加逆变吸收方式，均可认为是混合吸收方式。

电阻加逆变混合吸收方式的工作方式是:车辆制动时检测到直流母线电压到一定值时，逆变优先吸收，若测到直流母线电压继续升高到另一定值时，电阻才开始吸收;同样若车辆上带有车载电阻，其工作方式与上述一样。

从运行可靠性上来说，带有电阻的吸收方式更为可靠，逆变吸收为主，电阻吸收为辅。从成本上来说，可以选择合适的逆变器容量，也可以让逆变器的利用率最大化。

综合运行可靠性及成本考虑来说，混合吸收方式不失为一种优选方案。

4.4 逆变吸收容量选择

如何选择合适的逆变吸收容量，也是决定系统节能效果的重要方面。

对于并网型的逆变器来说，逆变器输出呈现电流源特性，很容易实现容量的扩展。理论上逆变容量按最大的制动能量来选择，吸收利用率越大，但相应成本也会越高。

针对已经运营的老线，如果有电阻吸收的统计数据，就可以很好地选择逆变吸收容量。根据每天、每月电阻吸收的数据进行统计分析，制动产生能量大小及出现频次，来判断需要吸收利用的能量大小，从而确定逆变吸收容量。选择时保证大部分的制动能量能够吸收利用，又保证逆变器利用率最大化。

对于生产厂家来说，提供高可靠性的产品是其不懈努力的方向;对于用户来说，选择性价比高的产品也是其不断追求的目标。

5 结语

本文对再生制动能量吸收逆变系统的设计、现场应用节能效果以及应用相关问题进行分析。该装置目前在重庆地铁、北京地铁已运行近百台，根据现场的节电情况表明，节能效果明显，产生显著的经济效益，并且该产品填补了国内空白。随着城市轨道交通的快速发展，再生制动能量逆变吸收方式会被越来越多的用户接受和认可，该产品也会在城市轨道交通行业普遍应用。

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