地铁列车再生制动逆变装置选型研究

李 研，张 岩，芮国强

（1. 南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 210012；2. 山东新风光电子科技股份有限公司，山东汶上 272500；3. 南京亚派科技股份有限公司，江苏南京 210032）

地铁列车再生制动逆变装置选型研究

李 研1，张 岩2，芮国强3

（1. 南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 210012；2. 山东新风光电子科技股份有限公司，山东汶上 272500；3. 南京亚派科技股份有限公司，江苏南京 210032）

简要介绍国内外城市轨道交通再生制动能量吸收方式，重点对电阻+逆变型（回馈至低压 400 V）和电阻+逆变型（回馈至中压 35 kV）2 种方式的技术性能以及运用情况做了分析比较，测算了节能效果，并对项目的运作方式提出了建议。

地铁列车；再生制动；逆变装置；回馈

U260.35+9

0　概述

列车在再生制动时，动能转换为电能，会使接触网电压升高，过高的电压会危害到列车的正常运行。为了将网压控制在额定范围内，列车会自动导通车载制动电阻，这部分电能就会转换成热能消耗掉。在现有的再生制动能量吸收方案中，电阻耗能型广泛应用在轨道交通行业，基本是通过列车自带电阻吸收电网上多余电能。这种方式虽然简单，但存在缺陷：一是列车自带电阻，既增加了列车自重，又易导致列车正线故障频发；二是电阻通过消耗产生的热能，会导致隧道和车站环境温度升高，加大环控冷却设备电耗量；三是不符合国家倡导的节能减排的要求。

针对电阻能耗型的以上缺点，目前国内外已有很多科研机构开展针对性研究，并取得了实质性进展及商业化运作。新型的再生制动能量吸收方案主要包括：电阻+逆变型、电容储能型、飞轮储能型及双向可控型，各种电能吸收方案的优缺点对比见表 1 所示。从表 1 中可以看出，电阻 + 逆变型的吸收方式具有成本适中、效率高、体积较小、技术成熟等特点。在加装再生制动逆变装置后，可以将原来流向制动电阻的电能，经过逆变、变压后输送到车站，供车站内动力照明设备使用，这样，可节省部分电能。根据已建成地铁相关经验，与单纯的电阻制动相比，再生制动逆变回馈方式节能效果显著，其再生回馈电能可达到 40% 左右。本文将重点探讨电阻 + 逆变型再生制动能量吸收方式。

1　再生制动逆变的方式

目前，国内普遍采用电阻+逆变型模式，回馈的方式有回馈至低压 400 V 和回馈至中压 35 kV 两种方式（表 2）。再生制动逆变装置在全国地铁的应用越来越多，北京、重庆地铁已大面积使用，天津、广州、长沙、郑州、南京等地铁也都开展了试点。

表 1 不同再生制动能量吸收方式对比

表 2 两种再生制动逆变方式主要技术性能比较

1.1电阻+逆变型（回馈至低压400 V ）

电阻+逆变型（回馈至低压 400 V）回路原理如图 1 所示，逆变单元设置在牵引变电所内，电阻柜设置在地面或风道，并设置散热通风装置。其原理是再生制动能量吸收电阻+逆变装置根据各个传感器检测信号，综合判断直流电网上是否有列车处于再生制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，系统启动吸收过程。在控制系统中设置 2 级判断基准值，当电网电压升至到第1级判断电压时，系统首先投入逆变吸收装置，逆变装置把列车制动时产生的能量转换成AC400V 电压，自动跟踪 AC400V 母线电压，并向负载供电，将再生能量消耗在用电设备上；一旦逆变吸收消耗不了该能量，将引起电网电压进一步上升，当电网电压升到第 2 级判断电压时，电阻斩波器立即投入工作，电阻吸收装置将再生制动能量消耗，稳定电压不再上升，确保列车充分有效利用电制动。目前，此种方式运用于重庆地铁 1 号线、3 号线、 6 号线及南京地铁 1 号线。

图 1 电阻 + 逆变型（回馈至低压 400 V）

1.2电阻 + 逆变型（回馈至中压35 kV ）

电阻+逆变型（回馈至中压 35 kV）回路原理如图 2 所示，回馈变流器的直流侧通过直流馈线柜与二极管整流机组的直流 1 500 V 母线相连，变流器的交流输出端连接 1 kV / 35 kV 回馈变压器，通过高压气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）后并入 35 kV 电网。其中逆变型装置安装于牵引变电站内，电阻一般为车载电阻，其工作原理与回馈至 AC400V 基本相同，即一旦确认列车处于再生制动状态，系统立即启动吸收过程。吸收过程中，逆变吸收装置首先投入工作，将列车制动时产生的能量逆变成 35 kV 电压送入电网供其他列车及负荷使用，在逆变吸收消耗不了该能量时，逆变器转为恒功率输出额定容量模式，同时将车载电阻投入工作，共同消耗多余能量。该方式在确保列车安全稳定运行的同时，能够充分有效利用再生制动的能量。此种方式在线路批量应用时可以取消车载电阻。目前，这种方式已运用于北京地铁、广州地铁等。

图 2 电阻+逆变型（回馈至中压 35 kV）

2　电阻+逆变型回馈的优缺点

采用电阻+逆变型回馈的模式，无论是回馈至低压400 V，还是回馈至 35 kV 中压系统，产品的工作原理基本一致。2 种模式兼具有电阻能耗及逆变回馈的优点。总体特点为：①并网电流谐波小，电流畸变率可达到总谐波失真（THD）小于 3%；②动态响应快，由于采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关以及数字信号处理和现场可编程门阵列（DSP/FPGA）等数字处理器，系统动作时间（检测到动作时间）为微秒级，系统响应时间（从 0 至输出额定功率的时间）最快可实现 100 ms 以内；③整机特性较好，功率因数不低于 0.99。此外，回馈至 400 V 与回馈至 35 kV 又各有优缺点。

2.1采用电阻 + 逆变型（回馈至低压 400 V）的模式

该模式是将再生能量逆变回馈到 400 V 低压电网系统来实现节能效果。同时考虑在列车制动时会产生较大再生能量，结合电阻吸收多余能量，从而确保列车制动平稳。该模式具有以下特点。

优点：①实现方式较为简单，再生制动能量通过逆变器输出，经 400 V 工频变压器隔离后并联至交流母线，直接供变电房内空调、照明等系统使用；②该方案成本较低，回馈 400 V 系统不需要高压 GIS 开关柜并网，同时采用较低电压等级的器件、电缆等也会相应降低成本。

缺点：①列车制动属于间歇式，无法提供稳定的用电负荷，故只能供给 3 类负荷；②容量相对较小，仅可供本车站牵引配电房的空调、照明等系统使用，效率相对较低；③由于低压配电变压器容量相对较小，因此，该模式并网时对电网的冲击较大。

2.2采用电阻 + 逆变型（回馈至中压 35 kV）的模式

相对于前者，该模式回馈效率更高，近几年，国内已成功攻克各种技术难题，并成功运用，符合城市轨道交通绿色出行的要求。该模式具有以下特点。

优点：①回馈功率更大，整体节能效果更好，由于35 kV 系统容量更大，因此，该模式下配备更大功率的逆变回馈时，回馈能量不仅可供本系统内的负荷使用，同时可供 35 kV 系统对应的其他站点牵引及一般负荷使用；②再生制动能量回馈至 35 kV 系统，对系统的冲击性更小；③逆变回馈装置可以具有更高的效率；④逆变回馈装置具有无功补偿的功能，可补偿系统中最高达 2 MVar 的感性或容性无功；⑤抑制直流侧过压的能力更强。

缺点：①设备的成本相对较高，由于回馈到中压系统，装置的体积及成本相对都较高；②实现及保护方式相对复杂。

2.3运行能耗测算对比

回馈至 400 V 系统与回馈至 35 kV 系统的能量大小取决于逆变装置的容量等级。

以南京地铁为例，选取 1 号线安德门站作为试点，采用回馈至 400 V 的方式，设计加装了 1 台 1 500 V、600 kW 低压逆变装置。自 2015 年 1 月 8 日正式投用以来，运行情况良好，平均每日吸收回馈电量约 1 000 kWh，按 0.845 1 元 / kWh计算，每年可节约电费约 30 万元。

回馈至中压 35 kV 的方式，从已投入使用的某城市地铁能耗数据来看，安装 1 台 2 000 kW 的能量回馈装置后，日实测最大节电量可达 1 800 kWh左右，可推算每年节电量超过 65 万kWh，每年节约电费约 55 万元。假定安装了更大的能量回馈装置（2.5 MW 或 3 MW），整条线路 1 年可节约电能 1 000 万kWh左右，经济效益可观。

3　项目运作的方式

以南京地铁为例，由于前期回馈至低压 400 V 逆变装置，试点情况较好，具备推广应用条件，计划选取 S8号线高新开发区、雄州、S1 号线翔宇路南、佛城西路4 个车站进行安装。南京地铁准备采用的加装改造方式为合同能源管理（EPC）模式，可以获得最佳节能收益。合同能源管理是一种节能合作模式：首先由乙方出资，对甲方设备进行节能改造，使甲方获得节能收益。然后甲乙双方约定分成比例，每年按分成比例，由甲方支付给乙方节能分成款，用于抵充项目合同款，直至合同款付完。相对于传统的由甲方进行投资实施节能改造项目来说，这种模式具有 3 个优点：一是甲方不用投资，即可获得丰厚的每年净收益；二是因为有节能收益才能分成，如果项目的节能效果不佳就不分成，这样甲方不承担风险；三是通过分成（有条件的分期付款），可以约束乙方对设备提供全面的质保服务。

回馈至 400 V 的方案，分成比例若为甲方 20%、乙方 80%（分成比例由双方谈判决定），约 10 年左右合同款可以付完，之后的 10 年甲方独享收益。经测算，该项目实施后，甲方可在第 1 个 10 年每年获得 30 万元的节能净收益，第 2 个 10 年每年获得 150 万元净收益，在 20 年内，总共获得 1 800 万元净收益。乙方获得的收益等于合同金额，约 1 200 万元。由于电气设备实际寿命往往会大于 20 年，甲方实际获得的净收益会更多。

回馈至中压 35 kV 的再生制动逆变回馈方案，由于回馈并网的电能更多，节能收益及投资回报率都会相应增加，因此，更适合采用合同能源管理的模式。分成比例仍为甲方 20%、乙方 80%（分成比例由双方谈判决定），约 7 年左右合同款可以付完，之后的 13 年甲方独享收益。经测算，该项目实施后，甲方可在前 7 年每年获得 55 万元的节能净收益，后 13 年每年获得 275 万元净收益，合计在 20 年内，总共获得约 4 000 万元净收益。乙方获得的收益等于合同金额，约 1 540 万元。由于电气设备实际寿命往往会大于 20 年，甲方实际获得的净收益会更多。

2 种回馈方案采用合同能源管理的模式都可带来较大的收益。设备安装容量越大越适合采用该模式。当然，回馈方案也可采用建设招标方式运作，由建设方投资，每年的节能收益全部归运营方所有，该方式对甲方更有利，可为甲方带来非常可观的运营收益。

4　结语

随着国家中长期发展规划提出发展循环经济、建设资源节约型、环境友好型社会，轨道交通行业也面临节能减排和可持续发展的更高要求，因此，研究并应用新型再生制动能量吸收方式具有意义重大的经济效益和社会效益。本文着重介绍了城市轨道交通再生制动能量吸收方式，重点对电阻+逆变型（回馈至低压 400 V）和电阻+逆变型（回馈至中压 35 kV）2 种方式的工作原理进行了分析比较，阐述了各自的优缺点，并且提出了一种新的项目运作方式，即合同能源管理模式，可为后续新线建设以及节能改造提供参考。

［1］ 张天彤，高民富. 郑州地铁1号线制动电阻选型方案分析［J］. 城市轨道交通研究，2014（5）：119-122，130.

［2］ 王玉明. 城市轨道交通系统能耗影响因素的量化分析［D］. 北京：北京交通大学，2011.

［3］ 新风光电子科技股份有限公司. 再生制动能量吸收逆变装置简介［G］. 2015.

［4］ 南京亚派科技股份有限公司. 城市轨道交通再生制动能量回馈产品简介［G］. 2015.

责任编辑 冒一平

Study on Selection of Regenerative Braking Inverter for Metro Train

Li Yan， Zhang Yan， Rui Guoqiang

This paper briefly introduces the urban rail transit regenerative braking energy absorption modes in China and other countries，makes a comparison and analysis by focusing on the technical performance in 2 ways and the applications of resistance + inverter （feedback to the low voltage 400 V） and resistance + inverter （back to medium voltage 35 kV）. It further calculates the energy saving effect， and puts forward some recommendations on its operation mode.

metro train， regenerative braking，inverter， feedback

2016-03-08

李研（1978—），男，工程师