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城市的交通擁擠問(wèn)題在國內大、中型城市日益嚴重，已經(jīng)成為影響城市經(jīng)濟發(fā)展的重要制約因素之一。由于城市軌道交通的眾多優(yōu)點(diǎn)，具有運量大、速度快、時(shí)間準、能耗低、污染少和安全舒適等特點(diǎn)，因此城市軌道交通方式無(wú)疑是解決城市交通擁擠問(wèn)題的一種有效手段。城市軌道交通主要包括地鐵、輕軌、磁懸浮和有軌電車(chē)等運輸方式，越來(lái)越多的城市投入到發(fā)展城市軌道交通的熱潮中。
1 應用背景

由于城市交通其運行特點(diǎn)的特殊性就是運行速度快，啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，且制動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的能量。
現制動(dòng)方式主要可以分為兩大類(lèi)：一是機械制動(dòng)(動(dòng)能轉化成熱能)，機械摩擦制動(dòng)的缺點(diǎn)是接觸面容易磨損；摩擦時(shí)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(dòng)，把動(dòng)能轉化為電能后，再將電能送回電網(wǎng)或變成熱能消耗掉，現在電制動(dòng)主要是采用電阻吸收方式，其主要缺點(diǎn)是只能將電能轉換為熱能消耗掉，造成能源浪費，而且電阻散熱會(huì )導致溫度升高，因此需要增加相應的通風(fēng)裝置，即同時(shí)增加相應的電能消耗

電制動(dòng)的另一種吸收方式是電容儲能型，將制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當供電區間有列車(chē)需要取流時(shí)將所儲存的電能釋放出去，其主要缺點(diǎn)是要設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(dòng)第三種方式是逆變吸收方式，是將車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過(guò)逆變變成工頻交流電與車(chē)站內電網(wǎng)并網(wǎng)，該吸收方式有利于能源的綜合再利用，實(shí)現了節能，是目前日益重視并大力推廣的方式。
2 再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置

軌道交通其牽引供電系統在機車(chē)牽引變電所，一般1-2公里就需要設置一個(gè)機車(chē)牽引變電所，每個(gè)機車(chē)牽引所都需要配備再生制動(dòng)能量吸收設備。  

再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置為逆變回饋型，就是將車(chē)輛制動(dòng)所產(chǎn)生的能量經(jīng)過(guò)逆變裝置回饋到電網(wǎng)。逆變裝置實(shí)時(shí)檢測直流側電壓，當直流側電壓高于一定值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)逆變裝置投入工作。
2.1系統組成   

系統組成框圖如圖1所示，現在大部分城市軌道交通牽引所都是35kV或10kV電網(wǎng)，經(jīng)過(guò)牽引整流變壓器，再進(jìn)行12脈波整流輸出直流1500V或750V給機車(chē)供電。
再生制動(dòng)能量吸收裝置是并聯(lián)在1500V/750V直流系統中，經(jīng)過(guò)逆變裝置變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)(35kV/10kV/400V)。

目前地鐵牽引供電系統電壓一般有兩個(gè)電壓等級即直流750V和1500V。通常采用常規功率器件IGBT的電壓等級為1700V、1200V，其封裝形式一樣，便于產(chǎn)品化實(shí)現批量生產(chǎn)。

逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓撲，可以保證1500V電壓等級非常方便實(shí)現，并且電壓余量大，更可以保證系統可靠運行。

逆變單元主電路原理圖如圖2所示，逆變輸出電壓波形、輸出電流波形分別如圖3、4所示。

主電路采用三電平電路拓撲其主要優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)主功率器件關(guān)斷時(shí)承受的電壓僅為直流側電壓的一半，功率器件電壓余量大，保證系統可靠工作，并延長(cháng)器件使用壽命；輸出波形諧波小，保證電網(wǎng)質(zhì)量；相同電壓情況下du/dt小，電磁干擾小；相同開(kāi)關(guān)頻率的情況下，開(kāi)關(guān)損耗比兩電平電路的開(kāi)關(guān)損耗小，系統溫升低，可提高系統效率并延長(cháng)器件使用壽命。
2.3 控制系統設計

逆變單元采用電流閉環(huán)控制，能夠保證輸出電流波形質(zhì)量；逆變單元輸出呈現電流源特性，能夠很好適合單元并聯(lián)以達到容量擴展。
下面就一個(gè)單元作簡(jiǎn)單理論分析，忽略調制過(guò)程引進(jìn)的非線(xiàn)性，忽略高次諧波，則每個(gè)單元可簡(jiǎn)化成一個(gè)線(xiàn)性放大系統。其控制框圖如圖5所示。

 

當 ，忽略?xún)茸瑁皖l段增益為：
 

閉環(huán)后逆變單元內阻為：
閉環(huán)后，單元內阻大大增大，可近似為電流源。

裝置為得到大功率輸出可采用多個(gè)逆變單元并聯(lián)，每個(gè)單元獨立控制，具有冗余工作的特點(diǎn)，即使單元出現保護，其余逆變單元可以正常工作，進(jìn)一步提高裝置運行的可靠性。而且每個(gè)逆變單元結構上完全一致，可以互換，這使得調試、維修非常方便。
2.4 系統保護功能
單元設置有過(guò)壓、偏壓、過(guò)流、短路、超溫保護功能，當某一逆變單元故障時(shí)，整機仍可以降額運行，不影響整機正常工作，同時(shí)把單元的工作狀態(tài)傳給上位機。
逆變裝置系統設置有電網(wǎng)過(guò)壓、欠壓、直流母線(xiàn)過(guò)壓、欠壓保護功能。
3 現場(chǎng)應用

重慶地鐵電壓等級均為直流1500V，一號線(xiàn)、三號線(xiàn)、六號線(xiàn)截止2013年12月共有46臺設備。重慶某站現場(chǎng)設備照片如圖6所示。
地鐵電壓等級有750V和1500V兩種，六號線(xiàn)、七號線(xiàn)、九號線(xiàn)、十號線(xiàn)、十四號線(xiàn)截止2013年12月共有45臺。北京某站現場(chǎng)設備照片如圖7所示。

一號線(xiàn)和六號線(xiàn)某站逆變裝置(容量900kW)日均節電情況如下表所示。參考工業(yè)用電1.00元/度，以日均1000度計算每月節約電費3萬(wàn)元，一年可節省36萬(wàn)元；若是采用電阻吸收消耗，除消耗電費36萬(wàn)，還需增加額外通風(fēng)設施來(lái)散熱。

4 關(guān)于現場(chǎng)應用相關(guān)問(wèn)題討論

再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置，雖然現場(chǎng)已有百臺設備應用，節能效果并得到認可和好評，但對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)還是新產(chǎn)品，因此對此裝置的幾個(gè)應用問(wèn)題，想提出來(lái)一起討論交流，以便更好地了解此裝置。
4.1 關(guān)于再生制動(dòng)能量吸收裝置節能問(wèn)題

制動(dòng)能量吸收裝置節能效果是用戶(hù)和生產(chǎn)廠(chǎng)家較為關(guān)心的問(wèn)題，直接關(guān)系到此產(chǎn)品是否滿(mǎn)足用戶(hù)需求，是否有應用前景。
逆變器(不包括隔離變壓器)轉換效率一般達到98%左右，現場(chǎng)節能效率與逆變器本身關(guān)系不大，真正影響現場(chǎng)節能效率的關(guān)鍵是逆變器的容量。逆變裝置的容量大小是直接影響能夠吸收多少能量到電網(wǎng)的關(guān)鍵指標，現場(chǎng)根據制動(dòng)能量數據選擇合適容量的逆變器是很重要的；逆變器的容量直接體現逆變器利用率的關(guān)鍵指標，逆變器的利用率也是影響系統節能的重要因素。
4.2 關(guān)于再生制動(dòng)能量吸收裝置回饋電網(wǎng)問(wèn)題

制動(dòng)能量吸收裝置回饋到400V電網(wǎng)，還是10kV電網(wǎng)或是35kV電網(wǎng)，到底回饋到哪種電網(wǎng)合適，我個(gè)人認為需要綜合來(lái)判斷。

目前地鐵應用，逆變器主要有兩個(gè)直流電壓等級1500V、750V，分別對應逆變器交流輸出1000V、500V，現場(chǎng)需要回饋到哪個(gè)電網(wǎng)，僅僅是逆變器輸出配置的隔離變壓器的規格不一樣，可以是1000V(500V)/400V、1000V(500V)/10kV、1000V(500V)/35kV等不同型號的變壓器，逆變器的各種性能、參數指標完全一樣。

400V配電網(wǎng)相比中壓網(wǎng)容量要小，用戶(hù)可能會(huì )認為回饋低壓電網(wǎng)不能完全吸收制動(dòng)能量，根據各城市地鐵用電數據來(lái)看，牽引供電占到50%-57%，照明、通風(fēng)等供電占到43%-50%，若按照配電網(wǎng)用電情況，只要選擇合適的逆變器容量完全可以回饋到配電網(wǎng)，即制動(dòng)產(chǎn)生的能量可完全用于除牽引外的用電設備。

回饋到400V電網(wǎng)與中壓網(wǎng)相比其優(yōu)點(diǎn)，一是從運行可靠性來(lái)講，若逆變器異常，不會(huì )影響到牽引網(wǎng)，不會(huì )影響車(chē)輛運行；二是400V隔離變壓器和400V開(kāi)關(guān)柜相對價(jià)格便宜，體積小。

回饋10kV/35kV中壓網(wǎng)方式其優(yōu)點(diǎn)，因中壓電網(wǎng)相對400V配電網(wǎng)容量大，所以逆變器可選容量范圍大；若選擇同容量的逆變器，逆變器對中壓網(wǎng)的沖擊和干擾相對會(huì )小。
4.3 關(guān)于吸收方式

不論是車(chē)輛配車(chē)載電阻還是站內配電阻，站內再增加逆變吸收方式，其工作方式都可認為是混合吸收方式。

電阻加逆變混合吸收方式其工作方式是，車(chē)輛制動(dòng)時(shí)檢測到直流母線(xiàn)電壓到一定值時(shí)，逆變優(yōu)先吸收，若測到直流母線(xiàn)電壓繼續升高到另一定值時(shí)，電阻才開(kāi)始吸收；同樣若車(chē)輛上帶有車(chē)載電阻，其工作方式與上述一樣。

從運行可靠性上來(lái)說(shuō)，帶有電阻的吸收方式更為可靠，逆變吸收為主，電阻吸收為輔。從成本上來(lái)說(shuō)，可以選擇合適容量的逆變器，也可以讓逆變器的利用率較大化。
4.4 逆變吸收容量選擇

如何選擇合適的逆變吸收容量，也是讓用戶(hù)真正進(jìn)行系統性節能的重要方面。

對于并網(wǎng)型的逆變器來(lái)說(shuō)，逆變器輸出呈現電流源特性，很容易實(shí)現容量的擴展，理論上逆變容量按最大的制動(dòng)能量來(lái)選擇，吸收利用率越大，但相應成本也會(huì )越高。

針對已經(jīng)運營(yíng)的老線(xiàn)，如果有電阻吸收的統計數據，就可以很好的選擇逆變吸收容量。根據每天、每月等電阻吸收的數據進(jìn)行統計分析，制動(dòng)產(chǎn)生能量大小及出現頻次，來(lái)判斷需要吸收利用的能量大小，從而確定逆變吸收容量。選擇時(shí)保證大部分的制動(dòng)能量能夠吸收利用，又保證逆變器利用率較大化。對于生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，提供高可靠性的產(chǎn)品是其不懈努力的方向；對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，選擇性?xún)r(jià)比高的產(chǎn)品也是其不斷追求的目標。
5 結語(yǔ)

本文對再生制動(dòng)能量吸收逆變系統的設計、現場(chǎng)應用節能效果以及應用相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行闡述，與行業(yè)內專(zhuān)家共同探討。由于知識有限，理解難免會(huì )片面或錯誤，還請各位專(zhuān)家批評指正。

隨著(zhù)軌道交通的快速發(fā)展，再生制動(dòng)能量逆變吸收方式會(huì )被越來(lái)越多的用戶(hù)接受和認可，該產(chǎn)品也會(huì )在地鐵行業(yè)普遍應用。