城市的交通擁擠問(wèn)題在國(guó)內(nèi)大、中型城市日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為影響城市經(jīng)濟(jì)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(yùn)量大、速度快、時(shí)間準(zhǔn)、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(yùn)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(yīng)用背景

由于城市交通其運(yùn)行特點(diǎn)的特殊性就是運(yùn)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(xiàn)制動(dòng)方式主要可以分為兩大類(lèi)：一是機(jī)械制動(dòng)(動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能)，機(jī)械摩擦制動(dòng)的缺點(diǎn)是接觸面容易磨損；摩擦?xí)r產(chǎn)生高溫可熔化燒灼踏面；摩擦后產(chǎn)生的粉塵有嚴(yán)重污染的。二是電制動(dòng)，把動(dòng)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(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(zhuǎn)換為熱能消耗掉，造成能源浪費(fèi)，而且電阻散熱會(huì)導(dǎo)致溫度升高，因此需要增加相應(yīng)的通風(fēng)裝置，即同時(shí)增加相應(yīng)的電能消耗

電制動(dòng)的另一種吸收方式是電容儲(chǔ)能型，將制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間有列車(chē)需要取流時(shí)將所儲(chǔ)存的電能釋放出去，其主要缺點(diǎn)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(dǎo)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(nèi)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(xiàn)了節(jié)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(tǒng)在機(jī)車(chē)牽引變電所，一般1-2公里就需要設(shè)置一個(gè)機(jī)車(chē)牽引變電所，每個(gè)機(jī)車(chē)牽引所都需要配備再生制動(dòng)能量吸收設(shè)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(cè)直流側(cè)電壓，當(dāng)直流側(cè)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(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(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(jī)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(tǒng)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(tǒng)電壓一般有兩個(gè)電壓等級(jí)即直流750V和1500V。通常采用常規(guī)功率器件IGBT的電壓等級(jí)為1700V、1200V，其封裝形式一樣，便于產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓?fù)洌梢员ＷC1500V電壓等級(jí)非常方便實(shí)現(xiàn)，并且電壓余量大，更可以保證系統(tǒng)可靠運(yùn)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?fù)淦渲饕獌?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(cè)電壓的一半，功率器件電壓余量大，保證系統(tǒng)可靠工作，并延長(zhǎng)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?。幌嗤_(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(tǒng)溫升低，可提高系統(tǒng)效率并延長(zhǎng)器件使用壽命。
2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(xiàn)電流源特性，能夠很好適合單元并聯(lián)以達(dá)到容量擴(kuò)展。
下面就一個(gè)單元作簡(jiǎn)單理論分析，忽略調(diào)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(tǒng)。其控制框圖如圖5所示。

 

當(dāng) ，忽略?xún)?nèi)阻，低頻段增益為：
 

閉環(huán)后逆變單元內(nèi)阻為：
閉環(huán)后，單元內(nèi)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(dú)立控制，具有冗余工作的特點(diǎn)，即使單元出現(xiàn)保護(hù)，其余逆變單元可以正常工作，進(jìn)一步提高裝置運(yùn)行的可靠性。而且每個(gè)逆變單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，這使得調(diào)試、維修非常方便。
2.4 系統(tǒng)保護(hù)功能
單元設(shè)置有過(guò)壓、偏壓、過(guò)流、短路、超溫保護(hù)功能，當(dāng)某一逆變單元故障時(shí)，整機(jī)仍可以降額運(yùn)行，不影響整機(jī)正常工作，同時(shí)把單元的工作狀態(tài)傳給上位機(jī)。
逆變裝置系統(tǒng)設(shè)置有電網(wǎng)過(guò)壓、欠壓、直流母線(xiàn)過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

重慶地鐵電壓等級(jí)均為直流1500V，一號(hào)線(xiàn)、三號(hào)線(xiàn)、六號(hào)線(xiàn)截止2013年12月共有46臺(tái)設(shè)備。重慶某站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備照片如圖6所示。
地鐵電壓等級(jí)有750V和1500V兩種，六號(hào)線(xiàn)、七號(hào)線(xiàn)、九號(hào)線(xiàn)、十號(hào)線(xiàn)、十四號(hào)線(xiàn)截止2013年12月共有45臺(tái)。北京某站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備照片如圖7所示。

一號(hào)線(xiàn)和六號(hào)線(xiàn)某站逆變裝置(容量900kW)日均節(jié)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(jì)算每月節(jié)約電費(fèi)3萬(wàn)元，一年可節(jié)省36萬(wàn)元；若是采用電阻吸收消耗，除消耗電費(fèi)36萬(wàn)，還需增加額外通風(fēng)設(shè)施來(lái)散熱。

4 關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)已有百臺(tái)設(shè)備應(yīng)用，節(jié)能效果并得到認(rèn)可和好評(píng)，但對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)還是新產(chǎn)品，因此對(duì)此裝置的幾個(gè)應(yīng)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(jié)能問(wèn)題

制動(dòng)能量吸收裝置節(jié)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(yīng)用前景。
逆變器(不包括隔離變壓器)轉(zhuǎn)換效率一般達(dá)到98%左右，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能效率與逆變器本身關(guān)系不大，真正影響現(xiàn)場(chǎng)節(jié)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(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)制動(dòng)能量數(shù)據(jù)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(xiàn)逆變器利用率的關(guān)鍵指標(biāo)，逆變器的利用率也是影響系統(tǒng)節(jié)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(rèn)為需要綜合來(lái)判斷。

目前地鐵應(yīng)用，逆變器主要有兩個(gè)直流電壓等級(jí)1500V、750V，分別對(duì)應(yīng)逆變器交流輸出1000V、500V，現(xiàn)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(guī)格不一樣，可以是1000V(500V)/400V、1000V(500V)/10kV、1000V(500V)/35kV等不同型號(hào)的變壓器，逆變器的各種性能、參數(shù)指標(biāo)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(rèn)為回饋低壓電網(wǎng)不能完全吸收制動(dòng)能量，根據(jù)各城市地鐵用電數(shù)據(jù)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(shè)備。

回饋到400V電網(wǎng)與中壓網(wǎng)相比其優(yōu)點(diǎn)，一是從運(yùn)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(yùn)行；二是400V隔離變壓器和400V開(kāi)關(guān)柜相對(duì)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(duì)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(duì)中壓網(wǎng)的沖擊和干擾相對(duì)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(nèi)配電阻，站內(nèi)再增加逆變吸收方式，其工作方式都可認(rèn)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(cè)到直流母線(xiàn)電壓到一定值時(shí)，逆變優(yōu)先吸收，若測(cè)到直流母線(xiàn)電壓繼續(xù)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(yùn)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(tǒng)性節(jié)能的重要方面。

對(duì)于并網(wǎng)型的逆變器來(lái)說(shuō)，逆變器輸出呈現(xiàn)電流源特性，很容易實(shí)現(xiàn)容量的擴(kuò)展，理論上逆變?nèi)萘堪醋畲蟮闹苿?dòng)能量來(lái)選擇，吸收利用率越大，但相應(yīng)成本也會(huì)越高。

針對(duì)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的老線(xiàn)，如果有電阻吸收的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，就可以很好的選擇逆變吸收容量。根據(jù)每天、每月等電阻吸收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制動(dòng)產(chǎn)生能量大小及出現(xiàn)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(duì)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(duì)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(biāo)。
5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)再生制動(dòng)能量吸收逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用節(jié)能效果以及應(yīng)用相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行闡述，與行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家共同探討。由于知識(shí)有限，理解難免會(huì)片面或錯(cuò)誤，還請(qǐng)各位專(zhuān)家批評(píng)指正。

隨著軌道交通的快速發(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(rèn)可，該產(chǎn)品也會(huì)在地鐵行業(yè)普遍應(yīng)用。