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城市的交通擁擠問題在國內(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疑是解決城市交通擁擠問題的一種有效手段。城市軌道交通主要包括地鐵、輕軌、磁懸浮和有軌電車等運(yùn)輸方式，越來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、制動頻繁，且制動時(shí)會產(chǎn)生大量的能量。
現(xiàn)制動方式主要可以分為兩大類：一是機(jī)械制動(動能轉(zhuǎn)化成熱能)，機(jī)械摩擦制動的缺點(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，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(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(dāng)供電區(qū)間有列車需要取流時(shí)將所儲存的電能釋放出去，其主要缺點(diǎn)是要設(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。

電制動第三種方式是逆變吸收方式，是將車輛制動時(shí)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能，是目前日益重視并大力推廣的方式。
2 再生制動能量吸收逆變裝置

軌道交通其牽引供電系統(tǒng)在機(jī)車牽引變電所，一般1-2公里就需要設(shè)置一個(gè)機(jī)車牽引變電所，每個(gè)機(jī)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為逆變回饋型，就是將車輛制動所產(chǎn)生的能量經(jīng)過逆變裝置回饋到電網(wǎng)。逆變裝置實(shí)時(shí)檢測直流側(cè)電壓，當(dāng)直流側(cè)電壓高于一定值時(shí)，自動觸發(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)。

目前地鐵牽引供電系統(tǒng)電壓一般有兩個(gè)電壓等級即直流750V和1500V。通常采用常規(guī)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(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)?，可以保證1500V電壓等級非常方便實(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；相同開關(guān)頻率的情況下，開關(guān)損耗比兩電平電路的開關(guān)損耗小，系統(tǒng)溫升低，可提高系統(tǒng)效率并延長器件使用壽命。
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)單元作簡單理論分析，忽略調(diào)制過程引進(jìn)的非線性，忽略高次諧波，則每個(gè)單元可簡化成一個(gè)線性放大系統(tǒng)。其控制框圖如圖5所示。

 

當(dāng) ，忽略內(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)置有過壓、偏壓、過流、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)過壓、欠壓、直流母線過壓、欠壓保護(hù)功能。
3 現(xiàn)場應(yīng)用

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

一號線和六號線某站逆變裝置(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)3萬元，一年可節(jié)省36萬元；若是采用電阻吸收消耗，除消耗電費(fèi)36萬，還需增加額外通風(fēng)設(shè)施來散熱。

4 關(guān)于現(xiàn)場應(yīng)用相關(guān)問題討論

再生制動能量吸收逆變裝置，雖然現(xiàn)場已有百臺設(shè)備應(yīng)用，節(jié)能效果并得到認(rèn)可和好評，但對于用戶來說還是新產(chǎn)品，因此對此裝置的幾個(gè)應(yīng)用問題，想提出來一起討論交流，以便更好地了解此裝置。
4.1 關(guān)于再生制動能量吸收裝置節(jié)能問題

制動能量吸收裝置節(jié)能效果是用戶和生產(chǎn)廠家較為關(guān)心的問題，直接關(guān)系到此產(chǎn)品是否滿足用戶需求，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)場節(jié)能效率與逆變器本身關(guān)系不大，真正影響現(xiàn)場節(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)場根據(jù)制動能量數(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)于再生制動能量吸收裝置回饋電網(wǎng)問題

制動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)為需要綜合來判斷。

目前地鐵應(yīng)用，逆變器主要有兩個(gè)直流電壓等級1500V、750V，分別對應(yīng)逆變器交流輸出1000V、500V，現(xiàn)場需要回饋到哪個(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，用戶可能會認(rèn)為回饋低壓電網(wǎng)不能完全吸收制動能量，根據(jù)各城市地鐵用電數(shù)據(jù)來看，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)行可靠性來講，若逆變器異常，不會影響到牽引網(wǎng)，不會影響車輛運(yùn)行；二是400V隔離變壓器和400V開關(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小。
4.3 關(guān)于吸收方式

不論是車輛配車載電阻還是站內(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，車輛制動時(shí)檢測到直流母線電壓到一定值時(shí)，逆變優(yōu)先吸收，若測到直流母線電壓繼續(xù)升高到另一定值時(shí)，電阻才開始吸收；同樣若車輛上帶有車載電阻，其工作方式與上述一樣。

從運(yùn)行可靠性上來說，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。從成本上來說，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，也是讓用戶真正進(jìn)行系統(tǒng)性節(jié)能的重要方面。

對于并網(wǎng)型的逆變器來說，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)萘堪醋畲蟮闹苿幽芰縼磉x擇，吸收利用率越大，但相應(yīng)成本也會越高。

針對已經(jīng)運(yùn)營的老線，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，制動產(chǎn)生能量大小及出現(xiàn)頻次，來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)廠家來說，提供高可靠性的產(chǎn)品是其不懈努力的方向；對于用戶來說，選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品也是其不斷追求的目標(biāo)。
5 結(jié)語

本文對再生制動能量吸收逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場應(yīng)用節(jié)能效果以及應(yīng)用相關(guān)問題進(jìn)行闡述，與行業(yè)內(nèi)專家共同探討。由于知識有限，理解難免會片面或錯(cuò)誤，還請各位專家批評指正。

隨著軌道交通的快速發(fā)展，再生制動能量逆變吸收方式會被越來越多的用戶接受和認(rèn)可，該產(chǎn)品也會在地鐵行業(yè)普遍應(yīng)用。