1 引言

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。

目前城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)采用二極管整流器，電能只能從交流電網(wǎng)向直流牽引網(wǎng)單向流動(dòng)。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，多余的再生制動(dòng)能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統(tǒng)的解決方法是設(shè)置電阻制動(dòng)裝置，但這將造成電能的極大浪費(fèi)并帶來(lái)溫升等其它問(wèn)題。由于軌道交通車(chē)輛起制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀，若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

從最早的在牽引變電所設(shè)置再生能量電阻消耗裝置的應(yīng)用到近幾年電容儲(chǔ)能、再生電能逆變回饋設(shè)備發(fā)展，再生制動(dòng)能量吸收技術(shù)在不斷研制和持續(xù)改進(jìn)，在國(guó)內(nèi)外軌道交通線路上得到應(yīng)用。再生能量電阻消耗裝置，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。再生電能逆變回饋設(shè)備，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。

新風(fēng)光研制的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置為逆變回饋型，其回饋能量將直接用于車(chē)站內(nèi)400V負(fù)載或經(jīng)變壓器反送至10kV//35kV電網(wǎng)。再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置根據(jù)各個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車(chē)處于再生電制動(dòng)狀態(tài)，一旦確認(rèn)列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)吸收過(guò)程。逆變裝置把機(jī)車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成AC400V電壓，自動(dòng)跟蹤AC400V母線電壓，并向負(fù)載供電，將再生能量消耗在用電設(shè)備上，確保機(jī)車(chē)充分有效利用電制動(dòng)。在直流牽引供電系統(tǒng)中，再生電能吸收裝置為一個(gè)子系統(tǒng)工程，其作用關(guān)乎系統(tǒng)的安全。

2 南京某線路牽引供電系統(tǒng)概況

南京軌道交通其牽引供電系統(tǒng)在機(jī)車(chē)牽引變電所，2-4公里就設(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。

南京牽引供電系統(tǒng)主要分為直流牽引網(wǎng)和交流配電網(wǎng)兩部分。主變電所將三相35kV高壓交流送至各牽引所，經(jīng)整流變壓器、整流器變成適合軌道車(chē)輛應(yīng)用的1500V直流母線，饋電線再將直流電送到接觸網(wǎng)上，接觸網(wǎng)是沿車(chē)輛走行軌架設(shè)的特殊供電線路，軌道車(chē)輛通過(guò)其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電能。

本工程供電系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置是新風(fēng)光電子科技股份有限公司自主研發(fā)，擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，新風(fēng)光通過(guò)對(duì)逆變器多電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)、電壓型逆變器的電流源控制技術(shù)、單元并聯(lián)技術(shù)、并網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了突破。在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)并成功運(yùn)行在軌道交通行業(yè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。通過(guò)該項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，滿足了城市軌道交通行業(yè)低碳綠色環(huán)保節(jié)能的需求，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)軌道交通裝備的提質(zhì)增效。

3 新風(fēng)光FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置介紹

該逆變裝置具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并網(wǎng)電流諧波小，回饋能量效率高，可靠性高。產(chǎn)品經(jīng)鐵道部質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該設(shè)備被列入科技部2014年度國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目，山東省重點(diǎn)領(lǐng)域首臺(tái)套裝備名單。

3.1新風(fēng)光FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置主要技術(shù)參數(shù)

新風(fēng)光FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)功率：峰值功率650kW，持續(xù)時(shí)間20s，周期120s

(2)工作制：間歇工作制

(3)啟動(dòng)電壓值：1530V~1980V連續(xù)平滑可調(diào)

(4)輸出電壓：AC1000V  三相三線制

(5)頻率：跟蹤交流側(cè)電網(wǎng)頻率

(6)額定工況下輸出功率因數(shù)：＞0.98

(7)額定工況下整套設(shè)備效率：＞97%

(8)額定工況下電流諧波含量：≤3％

(9)額定工況下電壓諧波含量：≤3％

（10）裝置響應(yīng)時(shí)間：≤200ms

3.2主要工作原理

逆變器部分采用多單元并聯(lián)方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀況調(diào)節(jié)逆變器的輸出功率大小，將直流母線電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)，整機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)電流源特性。

逆變器主要由直流接觸器、逆變單元、濾波電抗器、交流接觸器等部分組成，如圖1所示，可實(shí)現(xiàn)逆變裝置自動(dòng)投入、撤出、濾波及檢測(cè)等功能。

圖1 逆變裝置主回路拓?fù)?/p>

當(dāng)車(chē)輛再生電制動(dòng)且制動(dòng)能量不能被其它車(chē)輛或用電設(shè)備消耗時(shí)，再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置將該部分的能量，根據(jù)直流母線電壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)逆變單元的輸出電流大小，逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電送回電網(wǎng)。

逆變主電路主要實(shí)現(xiàn)逆變吸收、自動(dòng)并網(wǎng)及逆變電流調(diào)節(jié)等功能。逆變主電路由多路獨(dú)立的逆變單元及控制裝置等組成，逆變單元采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，控制裝置通過(guò)PWM調(diào)節(jié)控制每條支路IGBT通斷。并根據(jù)實(shí)際再生制動(dòng)能量的大小調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流，充分滿足車(chē)輛的再生制動(dòng)功能。裝置具有過(guò)壓、過(guò)流、溫度、短路等多種保護(hù)功能。

逆變裝置的單元采用三電平拓?fù)潆娐?，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。

圖2 功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3顯示設(shè)定

顯示裝置采用彩色觸摸屏，通過(guò)觸摸屏操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、用戶級(jí)參數(shù)修改等功能。同時(shí)對(duì)故障進(jìn)行顯示和記錄，欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)值，以及逆變裝置啟動(dòng)閥值等參數(shù)可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。

3.4通信功能

控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信口，采用RS485接口，數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用具有良好的通用性和開(kāi)放性Modbus協(xié)議。實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)位置、故障信號(hào)遙信，電流、電壓和電度等的遙測(cè)功能，根據(jù)實(shí)際需要可以增加對(duì)設(shè)備交直流接觸器的遙控功能?？刂葡到y(tǒng)上送變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的故障信息帶有時(shí)標(biāo)，并具有與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步功能。

3.5自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)功能

控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)功能，以及顯示、控制界面，本地采集信息包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集日期和時(shí)間、直流電網(wǎng)電壓、逆變器輸出側(cè)交流電壓、電流、回饋功率等。以上參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理后，保存在本地裝置中，也可實(shí)現(xiàn)USB等傳輸方式轉(zhuǎn)存。

控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行處理、顯示。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息包含開(kāi)關(guān)狀態(tài)和系統(tǒng)故障信息。其中開(kāi)關(guān)狀態(tài)包括交、直流開(kāi)關(guān)柜、逆變柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)故障信息包括交、直流電網(wǎng)電壓異常、功率模塊異常、變壓器異常等。

3.6保護(hù)功能

裝置內(nèi)部設(shè)置如下保護(hù)：交流電網(wǎng)欠壓、過(guò)壓保護(hù)，直流電網(wǎng)欠壓、過(guò)壓保護(hù)，功率模塊過(guò)流保護(hù)，功率模塊過(guò)熱保護(hù)，隔離開(kāi)關(guān)(狀態(tài))保護(hù)，散熱風(fēng)機(jī)故障保護(hù)，變壓器過(guò)熱保護(hù)等保護(hù)。

4 改造后使用效果

為了降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本，南京地鐵公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過(guò)多方考察，與新風(fēng)光電子科技股份有限公司簽訂了在地鐵某線路上使用FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置的協(xié)議。經(jīng)過(guò)雙方技術(shù)人員的緊密配合，制定了周密的改造方案。2015年1月8日，改造工程完成，逆變?cè)O(shè)備一次性投入運(yùn)行，至今運(yùn)行良好，取得了顯著的節(jié)能效果，達(dá)到了改造的預(yù)期目的。

該逆變裝置將再生制動(dòng)吸收的能量回饋到400V電網(wǎng)，供給地鐵內(nèi)其他用電設(shè)備使用。該逆變裝置接入地鐵電網(wǎng)系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成框圖

為了測(cè)試節(jié)能效果，南京地鐵公司加裝了電表計(jì)量，測(cè)試逆變裝置回饋的電量及效果。經(jīng)過(guò)近一年的測(cè)試，該裝置投運(yùn)后日均節(jié)電1000度左右，年節(jié)電約36.5萬(wàn)度，按照南京當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.8451元/度，年節(jié)省電費(fèi)約30.8萬(wàn)元，另外采用該設(shè)備節(jié)省了原來(lái)電阻制動(dòng)時(shí)隧道散熱所需的電量，這又節(jié)省了一筆可觀的開(kāi)支。

5 結(jié)束語(yǔ)

新風(fēng)光研制的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置成功應(yīng)用在北京、重慶、天津、南京等城市的地鐵中，是目前國(guó)內(nèi)地鐵現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最早、業(yè)績(jī)最多、性能最為可靠的產(chǎn)品。隨著人們節(jié)能環(huán)保的意識(shí)提高，再生制動(dòng)能量逆變吸收方式會(huì)被越來(lái)越多的地鐵公司接受和認(rèn)可，該產(chǎn)品也會(huì)在地鐵行業(yè)普遍應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

1、再生制動(dòng)逆變裝置 FDBL-1500-650 用戶手冊(cè)  新風(fēng)光電子科技股份有限公司

2、GB/T 10411-2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》 2005

3、IEC60077《電力牽引設(shè)備規(guī)則》