1 引 言
随着国民经济的持续发展,城市化进程的逐步加快,普遍存在着交通道路阻塞、交通秩序混乱、交通事故频发、交通污染严重等问题。由于城市轨道交通具有运量大、快捷舒适、安全节能、污染轻、占地少等特点,发展城市轨道交通已成为大城市发展公共交通的根本方针和缓解城市交通拥塞的最佳选择。
由于地铁站间距离较短,列车启动、制动频繁,大约40%左右的能量被浪费。目前,国内地铁车辆普遍采用电阻式再生制动吸收装置,制动时产生的能量被电阻以发热的形式消耗掉,并且这些热量会引起隧道内温度升高,加重空调和通风设施的负担,进一步产生能源浪费。逆变回馈型再生制动能量吸收装置将列车制动能量逆变后反馈回交流中压环网,供其他负载使用,达到节约能源、改善环境的目的。如果能在国内城市轨道交通系统广泛采用此项技术,必将产生巨大的经济和社会效益。
2 可再生制动方案对比分析
目前，吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型和逆变回馈型等三种。
2.1 电阻耗能型
电阻耗能型制动是将制动能量消耗在吸收电阻上，这是目前国内外 应用 比较普遍的方案，该方案控制简单、工作可靠、应用成熟，其主要缺点是该方案只能将电能转换为热能排
图1 电阻耗能型制动方案接入方式
掉，造成能源浪费，而且电阻制动会产生大量热量,使隧道内温度升高,增加了空调和通风装置的负担,使城市轨道交通的建设费用和运营成本增加。接入方式如图1所示。
2.2 电容储能型
电容储能型是将制动能量吸收到大容量电容器组中，具有存储能量和稳定网压的双重功能。当供电区间列车进行再生制动时,将回馈的制动能量储存到电容中;当列车牵引或直流网压较低时,将电容中存储的能量释放回直流电网。其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短。接入方式如图2所示。
图2 电容储能型接入方式
2.3 逆变回馈型
逆变回馈型再生制动能量吸收方案采用能量回馈方式，直流侧连接于直流母线上,交流侧与整流变压器副边三角形绕组相连。逆变回馈装置根据直流母线电压的变化,确定运行列车已处于再生制动工况下投入运行。根据线网再生反馈电流的大小,自动调节逆变回馈装置的吸收电流,实现稳定直流母线电压，同时将列车再生制动时产生的能量通过整流变压器反馈到AC35kV中压环网,供其他负载使用。逆变回馈型再生制动能量吸收装置具有动态性能好、谐波含量低及控制方法灵活等优点。该吸收方案不但能够在列车制动时回馈能量和稳定牵引网电压,还具有以下优点:
(1)装置交流电网侧采用LC滤波装置,谐波含量小,故对电网谐波污染小。
(2)功率因数较高,且不会因为回馈功率改变而改变,故可降低无功功率补偿设备的成本。
(3)因为功率器件IGBT的开关频率高,可以减小滤波器体积,故滤波器损耗较小,且滤波器的动态响应较快。
接入方式如图3所示。
图3 逆变回馈型接入方式
基于上述分析可知，逆变回馈型再生制动能量吸收方案优势明显，充分利用了列车的再生制动能量,节能效果较好;再生制动能量回馈到交流中压环网,使原先被电阻消耗的能量有效利用起来,起到节省能源、稳定牵引网电压的作用,并解决了目前地铁普遍存在的隧道温升问题。是城市轨道交通运营发展的方向,符合国家节能减排、低碳环保政策。
3 逆变回馈型再生制动能量回收技术方案
3.1 逆变回馈系统整体方案
再生制动能量逆变回馈系统为三相电流型逆变电源，其工作原理如图4所示。它的主要功能是将列车再生制动时产生的能量反馈回AC35kV 中压环网，供其他负载使用，起到节约能源的作用，同时稳定直流牵引电压，保证地铁牵引供电系统安全可靠运行。
图4 逆变回馈系统原理框图
再生制动能量逆变回馈系统由主电路和控制电路两部分组成。
主电路主要由PWM型逆变器、LC滤波器、隔离变压器以及整流变压器组成。PWM逆变电路由六个IGBT构成逆变桥，将直流电变换成交流电。由于逆变器输出的交流电含有大量谐波，所以设置滤波电路进行滤波，LC滤波设置在逆变器的交流输出侧。为了防止逆变器的某一桥臂发生短路故障时，直流电流将直接进入交流系统，所以在逆变器与整流变压器之间加入一台变比为900/1180V的隔离变压器，保证直流电流不会进入交流系统。
控制电路采用SPWM控制策略，调节控制器采用数字式比例积分PI控制，实时地调节输出电压的幅值，以满足实际需要。控制电路把逆变后的三相交流电用一个电流测量元件将三相电流反馈回来，与给定的参考电流信号进行比较，所得到误差信号经过PI调节器进行调节，调节后的信号送入PWM发生器，用来控制PWM发生器的调制正弦波幅值。PWM发生器产生的PWM波又来控制逆变电路功率器件IGBT的导通与关断，从而实现调压功能。
3.2 逆变回馈装置工作原理
再生制动能量逆变回馈装置在列车制动时,将制动能量反馈回交流中压环网,起到节约能源的作用,同时稳定直流牵引网电压,确保地铁牵引供电系统安全可靠运行。逆变回馈装置的工作原理描述如下:
(1)装置回馈运行
逆变回馈装置启动后,首先按照启动时序将各断路器、接触器闭合,使装置进入待机状态。进入待机状态后,装置实时检测直流母线电压,当装置检测到直流母线电压高于设定值(DC1680V,可调节)时,会立刻开启PWM脉冲信号,控制逆变器功率器件IGBT,使其工作,通过快速调节吸收电流,使列车制动产生的能量快速回馈到交流中压环网,同时稳定直流母线电压,将电压稳定在设定值(DC168OV,可调节),确保地铁牵引供电系统安全稳定运行。此时,由于直流母线侧电压值高于整流器的不可控整流值,整流器二极管将自动停止工作,进入待机状态。
(2)装置待机运行
当逆变回馈装置检测到直流电流的方向发生改变(直流电流>-10A)时,此时逆变回馈装置工作在整流状态,即列车处于牵引工况,因为列车牵引需要的能量比逆变回馈装置的容量大很多,逆变回馈装置立刻封锁PWM脉冲信号并退出运行,进入待机状态,列车所需牵引能量全部由牵引变电所的整流机组提供,直流母线电压快速回落至DC1500V附近。另外,当运行列车制动逐渐结束,再生制动能量吸收完成促使直流母线电压回落到设定值以下,逆变回馈装置将退出运行,进入待机状态。
3.3 挂网试验方案
再生制动能量逆变回馈装置现场挂网接线如图5所示。该装置AC输出侧接在整流变压器副边的三角型绕组上；直流侧正极输入通过直流快速断路器与PWM逆变器相连,负极接在负极柜的负母排上。
再生制动能量逆变回馈装置与既有的地面电阻制动吸收装置并联接入直流牵引供电系统,逆变回馈装置和既有的地面电阻制动吸收装置并联运行。逆变回馈装置启动电压设定值低于既有的地面电阻制动吸收装置,以保证逆变回馈装置优先启动,并在逆变回馈装置因故障退出运行时,由既有的地面电阻制动吸收装置投入工作,不会影响地铁行车和牵引供电系统的安全可靠运行。
图5 逆变回馈装置挂网运行主回路接线图
4 结束语
城市轨道交通中制动能量回馈吸收问题的研究具有非常重要的现实意义。制动能量的回收利用不但可以节约电能，保护环境，同时可以降低轨道交通运营成本，促进轨道交通的进一步发展。
通过对电阻耗能型、电容储能型及逆变回馈型三种制动能量回收方案的研究，可以发现，逆变回馈型的吸收方式可以与牵引系统良好结合，不仅能够回馈能量和稳定牵引网电压，还能起到节能环保的作用，是很有潜力的吸收方案。
