地鐵列車再生制動逆變裝置選型研究

李 研，張 巖，芮國強

（1. 南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210012；2. 山東新風光電子科技股份有限公司，山東汶上 272500；3. 南京亞派科技股份有限公司，江蘇南京 210032）

地鐵列車再生制動逆變裝置選型研究

李 研1，張 巖2，芮國強3

（1. 南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210012；2. 山東新風光電子科技股份有限公司，山東汶上 272500；3. 南京亞派科技股份有限公司，江蘇南京 210032）

簡要介紹國內外城市軌道交通再生制動能量吸收方式，重點對電阻+逆變型（回饋至低壓 400 V）和電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）2 種方式的技術性能以及運用情況做了分析比較，測算了節能效果，并對項目的運作方式提出了建議。

地鐵列車；再生制動；逆變裝置；回饋

U260.35+9

0　概述

列車在再生制動時，動能轉換為電能，會使接觸網電壓升高，過高的電壓會危害到列車的正常運行。為了將網壓控制在額定范圍內，列車會自動導通車載制動電阻，這部分電能就會轉換成熱能消耗掉。在現有的再生制動能量吸收方案中，電阻耗能型廣泛應用在軌道交通行業，基本是通過列車自帶電阻吸收電網上多余電能。這種方式雖然簡單，但存在缺陷：一是列車自帶電阻，既增加了列車自重，又易導致列車正線故障頻發；二是電阻通過消耗產生的熱能，會導致隧道和車站環境溫度升高，加大環控冷卻設備電耗量；三是不符合國家倡導的節能減排的要求。

針對電阻能耗型的以上缺點，目前國內外已有很多科研機構開展針對性研究，并取得了實質性進展及商業化運作。新型的再生制動能量吸收方案主要包括：電阻+逆變型、電容儲能型、飛輪儲能型及雙向可控型，各種電能吸收方案的優缺點對比見表 1 所示。從表 1 中可以看出，電阻 + 逆變型的吸收方式具有成本適中、效率高、體積較小、技術成熟等特點。在加裝再生制動逆變裝置后，可以將原來流向制動電阻的電能，經過逆變、變壓后輸送到車站，供車站內動力照明設備使用，這樣，可節省部分電能。根據已建成地鐵相關經驗，與單純的電阻制動相比，再生制動逆變回饋方式節能效果顯著，其再生回饋電能可達到 40% 左右。本文將重點探討電阻 + 逆變型再生制動能量吸收方式。

1　再生制動逆變的方式

目前，國內普遍采用電阻+逆變型模式，回饋的方式有回饋至低壓 400 V 和回饋至中壓 35 kV 兩種方式（表 2）。再生制動逆變裝置在全國地鐵的應用越來越多，北京、重慶地鐵已大面積使用，天津、廣州、長沙、鄭州、南京等地鐵也都開展了試點。

表 1 不同再生制動能量吸收方式對比

表 2 兩種再生制動逆變方式主要技術性能比較

1.1電阻+逆變型（回饋至低壓400 V ）

電阻+逆變型（回饋至低壓 400 V）回路原理如圖 1 所示，逆變單元設置在牽引變電所內，電阻柜設置在地面或風道，并設置散熱通風裝置。其原理是再生制動能量吸收電阻+逆變裝置根據各個傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網上是否有列車處于再生制動狀態，一旦確認列車處于再生制動狀態并需要吸收能量時，系統啟動吸收過程。在控制系統中設置 2 級判斷基準值，當電網電壓升至到第1級判斷電壓時，系統首先投入逆變吸收裝置，逆變裝置把列車制動時產生的能量轉換成AC400V 電壓，自動跟蹤 AC400V 母線電壓，并向負載供電，將再生能量消耗在用電設備上；一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網電壓進一步上升，當電網電壓升到第 2 級判斷電壓時，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動能量消耗，穩定電壓不再上升，確保列車充分有效利用電制動。目前，此種方式運用于重慶地鐵 1 號線、3 號線、 6 號線及南京地鐵 1 號線。

圖 1 電阻 + 逆變型（回饋至低壓 400 V）

1.2電阻 + 逆變型（回饋至中壓35 kV ）

電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）回路原理如圖 2 所示，回饋變流器的直流側通過直流饋線柜與二極管整流機組的直流 1 500 V 母線相連，變流器的交流輸出端連接 1 kV / 35 kV 回饋變壓器，通過高壓氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）后并入 35 kV 電網。其中逆變型裝置安裝于牽引變電站內，電阻一般為車載電阻，其工作原理與回饋至 AC400V 基本相同，即一旦確認列車處于再生制動狀態，系統立即啟動吸收過程。吸收過程中，逆變吸收裝置首先投入工作，將列車制動時產生的能量逆變成 35 kV 電壓送入電網供其他列車及負荷使用，在逆變吸收消耗不了該能量時，逆變器轉為恒功率輸出額定容量模式，同時將車載電阻投入工作，共同消耗多余能量。該方式在確保列車安全穩定運行的同時，能夠充分有效利用再生制動的能量。此種方式在線路批量應用時可以取消車載電阻。目前，這種方式已運用于北京地鐵、廣州地鐵等。

圖 2 電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）

2　電阻+逆變型回饋的優缺點

采用電阻+逆變型回饋的模式，無論是回饋至低壓400 V，還是回饋至 35 kV 中壓系統，產品的工作原理基本一致。2 種模式兼具有電阻能耗及逆變回饋的優點。總體特點為：①并網電流諧波小，電流畸變率可達到總諧波失真（THD）小于 3%；②動態響應快，由于采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）開關以及數字信號處理和現場可編程門陣列（DSP/FPGA）等數字處理器，系統動作時間（檢測到動作時間）為微秒級，系統響應時間（從 0 至輸出額定功率的時間）最快可實現 100 ms 以內；③整機特性較好，功率因數不低于 0.99。此外，回饋至 400 V 與回饋至 35 kV 又各有優缺點。

2.1采用電阻 + 逆變型（回饋至低壓 400 V）的模式

該模式是將再生能量逆變回饋到 400 V 低壓電網系統來實現節能效果。同時考慮在列車制動時會產生較大再生能量，結合電阻吸收多余能量，從而確保列車制動平穩。該模式具有以下特點。

優點：①實現方式較為簡單，再生制動能量通過逆變器輸出，經 400 V 工頻變壓器隔離后并聯至交流母線，直接供變電房內空調、照明等系統使用；②該方案成本較低，回饋 400 V 系統不需要高壓 GIS 開關柜并網，同時采用較低電壓等級的器件、電纜等也會相應降低成本。

缺點：①列車制動屬于間歇式，無法提供穩定的用電負荷，故只能供給 3 類負荷；②容量相對較小，僅可供本車站牽引配電房的空調、照明等系統使用，效率相對較低；③由于低壓配電變壓器容量相對較小，因此，該模式并網時對電網的沖擊較大。

2.2采用電阻 + 逆變型（回饋至中壓 35 kV）的模式

相對于前者，該模式回饋效率更高，近幾年，國內已成功攻克各種技術難題，并成功運用，符合城市軌道交通綠色出行的要求。該模式具有以下特點。

優點：①回饋功率更大，整體節能效果更好，由于35 kV 系統容量更大，因此，該模式下配備更大功率的逆變回饋時，回饋能量不僅可供本系統內的負荷使用，同時可供 35 kV 系統對應的其他站點牽引及一般負荷使用；②再生制動能量回饋至 35 kV 系統，對系統的沖擊性更小；③逆變回饋裝置可以具有更高的效率；④逆變回饋裝置具有無功補償的功能，可補償系統中最高達 2 MVar 的感性或容性無功；⑤抑制直流側過壓的能力更強。

缺點：①設備的成本相對較高，由于回饋到中壓系統，裝置的體積及成本相對都較高；②實現及保護方式相對復雜。

2.3運行能耗測算對比

回饋至 400 V 系統與回饋至 35 kV 系統的能量大小取決于逆變裝置的容量等級。

以南京地鐵為例，選取 1 號線安德門站作為試點，采用回饋至 400 V 的方式，設計加裝了 1 臺 1 500 V、600 kW 低壓逆變裝置。自 2015 年 1 月 8 日正式投用以來，運行情況良好，平均每日吸收回饋電量約 1 000 kWh，按 0.845 1 元 / kWh計算，每年可節約電費約 30 萬元。

回饋至中壓 35 kV 的方式，從已投入使用的某城市地鐵能耗數據來看，安裝 1 臺 2 000 kW 的能量回饋裝置后，日實測最大節電量可達 1 800 kWh左右，可推算每年節電量超過 65 萬kWh，每年節約電費約 55 萬元。假定安裝了更大的能量回饋裝置（2.5 MW 或 3 MW），整條線路 1 年可節約電能 1 000 萬kWh左右，經濟效益可觀。

3　項目運作的方式

以南京地鐵為例，由于前期回饋至低壓 400 V 逆變裝置，試點情況較好，具備推廣應用條件，計劃選取 S8號線高新開發區、雄州、S1 號線翔宇路南、佛城西路4 個車站進行安裝。南京地鐵準備采用的加裝改造方式為合同能源管理（EPC）模式，可以獲得最佳節能收益。合同能源管理是一種節能合作模式：首先由乙方出資，對甲方設備進行節能改造，使甲方獲得節能收益。然后甲乙雙方約定分成比例，每年按分成比例，由甲方支付給乙方節能分成款，用于抵充項目合同款，直至合同款付完。相對于傳統的由甲方進行投資實施節能改造項目來說，這種模式具有 3 個優點：一是甲方不用投資，即可獲得豐厚的每年凈收益；二是因為有節能收益才能分成，如果項目的節能效果不佳就不分成，這樣甲方不承擔風險；三是通過分成（有條件的分期付款），可以約束乙方對設備提供全面的質保服務。

回饋至 400 V 的方案，分成比例若為甲方 20%、乙方 80%（分成比例由雙方談判決定），約 10 年左右合同款可以付完，之后的 10 年甲方獨享收益。經測算，該項目實施后，甲方可在第 1 個 10 年每年獲得 30 萬元的節能凈收益，第 2 個 10 年每年獲得 150 萬元凈收益，在 20 年內，總共獲得 1 800 萬元凈收益。乙方獲得的收益等于合同金額，約 1 200 萬元。由于電氣設備實際壽命往往會大于 20 年，甲方實際獲得的凈收益會更多。

回饋至中壓 35 kV 的再生制動逆變回饋方案，由于回饋并網的電能更多，節能收益及投資回報率都會相應增加，因此，更適合采用合同能源管理的模式。分成比例仍為甲方 20%、乙方 80%（分成比例由雙方談判決定），約 7 年左右合同款可以付完，之后的 13 年甲方獨享收益。經測算，該項目實施后，甲方可在前 7 年每年獲得 55 萬元的節能凈收益，后 13 年每年獲得 275 萬元凈收益，合計在 20 年內，總共獲得約 4 000 萬元凈收益。乙方獲得的收益等于合同金額，約 1 540 萬元。由于電氣設備實際壽命往往會大于 20 年，甲方實際獲得的凈收益會更多。

2 種回饋方案采用合同能源管理的模式都可帶來較大的收益。設備安裝容量越大越適合采用該模式。當然，回饋方案也可采用建設招標方式運作，由建設方投資，每年的節能收益全部歸運營方所有，該方式對甲方更有利，可為甲方帶來非常可觀的運營收益。

4　結語

隨著國家中長期發展規劃提出發展循環經濟、建設資源節約型、環境友好型社會，軌道交通行業也面臨節能減排和可持續發展的更高要求，因此，研究并應用新型再生制動能量吸收方式具有意義重大的經濟效益和社會效益。本文著重介紹了城市軌道交通再生制動能量吸收方式，重點對電阻+逆變型（回饋至低壓 400 V）和電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）2 種方式的工作原理進行了分析比較，闡述了各自的優缺點，并且提出了一種新的項目運作方式，即合同能源管理模式，可為后續新線建設以及節能改造提供參考。

［1］ 張天彤，高民富. 鄭州地鐵1號線制動電阻選型方案分析［J］. 城市軌道交通研究，2014（5）：119-122，130.

［2］ 王玉明. 城市軌道交通系統能耗影響因素的量化分析［D］. 北京：北京交通大學，2011.

［3］ 新風光電子科技股份有限公司. 再生制動能量吸收逆變裝置簡介［G］. 2015.

［4］ 南京亞派科技股份有限公司. 城市軌道交通再生制動能量回饋產品簡介［G］. 2015.

責任編輯 冒一平

Study on Selection of Regenerative Braking Inverter for Metro Train

Li Yan， Zhang Yan， Rui Guoqiang

This paper briefly introduces the urban rail transit regenerative braking energy absorption modes in China and other countries，makes a comparison and analysis by focusing on the technical performance in 2 ways and the applications of resistance + inverter （feedback to the low voltage 400 V） and resistance + inverter （back to medium voltage 35 kV）. It further calculates the energy saving effect， and puts forward some recommendations on its operation mode.

metro train， regenerative braking，inverter， feedback

2016-03-08

李研（1978—），男，工程師