城市軌道交通逆變回饋式再生制動的研究

姚永高 梁焜

重慶市軌道交通（集團）有限公司 重慶 400064

1 城市軌道交通供電系統的結構

軌道交通供電系統是城市軌道交通必不可少的，是城市軌道交通正常運行的動力保障，主要向地鐵機車牽引供電系統傳送電能，同時給動力照明系統供電，包括車站、車輛段、區間、控制中心、停車場等設施。跟據系統的不同功能，城市軌道交通供電系統主要是由：外部交流電源、主變電所、直流牽引供電系統、動力照明系統、電力監控系統等幾個不同功能系統構成。為了保證地鐵的正常運營，城市軌道交通供電系統不僅要具備可靠性、安全性、適用性、經濟性、先進性等基本性能，還應具有調度方便、經濟適用的特點。

2 城市軌道交通再生制動方式分析

目前，城市軌道交通列車制動一般為電制動和空氣制動相結合。在制動過程初期，列車速度較快，采用電制動，而當速度減小到電制動不起作用時，則利用空氣閘瓦制動方式，將剩余的機械能通過機械摩擦轉化為熱能。

2.1 耗散型再生吸收方案

該方案將直流母線電網多余的能量消耗在電阻負載上，以熱能的形式耗散掉，從而維持電網電壓的穩定。其中，耗散電阻多裝在地面上，從而減輕機車的散熱及裝載壓力。電阻負載在制動過程中會放掉大量熱量，會使周圍環境溫度升高，特別是低下車站，空間比較狹窄，還需要加裝大功率散熱設備。雖然這種方案有利于減小機車機械制動裝置的磨損，但從能力的利用角度來看，該方案并沒有很好的實現能量的可再生利用[1]。

2.2 儲能型再生吸收方案

儲能方案主要是經過變換器將直流母線中多余的再生制動能量吸收并存儲在儲能設備中。常用的儲能方式主要有電池儲能、飛輪儲能、電容儲能以及集中儲能。

2.3 逆變回饋方案

采用大功率晶閘管三相逆變器，直流側與牽引變電所直流母線相連，交流側與交流母線相連，當再生制動使直流母線的電壓超過設定值時，逆變器啟動將多于的制動能量回饋到電網中。再生制動能量回饋可以通過晶閘管有源逆變、PWM逆變和脈寬調制可逆整流三種方式實現。

2.3 .1混合型逆變裝置

混合型逆變裝置是將耗散型再生吸收方案和逆變回饋方案相結合的逆變模式，該裝置分為兩大部分，一是電阻吸收部分，主要由控制系統、斬波系統、電阻柜組成；二是再生逆變部分，主要由逆變柜、隔離變組成。

當1500V電網電壓升高時，混合型逆變裝置首先通過逆變系統將電能逆變至400V母線并通過站內設備進行利用消耗，當逆變功率飽和電網電壓仍無法下降時，多余的電能則通過電阻吸收轉換為熱能進行消耗[2]。

混合型逆變裝置雖然相比耗散型吸收裝置來看，由節約電力資源的效果，但回收利用率并不完美，仍有部分電能通過電阻吸收損耗。該裝置逆變部分和電阻吸收部分可獨立運行，任何一部分故障后仍可保障系統電網電壓的穩定，穩定性相對較高。

2.3 .2中壓能饋型逆變裝置

隨著社會的進步，對環保和節能的要求越來越高，因此軌道交通再生制動吸收方案中，對節能的效果也越來越看中，中壓能饋型逆變裝置相比混合型逆變裝置來看，它拋棄了電阻吸收部分，只保留逆變部分，從而達到電能有效回收和利用效果。

中壓能饋型逆變裝置是將列車制動產生的直流電能逆變成與交流電網同幅值、同相位的交流電能。它的直流側與牽引變電所的1500V直流母線相連，交流側與中壓環網相連。當1500V系統電壓升高至整定值時，逆變系統啟動，將直流電能逆變為同幅值、同相位的交流電能，并輸送至中壓環網系統中供各車站設備使用。

中壓能饋型逆變裝置主要由控制系統、逆變系統和升壓變壓器組成，其逆變功率可根據實際運營數據進行配置獨立逆變模塊，每個模塊可獨立運行，故障后可隨時退出，互不影響，因此可靠性相對較高，但控制系統故障后可能導致整個逆變裝置退出運行。

中壓能饋型逆變裝置相較混合型逆變裝置來看，其電能回收率較高，節能效果較好，但須合理配置逆變功率避免向電網反送電情況，從系統穩定性來看，各逆變模塊獨立運行，安全性較高，但控制系統未實現冗余配置，故障后將導致整所逆變系統退出運行，因此須加強維護管理，配置足夠備件[3]。

2.4 超級電容型再生制動吸收裝置

超級電容型再生制動吸收裝置相對逆變裝置來說工作方式差別較大，其工作原理是當列車制動產生的直流電能導致1500V系統電壓升高至整定值時，該裝置通過電容陣列將電能存儲起來，當附近有列車啟動或者列車加速導致電網電壓下降時，該裝置釋放電能供列車使用，在一定程度上實現了穩定網壓的作用，也可降電能輸送至車站設備使用。

超級電容是近年內逐步興起的新型儲能元件，通過實踐證明，它具有使用容量大、壽命長、充放電速度快、無污染等優勢，近年來也逐步應用到軌道交通再生制動領域中，其主要結構包括控制系統、變流器、超級電容陣列，目前超級電容的配置采用模塊化設計，便于維護，靈活擴容、故障處理便捷。

在再生能源吸收能功能上看，相較以上幾種方案，節能效果均優于耗散型和混合型系統，從電能質量上來看，不會對交流側電能質量造成影響。除了可吸收再生制動能量以外，還可補償牽引時所需的能量。

總之，城市軌道交通中再生制動能量吸收問題的研究具有重要的現實意義。制動能量的可在生利用不但可以節約電能，保護環境，同時可以降低地鐵運營成本，促進公共交通的進一步發展。通過對多種方案的研究，在配置軌道交通再生制動系統吸收方案時，可根據環境、空間、地理位置、投資情況以及運營的需要選擇合適的吸收方案。電力電子技術對推動制動能量的可再生利用發揮重要作用，進一步提高電能利用率、保障運營穩定安全等方面還需更深入研究。