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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。
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。當(dāng)車輛制動時(shí)，多余的再生制動能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統(tǒng)的解決方法是設(shè)置電阻制動裝置，但這將造成電能的極大浪費(fèi)并帶來溫升等其它問題。由于軌道交通車輛起制動頻繁，制動能量相當(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。

從較早的在牽引變電所設(shè)置再生能量電阻消耗裝置的應(yīng)用到近幾年電容儲能、再生電能逆變回饋設(shè)備發(fā)展，再生制動能量吸收技術(shù)在不斷研制和持續(xù)改進(jìn)，在國內(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。再生電能逆變回饋設(shè)備，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。

新風(fēng)光研制的再生制動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)。再生制動能量吸收逆變裝置根據(jù)各個(gè)傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)，一旦確認(rèn)列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，系統(tǒng)啟動吸收過程。逆變裝置把機(jī)車剎車制動時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成AC400V電壓，自動跟蹤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)車充分有效利用電制動。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)車牽引變電所，2-4公里就設(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。
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)是沿車輛走行軌架設(shè)的特殊供電線路，軌道車輛通過其受流器與接觸網(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。

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

再生制動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產(chǎn)權(quán)，新風(fēng)光通過對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。在國內(nèi)較早成功運(yùn)行在軌道交通行業(yè)。通過該項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)開發(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，推動國產(chǎn)軌道交通裝備的提質(zhì)增效。

該逆變裝置具有動態(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年度國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。
3.1新風(fēng)光FDBL-JC-650/1500V型再生制動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)逆變裝置自動投入、撤出、濾波及檢測等功能。

 
圖1 逆變裝置主回路拓?fù)?/p>

當(dāng)車輛再生電制動且制動能量不能被其它車輛或用電設(shè)備消耗時(shí)，再生制動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作為開關(guān)器件，控制裝置通過PWM調(diào)節(jié)控制每條支路IGBT通斷。并根據(jù)實(shí)際再生制動能量的大小調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流，充分滿足車輛的再生制動功能。裝置具有過壓、過流、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)潆娐罚鐖D2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，通過觸摸屏操作，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、用戶級參數(shù)修改等功能。同時(shí)對故障進(jìn)行顯示和記錄，欠壓、過壓、過流、過熱等保護(hù)值，以及逆變裝置啟動閥值等參數(shù)可通過觸摸屏進(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放性Modbus協(xié)議。實(shí)現(xiàn)開關(guān)位置、故障信號遙信，電流、電壓和電度等的遙測功能，根據(jù)實(shí)際需要可以增加對設(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化系統(tǒng)的故障信息帶有時(shí)標(biāo)，并具有與綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步功能。
3.5自動化數(shù)據(jù)采集、存儲功能
控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、存儲功能，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)信息包含開關(guān)狀態(tài)和系統(tǒng)故障信息。其中開關(guān)狀態(tài)包括交、直流開關(guān)柜、逆變柜內(nèi)的開關(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、過壓保護(hù)，直流電網(wǎng)欠壓、過壓保護(hù)，功率模塊過流保護(hù)，功率模塊過熱保護(hù)，隔離開關(guān)(狀態(tài))保護(hù)，散熱風(fēng)機(jī)故障保護(hù)，變壓器過熱保護(hù)等保護(hù)。
4改造后使用效果
為了降低地鐵運(yùn)營成本，南京地鐵公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過多方考察，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型再生制動能量吸收逆變裝置的協(xié)議。經(jīng)過雙方技術(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，逆變設(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

為了測試節(jié)能效果，南京地鐵公司加裝了電表計(jì)量，測試逆變裝置回饋的電量及效果。經(jīng)過近一年的測試，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30.8萬元，另外采用該設(shè)備節(jié)省了原來電阻制動時(shí)隧道散熱所需的電量，這又節(jié)省了一筆可觀的開支。
5 結(jié)束語

新風(fēng)光研制的再生制動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，是目前國內(nèi)地鐵現(xiàn)場應(yīng)用較早、業(yè)績較多、性能較為可靠的產(chǎn)品。隨著人們節(jié)能環(huán)保的意識提高，再生制動能量逆變吸收方式會被越來越多的地鐵公司接受和認(rèn)可，該產(chǎn)品也會在地鐵行業(yè)普遍應(yīng)用。