余 龍

0 引言

不帶有車載制動(dòng)電阻的地鐵車輛在啟動(dòng)再生制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的再生電能返送到直流電網(wǎng)，如果電能不被及時(shí)吸收（包括地面裝置吸收和其他在線車輛吸收），再生能量將累積于直流供電網(wǎng)絡(luò)中，使線網(wǎng)電壓迅速上升，危害線網(wǎng)中的設(shè)備、車輛的安全和壽命，嚴(yán)重時(shí)破壞系統(tǒng)絕緣，引發(fā)故障，同時(shí)也會(huì)影響車輛再生制動(dòng)功能的發(fā)揮，造成機(jī)械制動(dòng)的閘瓦（或制動(dòng)盤）消耗量增大。

為了解決上述問題，多年來國(guó)內(nèi)外提出并實(shí)踐了很多辦法，主要有地面電阻消耗、逆變回饋、電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等。其中電阻消耗方式因設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，技術(shù)可靠，得到了廣泛應(yīng)用，但是該方案只能通過發(fā)熱將再生能量“燒”掉，浪費(fèi)了大量電能。電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能方式由于核心設(shè)備技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)過于昂貴，所以工程應(yīng)用相當(dāng)少。逆變回饋方式將再生能量逆變?yōu)榻涣麟姡仞伒浇涣飨到y(tǒng)中再利用，是非常合理的再生能量處理方式，但是由于技術(shù)和造價(jià)上的原因，多年來該類裝置的研制和應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

在國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)方興未艾的形勢(shì)下，開發(fā)技術(shù)先進(jìn)且又造價(jià)合理的再生能量處理設(shè)備具有重要意義。

1 系統(tǒng)描述[1]

電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收方案是基于目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平提出的一種技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新方案。該方案在保證列車再生制動(dòng)可靠進(jìn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)了再生電能的回收利用，結(jié)合了電阻的可靠性和逆變的先進(jìn)性，且設(shè)備造價(jià)大幅低于純逆變型、電容型和飛輪型裝置。

當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，電壓升高到需要外部設(shè)備來吸收時(shí)，電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收裝置（以下簡(jiǎn)稱混合型裝置）啟動(dòng)。逆變器率先投入，將再生電能逆變成三相交流電并饋入車站 400 V配電網(wǎng)，由動(dòng)力照明負(fù)荷利用。當(dāng)列車制動(dòng)能量較大，再生能量超出逆變器容量時(shí)（表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓升高至某一限值），電阻投入，與逆變器共同吸收再生能量；當(dāng)再生能量下降至逆變器吸收范圍內(nèi)時(shí)（表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓下降到某一限值），電阻退出，仍由逆變器獨(dú)自吸收再生能量。當(dāng)線網(wǎng)電壓下降至無需外部設(shè)備吸收再生電能時(shí)，混合型裝置系統(tǒng)停止吸收。裝置根據(jù)再生能量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)吸收電流的大小，維持線網(wǎng)電壓恒定。線路上無車輛制動(dòng)或制動(dòng)能量不超過吸收啟動(dòng)值時(shí)，裝置不啟動(dòng)。在制動(dòng)能量吸收的過程中，逆變器始終工作，而電阻只是作為逆變器的功率補(bǔ)充，在逆變器達(dá)到容量最大值后才啟動(dòng)，絕大部分制動(dòng)能量由逆變器回饋至AC 400 V電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了大部分能量的回收。裝置功能概念圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能概念圖

2 系統(tǒng)原理

2.1 系統(tǒng)主接線

混合型裝置系統(tǒng)圖如圖2所示。該系統(tǒng)由逆變部分和電阻部分2部分組成。整個(gè)裝置通過1 500 V直流開關(guān)接入變電所直流牽引系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)主接線示意圖

混合型裝置的總?cè)萘扛鶕?jù)直流線網(wǎng)中列車運(yùn)行情況以及直流系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式計(jì)算確定，需滿足列車再生制動(dòng)的要求。為了保證400 V電網(wǎng)設(shè)備的安全，逆變部分最大容量不能超過配電變壓器的容量，其余容量則由電阻來補(bǔ)充。

2.1.1 逆變部分

逆變部分主要由輸入輸出開關(guān)、逆變器及測(cè)量、控制電路、變壓器等設(shè)備組成。該部分的功能：

（1）在控制系統(tǒng)判斷直流母線上的再生能量達(dá)到限值時(shí)準(zhǔn)確投入吸收，并根據(jù)再生能量的大小調(diào)節(jié)相應(yīng)的吸收容量，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

（2）將再生電能逆變?yōu)榕c400 V電網(wǎng)的頻率、相位同步的交流電，單向流入400 V電網(wǎng)且不引起400 V母線電壓高過系統(tǒng)最高允許運(yùn)行電壓。

（3）為了逆變器與電網(wǎng)的安全，同時(shí)匹配逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓，在逆變器輸出側(cè)與400 V配電系統(tǒng)之間設(shè)置一變壓器，兼作隔離和變壓作用。

2.1.2 電阻部分

電阻部分主要由輸入開關(guān)及濾波電路、斬波電路及測(cè)量、控制電路、消耗電阻等設(shè)備組成。該部分的功能：

（1）在控制系統(tǒng)判斷直流母線上的再生能量超過逆變吸收限值時(shí)準(zhǔn)確投入吸收，并根據(jù)再生能量的大小調(diào)節(jié)相應(yīng)的吸收容量，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

（2）在正常運(yùn)行情況下，電阻部分只能在人工設(shè)定的功率范圍之上工作，作為逆變部分的補(bǔ)充，以保證制動(dòng)能量最大程度地被逆變器吸收；在逆變器故障，減少吸收功率或退出的情況下，電阻部分能自動(dòng)增大吸收功率的范圍，最大程度地維持線網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

2.2 控制原理

2.2.1 逆變與電阻吸收方式的切換與控制

當(dāng)車輛進(jìn)入制動(dòng)工況，向直流電網(wǎng)回饋電能時(shí)，引起直流電網(wǎng)的變化。控制系統(tǒng)根據(jù)電壓以及電流的變化得出車輛處于制動(dòng)工況并且直流電網(wǎng)電壓上升達(dá)到第一預(yù)設(shè)值時(shí)，首先向逆變裝置發(fā)出回饋過程開始信號(hào)，并且以該值作為逆變回饋的電壓基準(zhǔn)值，當(dāng)電壓進(jìn)一步上升時(shí)，逆變回饋裝置以實(shí)際的直流電網(wǎng)電壓與該基準(zhǔn)值的差值控制輸出電流，直到輸出電流達(dá)到逆變回饋裝置的最大容許輸出電流。此時(shí)，如果直流電網(wǎng)電壓進(jìn)一步上升并達(dá)到第二預(yù)設(shè)值，則啟動(dòng)電阻吸收單元，使直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在第二預(yù)設(shè)值。隨著車輛制動(dòng)過程的進(jìn)行，車輛再生制動(dòng)輸出電流逐漸下降，電網(wǎng)電壓也將隨之下降，當(dāng)該電壓低于第二預(yù)設(shè)值后，電阻吸收單元退出工作，此時(shí)逆變吸收單元進(jìn)行回饋直至電網(wǎng)電壓低于第一預(yù)設(shè)值，逆變單元退出回饋過程。

2.2.2 逆變電能調(diào)制輸出控制

逆變吸收裝置的控制為電壓環(huán)與電流環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由母線信號(hào)給定裝置、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM信號(hào)生成部分、逆變單元、相電流檢測(cè)電路、同步信號(hào)生成及母線電壓采集電路組成。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線電壓值，當(dāng)電壓值高于某一設(shè)定值時(shí)，裝置投入工作。計(jì)算直流母線電壓檢測(cè)值與設(shè)定值之差，其值輸入電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行一定的控制運(yùn)算；電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的給定信號(hào)，并計(jì)算其值與檢測(cè)到的輸出電流之差，再經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的控制運(yùn)算，電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的輸出直接送給 PWM 信號(hào)生成部分，其生成的PWM波送給逆變單元。

計(jì)算逆變系統(tǒng)在輸出側(cè)（400 V電網(wǎng)側(cè)）取得實(shí)際電流信號(hào)與系統(tǒng)給定的電流信號(hào)之差，將電流差值作為整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)，從而使系統(tǒng)形成電流閉環(huán)控制。系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)電流源特性。

載波移相、多單元并聯(lián)、PWM調(diào)制等技術(shù)的采用使逆變器的效率、設(shè)備安全、諧波含量等指標(biāo)得到極大提高。本課題研制的逆變器在型式試驗(yàn)中測(cè)得電流諧波含量小于3%，功率因數(shù)大于0.96（含隔離變壓器），變流效率高于92%。

3 試驗(yàn)情況[2]

地鐵 1 500 V混合型制動(dòng)能量吸收裝置自2008年 5月開始進(jìn)行設(shè)計(jì)和設(shè)備生產(chǎn)，于 2009年底完成了設(shè)備試驗(yàn)，開始進(jìn)行設(shè)備在地鐵線路上的掛網(wǎng)試驗(yàn)工作。先后進(jìn)行了裝置空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、車輛運(yùn)行試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目。其中車輛運(yùn)行試驗(yàn)是在地鐵夜間正常運(yùn)營(yíng)收車以后，調(diào)用了一列地鐵列車在牽引所供電范圍內(nèi)的線路上多次往返運(yùn)行，在不同速度下采取不同級(jí)數(shù)的制動(dòng)，模擬列車正常制動(dòng)和極端制動(dòng)時(shí)的工況。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）混合型裝置掛網(wǎng)后，裝置本身、變電所1 500 V牽引系統(tǒng)和400 V配電系統(tǒng)均運(yùn)行正常。

（2）列車再生制動(dòng)啟動(dòng)正常，制動(dòng)過程平穩(wěn)。

（3）逆變電流輸入變電所400 V配電母線，400 V配電系統(tǒng)運(yùn)行正常，無明顯閃變出現(xiàn)，母線電壓畸變小，總諧波含量（THD%）滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定不大于5%）。

圖3 制動(dòng)前機(jī)車速度為90 km/h，制動(dòng)檔100%情況下的再生電流變化圖

圖4 逆變時(shí)AC 400 V側(cè)線電壓波形及電流諧波值圖

（4）裝置電阻部分的投入、退出正確可靠。當(dāng)逆變器容量增加到一定值后，電阻部分幾乎不啟動(dòng)，再生電能幾乎完全由逆變器回收到400 V交流電網(wǎng)中。

（5）400 V交流電網(wǎng)進(jìn)線總開關(guān)處（動(dòng)力變壓器低壓側(cè)）電流明顯變化，電能表顯示有反向電能流過，表明電能經(jīng)動(dòng)力變壓器，從低壓側(cè)（400 V）流向中壓側(cè)（33 kV），中壓系統(tǒng)運(yùn)行未見異常。

試驗(yàn)證明：電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收裝置應(yīng)用于地鐵供電系統(tǒng)是可行的；在保證列車再生制動(dòng)平穩(wěn)可靠的同時(shí)，將再生電能逆變?yōu)榻涣麟姲踩⑷肓?00 V交流電網(wǎng)；400 V配電系統(tǒng)可將逆變電能吸收利用，超過吸收能力的多余電能經(jīng)動(dòng)力變壓器注入了中壓電網(wǎng)；該方案實(shí)現(xiàn)了再生能量回收利用，全過程安全可靠。

4 結(jié)論

電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收方式是解決地鐵制動(dòng)能量吸收問題的一種有益探索。

電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收裝置將電阻與中小容量逆變器結(jié)合，在保證列車正常進(jìn)行制動(dòng)的前提下以較合理的設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)了大部分再生電能的回收利用。該裝置將電阻消耗方式的簡(jiǎn)單可靠、投資低廉與逆變回饋的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)以合理投資創(chuàng)造最大經(jīng)濟(jì)效益的目的，不失為地鐵再生能量處理的一種好的選擇。

[1]湖南恒信電氣有限公司，北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司車輛廠，中鐵電氣化勘察設(shè)計(jì)研究院，等.HXXS2NB/380V型電阻-逆變混合型再生制動(dòng)能量吸收裝置科技成果鑒定資料[G].湘潭，2008.

[2]湖南恒信電氣有限公司，中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等.電阻-逆變混合型再生制動(dòng)能量吸收裝置掛網(wǎng)試驗(yàn)報(bào)告[R].廣州，重慶2010.2～2010.8.

[3]池耀田.城軌交通系統(tǒng)儲(chǔ)能器的發(fā)展[J].都市快軌交通，2005，18（3）.

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[5]王雪迪，楊中平.超級(jí)電容在城市軌道交通中改善電網(wǎng)電壓的研究[J].電氣傳動(dòng)，2009，39（3）.

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