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城市的交通擁擠問(wèn)題在國內大、中型城市日益嚴重，已經(jīng)成為影響城市經(jīng)濟發(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)，具有運量大、速度快、時(shí)間準、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(wú)疑是解決城市交通擁擠問(wèn)題的一種有效手段。
目前城市軌道交通直流牽引供電系統采用二極管整流器，電能只能從交流電網(wǎng)向直流牽引網(wǎng)單向流動(dòng)。當車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，多余的再生制動(dòng)能量使直流電網(wǎng)電壓升高。傳統的解決方法是設置電阻制動(dòng)裝置，但這將造成電能的極大浪費并帶來(lái)溫升等其它問(wèn)題。由于軌道交通車(chē)輛起制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當可觀(guān)，若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

從較早的在牽引變電所設置再生能量電阻消耗裝置的應用到近幾年電容儲能、再生電能逆變回饋設備發(fā)展，再生制動(dòng)能量吸收技術(shù)在不斷研制和持續改進(jìn)，在國內外軌道交通線(xiàn)路上得到應用。再生能量電阻消耗裝置，其主要缺點(diǎn)是只能將電能轉換為熱能消耗掉，造成能源浪費，而且電阻散熱會(huì )導致溫度升高，因此需要增加相應的通風(fēng)裝置，即同時(shí)增加相應的電能消耗。電容儲能型，將制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當供電區間有列車(chē)需要時(shí)將所儲存的電能釋放出去，其主要缺點(diǎn)是要設置體積龐大的電容器組，且電容因頻繁處于充放電狀態(tài)而導致使用壽命短。再生電能逆變回饋設備，是將車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過(guò)逆變變成工頻交流電與車(chē)站內電網(wǎng)并網(wǎng)，該吸收方式有利于能源的綜合再利用，實(shí)現了節能，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(dòng)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(chē)站內400V負載或經(jīng)變壓器反送至10kV//35kV電網(wǎng)。再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置根據各個(gè)傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車(chē)處于再生電制動(dòng)狀態(tài)，一旦確認列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，系統啟動(dòng)吸收過(guò)程。逆變裝置把機車(chē)剎車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉換成AC400V電壓，自動(dòng)跟蹤AC400V母線(xiàn)電壓，并向負載供電，將再生能量消耗在用電設備上，確保機車(chē)充分有效利用電制動(dòng)。在直流牽引供電系統中，再生電能吸收裝置為一個(gè)子系統工程，其作用關(guān)乎系統的安全。
2南京某線(xiàn)路牽引供電系統概況

南京軌道交通其牽引供電系統在機車(chē)牽引變電所，2-4公里就設置一個(gè)機車(chē)牽引變電所，每個(gè)機車(chē)牽引所都需要配備再生制動(dòng)能量吸收設備。
南京牽引供電系統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(chē)輛應用的1500V直流母線(xiàn)，饋電線(xiàn)再將直流電送到接觸網(wǎng)上，接觸網(wǎng)是沿車(chē)輛走行軌架設的特殊供電線(xiàn)路，軌道車(chē)輛通過(guò)其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電能。
本工程供電系統主要參數如表1所示。

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

再生制動(dòng)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，新風(fēng)光通過(guò)對逆變器多電平電路拓撲結構技術(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)現了突破。在國內較早成功運行在軌道交通行業(yè)。通過(guò)該項目關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與應用，滿(mǎn)足了城市軌道交通行業(yè)低碳綠色環(huán)保節能的需求，推動(dòng)國產(chǎn)軌道交通裝備的提質(zhì)增效。

該逆變裝置具有動(dòng)態(tài)響應快，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)量監督檢驗中心檢驗，各項技術(shù)指標均達到設計要求。該設備被列入科技部2014年度國家火炬計劃項目。
3.1新風(fēng)光FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置主要技術(shù)參數

新風(fēng)光FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置主要技術(shù)參數如下：
(1)功率：峰值功率650kW，持續時(shí)間20s，周期120s
(2)工作制：間歇工作制
(3)啟動(dòng)電壓值：1530V~1980V連續平滑可調
(4)輸出電壓：AC1000V  三相三線(xiàn)制
(5)頻率：跟蹤交流側電網(wǎng)頻率
(6)額定工況下輸出功率因數：＞0.98
(7)額定工況下整套設備效率：＞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，根據再生制動(dòng)時(shí)直流母線(xiàn)電壓的變化狀況調節逆變器的輸出功率大小，將直流母線(xiàn)電壓恒定在某一設定值范圍內，整機對外呈現電流源特性。
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)現逆變裝置自動(dòng)投入、撤出、濾波及檢測等功能。

 
圖1 逆變裝置主回路拓撲

當車(chē)輛再生電制動(dòng)且制動(dòng)能量不能被其它車(chē)輛或用電設備消耗時(shí)，再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置將該部分的能量，根據直流母線(xiàn)電壓的變化自動(dòng)調節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)現逆變吸收、自動(dòng)并網(wǎng)及逆變電流調節等功能。逆變主電路由多路獨立的逆變單元及控制裝置等組成，逆變單元采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，控制裝置通過(guò)PWM調節控制每條支路IGBT通斷。并根據實(shí)際再生制動(dòng)能量的大小調節并網(wǎng)電流，充分滿(mǎn)足車(chē)輛的再生制動(dòng)功能。裝置具有過(guò)壓、過(guò)流、溫度、短路等多種保護功能。
逆變裝置的單元采用三電平拓撲電路，如圖2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 功率單元拓撲結構

3.3顯示設定顯示裝置

采用彩色觸摸屏，通過(guò)觸摸屏操作，實(shí)現對系統運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、用戶(hù)級參數修改等功能。同時(shí)對故障進(jìn)行顯示和記錄，欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護值，以及逆變裝置啟動(dòng)閥值等參數可通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設定。
3.4通信功能 
控制系統采用標準的數據通信口，采用RS485接口，數據通信協(xié)議采用具有良好的通用性和開(kāi)放性Modbus協(xié)議。實(shí)現開(kāi)關(guān)位置、故障信號遙信，電流、電壓和電度等的遙測功能，根據實(shí)際需要可以增加對設備交直流接觸器的遙控功能。控制系統上送變電所綜合自動(dòng)化系統的故障信息帶有時(shí)標，并具有與綜合自動(dòng)化系統進(jìn)行時(shí)鐘同步功能。
3.5自動(dòng)化數據采集、存儲功能
控制系統具有數據采集、存儲功能，以及顯示、控制界面，本地采集信息包括以下內容：數據采集日期和時(shí)間、直流電網(wǎng)電壓、逆變器輸出側交流電壓、電流、回饋功率等。以上參數通過(guò)數據采集系統處理后，保存在本地裝置中，也可實(shí)現USB等傳輸方式轉存。
控制系統對設備運行狀態(tài)信息進(jìn)行處理、顯示。設備運行狀態(tài)信息包含開(kāi)關(guān)狀態(tài)和系統故障信息。其中開(kāi)關(guān)狀態(tài)包括交、直流開(kāi)關(guān)柜、逆變柜內的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，系統故障信息包括交、直流電網(wǎng)電壓異常、功率模塊異常、變壓器異常等。
3.6保護功能
裝置內部設置如下保護：交流電網(wǎng)欠壓、過(guò)壓保護，直流電網(wǎng)欠壓、過(guò)壓保護，功率模塊過(guò)流保護，功率模塊過(guò)熱保護，隔離開(kāi)關(guān)(狀態(tài))保護，散熱風(fēng)機故障保護，變壓器過(guò)熱保護等保護。
4改造后使用效果
為了降低地鐵運營(yíng)成本，南京地鐵公司領(lǐng)導經(jīng)過(guò)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(xiàn)路上使用FDBL-JC-650/1500V型再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置的協(xié)議。經(jīng)過(guò)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，逆變設備一次性投入運行，至今運行良好，取得了顯著(zhù)的節能效果，達到了改造的預期目的。
該逆變裝置將再生制動(dòng)吸收的能量回饋到400V電網(wǎng)，供給地鐵內其他用電設備使用。該逆變裝置接入地鐵電網(wǎng)系統框圖如圖5所示。

 
圖5 系統組成框圖

為了測試節能效果，南京地鐵公司加裝了電表計量，測試逆變裝置回饋的電量及效果。經(jīng)過(guò)近一年的測試，該裝置投運后日均節電1000度左右，年節電約36.5萬(wàn)度，按照南京當地電價(jià)0.8451元/度，年節省電費約30.8萬(wàn)元，另外采用該設備節省了原來(lái)電阻制動(dòng)時(shí)隧道散熱所需的電量，這又節省了一筆可觀(guān)的開(kāi)支。
5 結束語(yǔ)

新風(fēng)光研制的再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置成功應用在北京、重慶、天津、南京等城市的地鐵中，是目前國內地鐵現場(chǎng)應用較早、業(yè)績(jì)較多、性能較為可靠的產(chǎn)品。隨著(zhù)人們節能環(huán)保的意識提高，再生制動(dòng)能量逆變吸收方式會(huì )被越來(lái)越多的地鐵公司接受和認可，該產(chǎn)品也會(huì )在地鐵行業(yè)普遍應用。