城市的(de)交通擁擠問題在(zài)國(guó)内大(dà)、中型城市日益嚴重，已經成爲(wéi / wèi)影響城市經濟發展的(de)重要(yào / yāo)制約因素之(zhī)一(yī / yì ／yí)。由于(yú)城市軌道(dào)交通的(de)衆多優點，具有運量大(dà)、速度快、時(shí)間準、能耗低、污染少和(hé / huò)安全舒适等特點，因此城市軌道(dào)交通方式無疑是(shì)解決城市交通擁擠問題的(de)一(yī / yì ／yí)種有效手段。城市軌道(dào)交通主要(yào / yāo)包括地(dì / de)鐵、輕軌、磁懸浮和(hé / huò)有軌電車等運輸方式，越來(lái)越多的(de)城市投入到(dào)發展城市軌道(dào)交通的(de)熱潮中。
1 應用背景

由于(yú)城市交通其運行特點的(de)特殊性就(jiù)是(shì)運行速度快，啓動、制動頻繁，且制動時(shí)會産生大(dà)量的(de)能量。
現制動方式主要(yào / yāo)可以(yǐ)分爲(wéi / wèi)兩大(dà)類：一(yī / yì ／yí)是(shì)機械制動(動能轉化成熱能)，機械摩擦制動的(de)缺點是(shì)接觸面容易磨損；摩擦時(shí)産生高溫可熔化燒灼踏面；摩擦後産生的(de)粉塵有嚴重污染的(de)。二是(shì)電制動，把動能轉化爲(wéi / wèi)電能後，再将電能送回電網或變成熱能消耗掉，現在(zài)電制動主要(yào / yāo)是(shì)采用電阻吸收方式，其主要(yào / yāo)缺點是(shì)隻能将電能轉換爲(wéi / wèi)熱能消耗掉，造成能源浪費，而(ér)且電阻散熱會導緻溫度升高，因此需要(yào / yāo)增加相應的(de)通風裝置，即同時(shí)增加相應的(de)電能消耗

電制動的(de)另一(yī / yì ／yí)種吸收方式是(shì)電容儲能型，将制動能量吸收到(dào)大(dà)容量電容器組中，當供電區間有列車需要(yào / yāo)取流時(shí)将所儲存的(de)電能釋放出(chū)去，其主要(yào / yāo)缺點是(shì)要(yào / yāo)設置體積龐大(dà)的(de)電容器組，且電容因頻繁處于(yú)充放電狀态而(ér)導緻使用壽命短。

電制動第三種方式是(shì)逆變吸收方式，是(shì)将車輛制動時(shí)産生能量經過逆變變成工頻交流電與車站内電網并網，該吸收方式有利于(yú)能源的(de)綜合再利用，實現了(le／liǎo)節能，是(shì)目前日益重視并大(dà)力推廣的(de)方式。
2 再生制動能量吸收逆變裝置

軌道(dào)交通其牽引供電系統在(zài)機車牽引變電所，一(yī / yì ／yí)般1-2公裏就(jiù)需要(yào / yāo)設置一(yī / yì ／yí)個(gè)機車牽引變電所，每個(gè)機車牽引所都需要(yào / yāo)配備再生制動能量吸收設備。  

再生制動能量吸收逆變裝置爲(wéi / wèi)逆變回饋型，就(jiù)是(shì)将車輛制動所産生的(de)能量經過逆變裝置回饋到(dào)電網。逆變裝置實時(shí)檢測直流側電壓，當直流側電壓高于(yú)一(yī / yì ／yí)定值時(shí)，自動觸發逆變裝置投入工作。
2.1系統組成   

系統組成框圖如圖1所示，現在(zài)大(dà)部分城市軌道(dào)交通牽引所都是(shì)35kV或10kV電網，經過牽引整流變壓器，再進行12脈波整流輸出(chū)直流1500V或750V給機車供電。
再生制動能量吸收裝置是(shì)并聯在(zài)1500V/750V直流系統中，經過逆變裝置變成交流，經隔離變壓器輸入到(dào)電網(35kV/10kV/400V)。

目前地(dì / de)鐵牽引供電系統電壓一(yī / yì ／yí)般有兩個(gè)電壓等級即直流750V和(hé / huò)1500V。通常采用常規功率器件IGBT的(de)電壓等級爲(wéi / wèi)1700V、1200V，其封裝形式一(yī / yì ／yí)樣，便于(yú)産品化實現批量生産。

逆變主電路采用二極管箝位三電平電路拓撲，可以(yǐ)保證1500V電壓等級非常方便實現，并且電壓餘量大(dà)，更可以(yǐ)保證系統可靠運行。

逆變單元主電路原理圖如圖2所示，逆變輸出(chū)電壓波形、輸出(chū)電流波形分别如圖3、4所示。

主電路采用三電平電路拓撲其主要(yào / yāo)優點，每個(gè)主功率器件關斷時(shí)承受的(de)電壓僅爲(wéi / wèi)直流側電壓的(de)一(yī / yì ／yí)半，功率器件電壓餘量大(dà)，保證系統可靠工作，并延長器件使用壽命；輸出(chū)波形諧波小，保證電網質量；相同電壓情況下du/dt小，電磁幹擾小；相同開關頻率的(de)情況下，開關損耗比兩電平電路的(de)開關損耗小，系統溫升低，可提高系統效率并延長器件使用壽命。
2.3 控制系統設計

逆變單元采用電流閉環控制，能夠保證輸出(chū)電流波形質量；逆變單元輸出(chū)呈現電流源特性，能夠很好适合單元并聯以(yǐ)達到(dào)容量擴展。
下面就(jiù)一(yī / yì ／yí)個(gè)單元作簡單理論分析，忽略調制過程引進的(de)非線性，忽略高次諧波，則每個(gè)單元可簡化成一(yī / yì ／yí)個(gè)線性放大(dà)系統。其控制框圖如圖5所示。

 

當 ，忽略内阻，低頻段增益爲(wéi / wèi)：
 

閉環後逆變單元内阻爲(wéi / wèi)：
閉環後，單元内阻大(dà)大(dà)增大(dà)，可近似爲(wéi / wèi)電流源。

裝置爲(wéi / wèi)得到(dào)大(dà)功率輸出(chū)可采用多個(gè)逆變單元并聯，每個(gè)單元獨立控制，具有冗餘工作的(de)特點，即使單元出(chū)現保護，其餘逆變單元可以(yǐ)正常工作，進一(yī / yì ／yí)步提高裝置運行的(de)可靠性。而(ér)且每個(gè)逆變單元結構上(shàng)完全一(yī / yì ／yí)緻，可以(yǐ)互換，這(zhè)使得調試、維修非常方便。
2.4 系統保護功能
單元設置有過壓、偏壓、過流、短路、超溫保護功能，當某一(yī / yì ／yí)逆變單元故障時(shí)，整機仍可以(yǐ)降額運行，不(bù)影響整機正常工作，同時(shí)把單元的(de)工作狀态傳給上(shàng)位機。
逆變裝置系統設置有電網過壓、欠壓、直流母線過壓、欠壓保護功能。
3 現場應用

重慶地(dì / de)鐵電壓等級均爲(wéi / wèi)直流1500V，一(yī / yì ／yí)号線、三号線、六号線截止2013年12月共有46台設備。重慶某站現場設備照片如圖6所示。
地(dì / de)鐵電壓等級有750V和(hé / huò)1500V兩種，六号線、七号線、九号線、十号線、十四号線截止2013年12月共有45台。北京某站現場設備照片如圖7所示。

一(yī / yì ／yí)号線和(hé / huò)六号線某站逆變裝置(容量900kW)日均節電情況如下表所示。參考工業用電1.00元/度，以(yǐ)日均1000度計算每月節約電費3萬元，一(yī / yì ／yí)年可節省36萬元；若是(shì)采用電阻吸收消耗，除消耗電費36萬，還需增加額外通風設施來(lái)散熱。

4 關于(yú)現場應用相關問題讨論

再生制動能量吸收逆變裝置，雖然現場已有百台設備應用，節能效果并得到(dào)認可和(hé / huò)好評，但對于(yú)用戶來(lái)說(shuō)還是(shì)新産品，因此對此裝置的(de)幾個(gè)應用問題，想提出(chū)來(lái)一(yī / yì ／yí)起讨論交流，以(yǐ)便更好地(dì / de)了(le／liǎo)解此裝置。
4.1 關于(yú)再生制動能量吸收裝置節能問題

制動能量吸收裝置節能效果是(shì)用戶和(hé / huò)生産廠家較爲(wéi / wèi)關心的(de)問題，直接關系到(dào)此産品是(shì)否滿足用戶需求，是(shì)否有應用前景。
逆變器(不(bù)包括隔離變壓器)轉換效率一(yī / yì ／yí)般達到(dào)98%左右，現場節能效率與逆變器本身關系不(bù)大(dà)，真正影響現場節能效率的(de)關鍵是(shì)逆變器的(de)容量。逆變裝置的(de)容量大(dà)小是(shì)直接影響能夠吸收多少能量到(dào)電網的(de)關鍵指标，現場根據制動能量數據選擇合适容量的(de)逆變器是(shì)很重要(yào / yāo)的(de)；逆變器的(de)容量直接體現逆變器利用率的(de)關鍵指标，逆變器的(de)利用率也(yě)是(shì)影響系統節能的(de)重要(yào / yāo)因素。
4.2 關于(yú)再生制動能量吸收裝置回饋電網問題

制動能量吸收裝置回饋到(dào)400V電網，還是(shì)10kV電網或是(shì)35kV電網，到(dào)底回饋到(dào)哪種電網合适，我個(gè)人(rén)認爲(wéi / wèi)需要(yào / yāo)綜合來(lái)判斷。

目前地(dì / de)鐵應用，逆變器主要(yào / yāo)有兩個(gè)直流電壓等級1500V、750V，分别對應逆變器交流輸出(chū)1000V、500V，現場需要(yào / yāo)回饋到(dào)哪個(gè)電網，僅僅是(shì)逆變器輸出(chū)配置的(de)隔離變壓器的(de)規格不(bù)一(yī / yì ／yí)樣，可以(yǐ)是(shì)1000V(500V)/400V、1000V(500V)/10kV、1000V(500V)/35kV等不(bù)同型号的(de)變壓器，逆變器的(de)各種性能、參數指标完全一(yī / yì ／yí)樣。

400V配電網相比中壓網容量要(yào / yāo)小，用戶可能會認爲(wéi / wèi)回饋低壓電網不(bù)能完全吸收制動能量，根據各城市地(dì / de)鐵用電數據來(lái)看，牽引供電占到(dào)50%-57%，照明、通風等供電占到(dào)43%-50%，若按照配電網用電情況，隻要(yào / yāo)選擇合适的(de)逆變器容量完全可以(yǐ)回饋到(dào)配電網，即制動産生的(de)能量可完全用于(yú)除牽引外的(de)用電設備。

回饋到(dào)400V電網與中壓網相比其優點，一(yī / yì ／yí)是(shì)從運行可靠性來(lái)講，若逆變器異常，不(bù)會影響到(dào)牽引網，不(bù)會影響車輛運行；二是(shì)400V隔離變壓器和(hé / huò)400V開關櫃相對價格便宜，體積小。

回饋10kV/35kV中壓網方式其優點，因中壓電網相對400V配電網容量大(dà)，所以(yǐ)逆變器可選容量範圍大(dà)；若選擇同容量的(de)逆變器，逆變器對中壓網的(de)沖擊和(hé / huò)幹擾相對會小。
4.3 關于(yú)吸收方式

不(bù)論是(shì)車輛配車載電阻還是(shì)站内配電阻，站内再增加逆變吸收方式，其工作方式都可認爲(wéi / wèi)是(shì)混合吸收方式。

電阻加逆變混合吸收方式其工作方式是(shì)，車輛制動時(shí)檢測到(dào)直流母線電壓到(dào)一(yī / yì ／yí)定值時(shí)，逆變優先吸收，若測到(dào)直流母線電壓繼續升高到(dào)另一(yī / yì ／yí)定值時(shí)，電阻才開始吸收；同樣若車輛上(shàng)帶有車載電阻，其工作方式與上(shàng)述一(yī / yì ／yí)樣。

從運行可靠性上(shàng)來(lái)說(shuō)，帶有電阻的(de)吸收方式更爲(wéi / wèi)可靠，逆變吸收爲(wéi / wèi)主，電阻吸收爲(wéi / wèi)輔。從成本上(shàng)來(lái)說(shuō)，可以(yǐ)選擇合适容量的(de)逆變器，也(yě)可以(yǐ)讓逆變器的(de)利用率較大(dà)化。
4.4 逆變吸收容量選擇

如何選擇合适的(de)逆變吸收容量，也(yě)是(shì)讓用戶真正進行系統性節能的(de)重要(yào / yāo)方面。

對于(yú)并網型的(de)逆變器來(lái)說(shuō)，逆變器輸出(chū)呈現電流源特性，很容易實現容量的(de)擴展，理論上(shàng)逆變容量按最大(dà)的(de)制動能量來(lái)選擇，吸收利用率越大(dà)，但相應成本也(yě)會越高。

針對已經運營的(de)老線，如果有電阻吸收的(de)統計數據，就(jiù)可以(yǐ)很好的(de)選擇逆變吸收容量。根據每天、每月等電阻吸收的(de)數據進行統計分析，制動産生能量大(dà)小及出(chū)現頻次，來(lái)判斷需要(yào / yāo)吸收利用的(de)能量大(dà)小，從而(ér)确定逆變吸收容量。選擇時(shí)保證大(dà)部分的(de)制動能量能夠吸收利用，又保證逆變器利用率較大(dà)化。對于(yú)生産廠家來(lái)說(shuō)，提供高可靠性的(de)産品是(shì)其不(bù)懈努力的(de)方向；對于(yú)用戶來(lái)說(shuō)，選擇性價比高的(de)産品也(yě)是(shì)其不(bù)斷追求的(de)目标。
5 結語

本文對再生制動能量吸收逆變系統的(de)設計、現場應用節能效果以(yǐ)及應用相關問題進行闡述，與行業内專家共同探讨。由于(yú)知識有限，理解難免會片面或錯誤，還請各位專家批評指正。

随着軌道(dào)交通的(de)快速發展，再生制動能量逆變吸收方式會被越來(lái)越多的(de)用戶接受和(hé / huò)認可，該産品也(yě)會在(zài)地(dì / de)鐵行業普遍應用。