Abstract: This paper introduces the application of regenerative braking energy absorption inverter installed in Windsun Electronic Technology Co., Subway site operation proved that the device energy saving effect is remarkable, with significant economic and social benefits.

Key words: Rail transport ; Regenerative braking; Inverter;Saving

【中图分类号】U260.359【文献标识码】B 文章编号1561-0330（2017）10-0000-00

1引言

目前城市轨道交通直流牵引供电系统采用二极管整流器，电能只能从交流电网向直流牵引网单向流动。当车辆制动时，多余的再生制动能量使直流电网电压升高。传统的解决方法是设置电阻制动装置，但这将造成电能的极大浪费并带来温升等其它问题。由于轨道交通车辆起制动频繁，制动能量相当可观，若能加以合理利用必能产生良好的经济效益。

现制动方式主要可以分为两大类：一是机械制动（动能转化成热能），机械摩擦制动的缺点是接触面容易磨损；摩擦时产生高温可熔化烧灼踏面；摩擦后产生的粉尘有严重污染。二是电制动，把动能转化为电能后，再将电能送回电网或变成热能消耗掉，现在电制动主要是采用电阻吸收方式，其主要缺点是只能将电能转换为热能消耗掉，造成能源浪费，而且电阻散热会导致温度升高，因此需要增加相应的通风装置，即同时增加相应的电能消耗。

电制动的另一种吸收方式是电容储能型，将制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间有列车需要获取电能时，将所储存的电能释放出去，其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命缩短。

电制动第三种方式是飞轮储能，其工作原理是在列车发生再生制动时，电动机驱动转子旋转进行能量储存，直至达到允许的最大转速；当列车需求能量时，电动机切换到发电机工况，释放飞轮中储存的能量，直至达到最低工作转速并转变为变电所供电。其缺点是寿命容易受到机械部件磨损的影响而大幅度降低，并且其投资与维护费用均较高。

电制动的第四种是逆变吸收方式，是将车辆制动时产生能量经过逆变变成工频交流电与车站内电网并网，该吸收方式有利于能源的综合再利用，实现了节能，是目前日益重视并大力推广的方式。新风光再生制动能量逆变装置就是这种能量吸收方式，产品已广泛应用于城市轨道交通地铁线路中。

2 地铁应用现场

山东某线路为山东首条地铁线路，其牵引供电系统主要分为直流牵引网和交流配电网两部分。该接入地铁供电系统图如图1所示，主变电所将三相35kV高压交流电送至各牵引所，经整流变压器、整流器变成适合轨道车辆应用的1500V直流母线，馈电线再将直流电送到接触网上，接触网是沿车辆走行轨道架设的特殊供电线路，轨道车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电能。

。走行轨道构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。交流配电网主要是提供站内的照明、通风、排水、电梯等基础设施。

在该线某站上安装有新风光的FDBL-JC-2000/1500V的再生制动能量吸收逆变装置，该装置容量为2000kW，其中加装的再生制动能量吸收逆变装置使用虚框标出。

3 新风光再生制动能量吸收逆变系统介绍

再生制动能量吸收逆变装置（以下简称逆变装置）是新风光为满足轨道交通机车绿色环保运行的市场需求，研制成功的新一代机车制动再生能量处理设备。该逆变装置属于逆变回馈型。逆变装置根据各个传感器检测信号，综合判断直流电网上是否有列车处于再生电制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，系统启动吸收过程。逆变装置把机车刹车制动时产生的能量转换成AC400V电压，自动跟踪AC400V母线电压，并向负载供电，将再生能量消耗在用电设备上，或经隔离变压器反送至35kV /10kV电网。在直流牵引供电系统中，再生制动能量吸收装置做为一个子系统工程，其作用关乎系统的安全。

该设备系统组成框图如图2所示，现在大部分城市轨道交通牵引所都是35kV或10kV电网，经过牵引整流变压器，再进行12脉波整流输出直流1500V或750V给机车供电。

再生制动能量吸收装置是并联在1500V/750V直流系统中，经过逆变装置变成交流，经隔离变压器输入到电网（35kV/10kV/400V）。

新风光公司再生制动能量吸收装置主要技术特点如下：

（1）领先的控制技术

控制系统由DSP+FPGA/CPLD+PLC组成。控制系统具备自动化数据采集功能，用于收集装置内部状态信号。采用MODBUS数据传输方式与上位机系统接口，并提供所有状态信息。

（2）主回路采用三电平拓扑电路结构

降低了器件耐压等级，利于减小网侧电流谐波。

（3）易于实现容量扩展

控制系统网侧呈电流源特性，易于多单元并联，实现装置容量扩展。

（4）功率因数高

网侧功率因数可调，逆变装置可以做到单位功率因数运行。

（5）谐波特性好

网侧电流波形正弦化，电流总谐波（THD）小于3%。

（6）响应快，效率高

具有动态响应快，能在毫秒内输出额定电流，整机效率98%以上。

（7）保护功能齐全

逆变装置具有过压、欠压、偏压、过流、短路、超温等多种保护功能，当某一逆变单元故障时，整机仍可以降额工作，不影响机车正常运行。

4 安装效果

（1）通过安装再生制动装置，可以减小车载电阻的使用容量，进而降低机车重量，提高机车运载能力。每套车载电阻重量约1000kg，运行温度约200℃，周边设备需隔热处理。摘掉车载电阻每列车可降低车重4000kg，增加50人次的运载能力，且降低车辆2%的供电能耗。另外每列车车载电阻总造价约40万元，可削减此部分投资费用。

（2）降低能耗型电阻容量，隧道主要发热源消除，隧道内部的通风、散热需求降低，环控负荷可降低约50%。

（3）采用再生制动装置车辆电制动区间范围更宽，电制动可将车辆由最高速度减速到5-10km/h，进而减少机械制动降低闸瓦磨损度，车轮、闸瓦的维护与更换维保周期延长一倍以上。按照每片闸瓦400元统计，每列车年节省维保费用近27万元。

（4）再生制动装置具有一定容量的无功补偿功能，提高系统功率因数。

（5）电能回收再利用，节约电能响应国家节能减排的政策，国家有扶持资金奖励政策。

5 改造后节能计算

5.1 运行情况

该逆变装置于2016年10月初正式投入运行，至今运行良好。

再生制动装置的节能效果受到诸多运行因素的影响，如列车编组数量、发车间隔时间、列车运行图、载客量、车载制动电阻、启动电压等等，以下对再生制动装置的运行因素及节能效果进行说明。

该地铁线路共设22个站点，其中9座牵引所，6座换乘站，线路全长24.9 km。

全线列车采用六节编组4M2T，最高行驶速度80km/h，该线路在工作日的运营时间（5:15:53-23:00:05）发车间隔为7min55s，节假日时间段运营时间（5:10:00-22:57:47）发车间隔高峰6min55s，平峰7min55s。列车配备有车载制动电阻，电阻启动及控制电压为1800V，再生制动装置启动电压阈值设置为1750V,小于电阻启动值保证优先吸收再生能量。

根据用户提供的该地铁线路工作日早晨一段时间的运行时刻表，发现该车站及其相邻站之间列车进站时间和出站时间没有重叠的，这意味着列车刹车的再生电能被相邻启动车辆吸收非常少，多是消耗在车载制动电阻上。

5.2 装置节能和能耗分析

再生制动装置的1000V输出侧和35kV交流侧各装有计量表计，其中35kV交流侧电表计量E1的是实际回馈电网的电能，而1000V侧电表计量E2除了回馈电能外还包含了变压器损耗、逆变器损耗等。

再生制动装置在将再生电能回馈到交流电网达到节能目的的同时，自身也存在一定损耗，因此净节能量应为设备回馈到电网的电能减去设备自身消耗的电能。

设备工作期间控制系统和风机也有耗能，其中控制系统功率为130W，按照24h计算，耗能3kWh电；风机功率为1000W，按照18h计算，耗能18kWh电。此外，凌晨0点-5点设备处于待机状态，变压器空载损耗约4000W由35kV电网提供，每天耗能20kWh。

综上，再生制动装置每日24h内能耗如表1所示，且能耗主要来自再生能量。

再生制动装置1000V侧计量日均节电量如图3和表2所示,再生制动装置35kV计量数据（单位kWh）如表3所示。

表2 再生制动装置1000V计量数据（单位kWh）

表3 再生制动装置35kV计量数据（单位kWh）

根据业主电度表计量的数据，节电率达30%以上，日均回馈电能3000kWh以上，参考工业用电价格1元/kWh，该站点一天节省运行成本3000元左右，该逆变装置节电效果是非常明显的。同时，对隧道内部的通风、散热需求降低，综合来说，轨道交通每1-2km就有一个站点，如果每个站点都安装该逆变装置设备，那么地铁运行成本将会大大降低。

6 结束语

新风光再生制动能量吸收逆变装置控制车辆电制动时的运行电压，保障了车辆的安全运行。逆变装置投运后节电效果显著，符合国家节能减排的大政方针。同时降低了车辆运行隧道内的通风散热需求，提高了相关设备的运行环境质量。“十三五”期间，随着轨道交通节能环保、绿色化的主题深入人心，该逆变装置前景可期。

参考文献

[1]再生制动逆变装置用户手册.新风光电子科技股份有限公司

[2]GB/T 10411-2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》 2005

作者简介

郭培彬 男 工程师 自动化专业 供职于新风光电子科技股份有限公司技术中心办公室。