关键词：地铁建设；再生制动；能量吸收装置
Abstract: This paper introduces the application of medium voltage inverter feedback device in Beijing subway
Key words: Subway construction; Regenerative braking; Energy absorption device
【中图分类号】 TK01+8【 文献标识码】B 【文章编号】 1561-0330(2020)10-0069-03
1 概述
随着国家经济形势的发展和人民生活水平的日益提 高，国家在公益方面的投资越来越大。特别在交通方面，国家为了方便人们的出行，在高铁方面的建设力度超前加速，各个城市之间的距离越来越短，大大方便了人民群众的生活，短短几年时间就使中国的高铁建设跃居世界第一位。
在国家交通建设的大环境下，人们对本城市内的出行也提出了更高的要求。在公交发展上，交通拥堵、占地面积大、车辆多、事故频发等诸多因素的影响，制约了公交事业的发展。而作为与公交并驾齐驱的地铁事业， 则备受人们的喜爱。由于地铁建设于地下，不受地面占地面积的制约，没有其他车辆与行人的干扰，不会产生 交通拥堵问题，加之安全、舒适、快捷，因此深受大家的关爱。因此，这几年国家大力发展地铁建设，从国家一、 二线城市，已逐步向三四线城市发展，预计在不远的将来，城市轨道交通，将是一个炙手可热的行业，在我们 国家获得突飞猛进的发展。
但是在地铁的运行中，由于站点多，站与站之间的距离短，运行时就要采取快速制动的方式停车，以便准点到站。在停车的过程中，列车从中、高速牵引运行切换到全制动过程时，异步电动机的转子转速大于定子磁场的给定的“同步转速”，产生负的转差率，转矩与转速反向，吸取机械功率，使机车快速 停车，并输出电功率，此时吸收装置控制励磁的给定频率、反并联的续流管为定子电流提供回路，整流后回馈至触线网，造成直流母线电压升高。严重时会造成电网事故。为稳定其母线电压，目前的方案包括电阻制动、电容储能、飞轮储能逆变回馈等。而逆变回馈再生制动的能量就是通过逆变装置回馈至电网，这种逆变装置的节能效果好，且系统简单，安全可靠，投资小，得到越来越多的关注和应用。
2 中压回馈制动的原理
2.1 系统结构
再生制动能量吸收逆变装置由隔离开关柜、逆变柜和隔离变压器柜组成，其系统主回路图如图 1 所示，其主要功能为：能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流中压电网。同时该装置还可以抑制直流网压的波动，减小直流电压纹波，提高牵引供电质量。
2.2 柜体功能介绍
2.2.1 隔离开关柜
隔离开关柜内主要器件有单 / 双极（可选）隔离开关、直流接触器、预充电接触器、放电接触器、预充电电阻、放电电阻等，其主要功能是用于连接直流电网，可以实现对整套装置上电时主回路的预充电和断电时主回路的放电，配备有隔离开关，可以用于设备在检修和维护时脱开直流电网，确保设备和人身安全。
2.2.2 逆变柜
逆变柜内主要器件有直流滤波电容、逆变功率单元、滤波电抗器、电流互感器、电压互感器、交流断路器等，其主要功能是将列车产生的制动能量逆变成交流电反馈给交流电网供其他设备使用。
2.2.3 隔离变压器柜
隔离变压器柜主要器件有隔离变压器、温控器根据不同的交流电网配备不同电压等级的变压器，与并
网的电压等级相匹配，具有温度显示和报警功能。变压器柜部分外购，与国内知名企业合作，也可以根据用户的要求定制，其内部变压器为三相干式环氧树脂浇注变压器。
2.3 功率单元原理
逆变单元的主要作用是把系统产生的能量转换成与电网电压同步的交流电并回送至电 网。单元电路拓扑如图 2 所示，每个功率单元都承受全部的母线电压、1/N 的电流、1/N 的输出功率，其通过对逆变器进行正弦 PWM控制，可得到如图 3 所示的波形。逆变单元为模块化设计，每个逆变单元结构上完全一致，可以互换。逆变单元可以从机架上非常方便地抽出、移动和更换，便于安装和拆卸。如果某一逆变单元由于故障而不能正常工作，可以在允许成套设备退出的时间内用备用逆变单元将其替换。
每个单元的正母线、中线、负母线通过铜排相互连接，单元的三相输出端子通过电抗器滤波、变压器电压变换后与电网连接在一起；通过对每个单元的 PWM 波形进行叠加，可得到如图 4 所示的输出电流波形。这种波形正弦度好，dv/dt 小，谐波成分含量小，可减小对电缆的绝缘损坏。
3 产品主要技术特点
（1）逆变单元采用电流闭环控制，能够保证输出电流波形质量；逆变单元输出呈现电流源特性，能够很好适合单元并联以达到容量扩展；
（2）系统输出电流波形正弦化，电流总谐波（THD）小于 3%；系统效率高，达到 98% 以上；
（3）逆变主电路采用三电平电路拓扑结构，每个主功率器件关断时承受的电压仅为直流侧电压的一半即能提高功率器件的安全余量，又能提高输出波形质量；
（4）采用多个逆变单元并联，每个单元独立控制，具有冗余工作的特点，即使单元出现保护，其余逆变单元可以正常工作，进一步提高装置运行的可靠性；
（5）控制系统采用 DSP 数字化控制，控制精度高，且抗干扰能力强；
（6）控制系统具有自检功能，可自动检测控制电路供电状态及各种通讯状态；
（7）单元部分保护具有自复位功能，有效地防止干扰产生的误保护动作；
（8）主控与单元数据传送采用光纤隔离，隔离性能高，抗干扰能力强；
（9）整机采用薄膜电容设计，使用寿命长；
（10）逆变单元外形采用模具设计，每个逆变单元结构上完全一致，可以互换，这使得调试、维修非常方便；
（11）逆变单元与整机通过一次接插件连接，调试、维护方便；
（12）控制系统采用 MODBUS 通讯协议与上位机通讯，并采用无线网络方式实现系统运行状态的远程监控，可帮助用户快速了解装置的运行情况，同样可以用于远程故障诊断，可以更加迅速的查找与解决现场出现的问题，缩短故障停机时间。
4 现场应用
新风光中压逆变回馈控制装置从 2011 年开始，在北京地铁的多条线路等得到了广泛的应用。图 5 是现场应用的图片。
经过这些地铁线的应用，取得了明显的经济及运行效果：
（1）系统占地面积小，采用逆变回馈制动装置，省去了普通电阻耗能型控制装置的体积庞大的电阻柜及风机散热装置，使控制装置更紧凑，方便安装与使用。
（2）将制动产生的能量回馈电网，降低了隧道温升，减轻了送风、排风、站台空调、车载空调的负荷；
（3）制动能量回馈电网，可以实现节能。据统计，与传统的电阻耗能型制动柜相比较，可以节能大约 20%左右，节能效果是比较理想的。
（4）采用再生制动可以降低系统机械制动产生的摩擦损耗，延长机械制动刹车的寿命。
（5）系统采用模块化设计，容易实现冗余设计，维修维护方便。当某一个单元故障时，可暂时退出降额使用，或方便时用备用单元替换。减少系统故障带来的运行损失。方便设备运行。
5 结束语
新风光电子科技股份有限公司主持制定了行业首部国家标准《城市轨道交通再生制动能量吸收逆变装置》，产品性能得到了广大客户的信赖，满足了城市地铁高效低碳绿色环保运行的社会需求。总之，再生制动回馈装置是地铁轨道交通运行系统中目前大力推广的项目，在将来较短的时间内，必将得到广泛的应用，推动地铁、轻轨及相应项目的发展。
参考文献：
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[4] 杨俭 , 李发扬 , 宋瑞刚 , 方宇 . 城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展 [J]. 铁道学报 , 第 33 卷第二期 ,2011-2.
作者简介：
周加胜（1967 年 -）工程师 毕业于山东工业大学自动化专业 现就职于新风光电子科技股份有限公司
陈敏（1975 年 -）工程师 毕业于东北大学机电一体化专业 现就职于新风光电子科技股份有限公司
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