城市轨道交通能馈式再生制动装置研究
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摘要：本文主要针对城市轨道交通系统研究一种新的再生制动能源利用装置――能馈式再生制动装置，即整流装置本身既是整流器又是逆变器，首先介绍该装置的特点、工作原理、设备构成，接着通过研究设备应用情况，分析设备在应用过程中常见问题，最后做出展望，说明能馈式再生制动是城市轨道交通再生能源利用技术中可应用的一种更为经济、有效的解决方案。
关键词：城轨交通；能量回馈；PWM整流器；
中图分类号：C913文献标识码： A
Urban Rail Transit Can Feed Type Regenerative Braking Device
Abstract: This paper mainly studies on urban rail transit system, a new regenerative braking energy device, can feed type regenerative braking device, namely the rectifier device itself is a rectifier and inverter, introduces the characteristics of the device, working principle, equipment, and then, through application of research, analysis of common problems in the process of application equipment, the last one, that can feed type regenerative braking is urban rail transit renewable energy technologies can be used in a more economical and effective solution.
Keywords：Urban Mass Transit；Energy Feedback；PWM Rectifier；
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。针对以上情况,本文研究的能馈式再生制动装置，采取再生制动能量吸收装置与整流系统相结合的方式，即整流装置本身既是整流器又是逆变器，根据当前供电系统电压大小、能量流动的情况来切换整流、逆变状态，是一种更为经济、有效的解决方案。
1.设备介绍
1.1设备特点
能馈式再生制动装置是基于国家“十一五”最新科技成果，在城市轨道交通行业中的应用研究。该装置不仅能够在列车牵引时为列车提供能量，而且还能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流电网。不仅能够抑制直流网压的大范围波动，减小直流电压纹波，提高供电质量；更重要的是还能避免列车再生制动能量在能耗电阻上的白白消耗，节约电能。此外，借助于大功率PWM 整流器交流电流谐波含量小、功率因数任意可调、直流输出特性可控的特点，还能实现对交流中压电网的无功补偿，以及对直流接触网能量优化分配及管理。
大功率双向变流器作为能馈式再生制动装置的“核心”，其主电路采用无电感型多重化拓扑，结构紧凑、便于模块化；功率器件采用大容量智能功率模块，系统功率密度大、保护功能完善；控制系统具有设备运行状态实时监控及历史记录查询功能，以及在线及离线故障诊断功能，具有丰富的网络接口和软硬件资源，可以方便的与变电站综合自动化系统进行对接。整个能馈式再生制动装置在软硬件设计上，充分考虑了系统的可扩展性，能够非常方便的通过柜体并联方式实现系统扩容，并增加系统冗余性。
1.2设备的工作原理
能馈式再生制动装置以 PWM 整流器作为基本组成单元。而 PWM整流器则是在脉宽调制技术的基础上发展而来的一种功率变换装置，其组成上可以看成是一台 PWM 逆变器加上交流电感 L。它采用脉宽调制技术，PWM 逆变器能够在其交流测输出幅值和相位可控的三相交流电。而交流电感 L 在逆变器与电网之间起缓冲作用。在电网电压ea 和交流电感L一定的情况下，通过控制Ua的大小和相位，就可以控制电流ia 的大小和相位，进而控制变流器传输的功率。
1.3设备的构成
能馈式再生制动装置的系统构成主要包括变压器、交流低压开关柜、双向变流器柜、直流接触器柜四大部分。
目前采用的第三代 IGBT 智能功率模块参数为 2400A/1700V，随着最新第四代 3600A/1700V 的 IGBT 推广应用，单个双向变流器柜容量将在此基础上提升50%，即由 2MW 变为 3MW。预期不久将来发展为4MW 系统对应的变压器容量增大一倍。
2.设备应用情况
本项目于2012年3月至今，以长沙地铁车辆段为模拟环境进行了多次实验，挂网能馈式牵引供电机组容量为 2MW。在模拟挂网运行过程中，设备运行可靠，性能稳定，其技术先进性和现场适用性均得到同行专家及用户的充分认可。在相关设备应用过程中，常见下列需注意的问题：
2.1. 容量选择注意问题
能馈式再生制动装置中采用大功率的可关断器件 IGBT。由于IGBT 的价格较贵、容量有限，且损坏机理不同于传统功率二极管的“热效应累积”损坏机理，因此能馈式再生制动装置设计上只满足125%一分钟的过载能力，暂不具备现有二极管整流器的 300%一分钟的极端过载能力。在设备选型时请对此点给予特别注意。
2.2. 施工安装注意问题
a.能馈式再生制动装置中的双向变流器柜上部安装有可触摸的工业平板电脑，其防水防尘等级达到 IP65，但由于其耐受外部机械应力能力较差，因此要求在双向变流器柜的运输、施工安装过程中对其特别加以注意，防止损坏；
b.能馈式再生制动装置不同于既有的二极管不控整流器，装置内部存在多条光纤、传感器、继电器及控制接线，因此要求在能馈式再生制动装置各柜体的运输、安装及施工过程中对其特别加以注意，防止损坏；
c.能馈式再生制动装置中的双向变流器柜功率器件采用的是大功率 IGBT，其对静电敏感。因此，在双向变流器柜的施工、安装调试过程中请勿触碰，防止静电放电损坏开关器件；施工完毕对设备进行绝缘测试前，应断开控制系统，并对 IGBT 进行保护处理，防止高压损坏器件。
2.3 运营维护注意问题
2.3.1在能馈式牵引供电系统的运行巡检方面，要求如下：
a． 要求能馈式牵引供电系统的运行过程中每日对其巡检至少两次；
b． 要求巡检过程中，所涉及的设备主要指整流变压器、双向变流器、交流低压开关柜和直流接触器柜；
2.3.2在能馈式牵引供电系统的维护维修方面，要求如下：
a． 能馈式再生制动装置的控制系统能够对系统中电容器、开关器件、冷却风扇等关键部件进行运行状态监控及寿命评估，因此原则上应至少每月通过触屏平板电脑查询上述设备运行情况；
b． 对于双向变流器柜，每三个自然月对其进风口检查一次，防止积累异物，影响 IGBT 的散热效率。双向变流器每年应由专业技术人员进行至少一次彻底除尘；对于交流低压开关柜，每两年应由专业技术人员进行至少一次彻底除尘；对于直流接触器柜，每两年应由专业技术人员进行至少一次彻底除尘；
3. 设备应用前景展望
能馈式再生制动装置具有能量双向流动，输出特性可控，功率因数可调等显著优点，不仅能够实现列车制动能量的回馈再利用，取代能耗电阻，达到节能减排的目的，还能减小直流电压波动范围及纹波，提高供电品质。此外，还可以对中压环网进行无功补偿，提高系统功率因数。但是其设备容量有限，投资较大。
将能馈式再生制动装置与二极管整流机组组合使用，实现二者的优势互补，最终形成了技术可行、投资合理的组合应用方案。经挂网试验证明，该应用方案在技术上是可行的，设备运行稳定、系统匹配良好。更重要的是，该方案能够将工程投资控制在合理水平，投资效
益回收快，回报率高，易于推广应用。
综上所述，能馈式再生制动装置技术先进、性能可靠，结合工程实际需要，采取合理的应用方案，可以发挥其巨大的技术优势，获得良好的投资回报，市场前景非常广阔。
参考文献
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作者简介：张灵芝，1981年7月出生，女，湖南衡阳人，贵州师范大学课程与教学论专业，教育学硕士研究生，工程师、讲师，电气化铁道技术专业教师，研究方向为电气化铁道技术。