地铁1 500 V混合型制动能量吸收装置

余 龙

0 引言

不带有车载制动电阻的地铁车辆在启动再生制动时会产生大量的再生电能返送到直流电网，如果电能不被及时吸收（包括地面装置吸收和其他在线车辆吸收），再生能量将累积于直流供电网络中，使线网电压迅速上升，危害线网中的设备、车辆的安全和寿命，严重时破坏系统绝缘，引发故障，同时也会影响车辆再生制动功能的发挥，造成机械制动的闸瓦（或制动盘）消耗量增大。

为了解决上述问题，多年来国内外提出并实践了很多办法，主要有地面电阻消耗、逆变回馈、电容储能、飞轮储能等。其中电阻消耗方式因设备简单，造价低廉，技术可靠，得到了广泛应用，但是该方案只能通过发热将再生能量“烧”掉，浪费了大量电能。电容储能和飞轮储能方式由于核心设备技术复杂、造价过于昂贵，所以工程应用相当少。逆变回馈方式将再生能量逆变为交流电，回馈到交流系统中再利用，是非常合理的再生能量处理方式，但是由于技术和造价上的原因，多年来该类装置的研制和应用进展缓慢。

在国内地铁建设方兴未艾的形势下，开发技术先进且又造价合理的再生能量处理设备具有重要意义。

1 系统描述[1]

电阻+逆变混合型制动能量吸收方案是基于目前国内外技术水平提出的一种技术应用创新方案。该方案在保证列车再生制动可靠进行的前提下，实现了再生电能的回收利用，结合了电阻的可靠性和逆变的先进性，且设备造价大幅低于纯逆变型、电容型和飞轮型装置。

当列车再生制动时，电压升高到需要外部设备来吸收时，电阻+逆变混合型制动能量吸收装置（以下简称混合型装置）启动。逆变器率先投入，将再生电能逆变成三相交流电并馈入车站 400 V配电网，由动力照明负荷利用。当列车制动能量较大，再生能量超出逆变器容量时（表现为线网电压升高至某一限值），电阻投入，与逆变器共同吸收再生能量；当再生能量下降至逆变器吸收范围内时（表现为线网电压下降到某一限值），电阻退出，仍由逆变器独自吸收再生能量。当线网电压下降至无需外部设备吸收再生电能时，混合型装置系统停止吸收。装置根据再生能量的大小自动调节吸收电流的大小，维持线网电压恒定。线路上无车辆制动或制动能量不超过吸收启动值时，装置不启动。在制动能量吸收的过程中，逆变器始终工作，而电阻只是作为逆变器的功率补充，在逆变器达到容量最大值后才启动，绝大部分制动能量由逆变器回馈至AC 400 V电网，实现了大部分能量的回收。装置功能概念图如图1所示。

图1 系统功能概念图

2 系统原理

2.1 系统主接线

混合型装置系统图如图2所示。该系统由逆变部分和电阻部分2部分组成。整个装置通过1 500 V直流开关接入变电所直流牵引系统。

图2 系统主接线示意图

混合型装置的总容量根据直流线网中列车运行情况以及直流系统的各种运行模式计算确定，需满足列车再生制动的要求。为了保证400 V电网设备的安全，逆变部分最大容量不能超过配电变压器的容量，其余容量则由电阻来补充。

2.1.1 逆变部分

逆变部分主要由输入输出开关、逆变器及测量、控制电路、变压器等设备组成。该部分的功能：

（1）在控制系统判断直流母线上的再生能量达到限值时准确投入吸收，并根据再生能量的大小调节相应的吸收容量，维持直流母线电压稳定。

（2）将再生电能逆变为与400 V电网的频率、相位同步的交流电，单向流入400 V电网且不引起400 V母线电压高过系统最高允许运行电压。

（3）为了逆变器与电网的安全，同时匹配逆变器输出电压与电网电压，在逆变器输出侧与400 V配电系统之间设置一变压器，兼作隔离和变压作用。

2.1.2 电阻部分

电阻部分主要由输入开关及滤波电路、斩波电路及测量、控制电路、消耗电阻等设备组成。该部分的功能：

（1）在控制系统判断直流母线上的再生能量超过逆变吸收限值时准确投入吸收，并根据再生能量的大小调节相应的吸收容量，维持直流母线电压稳定。

（2）在正常运行情况下，电阻部分只能在人工设定的功率范围之上工作，作为逆变部分的补充，以保证制动能量最大程度地被逆变器吸收；在逆变器故障，减少吸收功率或退出的情况下，电阻部分能自动增大吸收功率的范围，最大程度地维持线网电压的稳定。

2.2 控制原理

2.2.1 逆变与电阻吸收方式的切换与控制

当车辆进入制动工况，向直流电网回馈电能时，引起直流电网的变化。控制系统根据电压以及电流的变化得出车辆处于制动工况并且直流电网电压上升达到第一预设值时，首先向逆变装置发出回馈过程开始信号，并且以该值作为逆变回馈的电压基准值，当电压进一步上升时，逆变回馈装置以实际的直流电网电压与该基准值的差值控制输出电流，直到输出电流达到逆变回馈装置的最大容许输出电流。此时，如果直流电网电压进一步上升并达到第二预设值，则启动电阻吸收单元，使直流电网电压稳定在第二预设值。随着车辆制动过程的进行，车辆再生制动输出电流逐渐下降，电网电压也将随之下降，当该电压低于第二预设值后，电阻吸收单元退出工作，此时逆变吸收单元进行回馈直至电网电压低于第一预设值，逆变单元退出回馈过程。

2.2.2 逆变电能调制输出控制

逆变吸收装置的控制为电压环与电流环的双闭环控制系统。整个控制系统由母线信号给定装置、电压调节器、电流调节器、PWM信号生成部分、逆变单元、相电流检测电路、同步信号生成及母线电压采集电路组成。

控制系统实时检测直流母线电压值，当电压值高于某一设定值时，装置投入工作。计算直流母线电压检测值与设定值之差，其值输入电压调节器进行一定的控制运算；电压调节器的输出作为电流环的给定信号，并计算其值与检测到的输出电流之差，再经过电流调节器的控制运算，电流调节环节的输出直接送给 PWM 信号生成部分，其生成的PWM波送给逆变单元。

计算逆变系统在输出侧（400 V电网侧）取得实际电流信号与系统给定的电流信号之差，将电流差值作为整个系统的调制信号，从而使系统形成电流闭环控制。系统对外呈现电流源特性。

载波移相、多单元并联、PWM调制等技术的采用使逆变器的效率、设备安全、谐波含量等指标得到极大提高。本课题研制的逆变器在型式试验中测得电流谐波含量小于3%，功率因数大于0.96（含隔离变压器），变流效率高于92%。

3 试验情况[2]

地铁 1 500 V混合型制动能量吸收装置自2008年 5月开始进行设计和设备生产，于 2009年底完成了设备试验，开始进行设备在地铁线路上的挂网试验工作。先后进行了装置空载试验、负载试验、车辆运行试验等多项试验项目。其中车辆运行试验是在地铁夜间正常运营收车以后，调用了一列地铁列车在牵引所供电范围内的线路上多次往返运行，在不同速度下采取不同级数的制动，模拟列车正常制动和极端制动时的工况。

试验结果如下：

（1）混合型装置挂网后，装置本身、变电所1 500 V牵引系统和400 V配电系统均运行正常。

（2）列车再生制动启动正常，制动过程平稳。

（3）逆变电流输入变电所400 V配电母线，400 V配电系统运行正常，无明显闪变出现，母线电压畸变小，总谐波含量（THD%）满足国家标准要求（国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定不大于5%）。

图3 制动前机车速度为90 km/h，制动档100%情况下的再生电流变化图

图4 逆变时AC 400 V侧线电压波形及电流谐波值图

（4）装置电阻部分的投入、退出正确可靠。当逆变器容量增加到一定值后，电阻部分几乎不启动，再生电能几乎完全由逆变器回收到400 V交流电网中。

（5）400 V交流电网进线总开关处（动力变压器低压侧）电流明显变化，电能表显示有反向电能流过，表明电能经动力变压器，从低压侧（400 V）流向中压侧（33 kV），中压系统运行未见异常。

试验证明：电阻+逆变混合型制动能量吸收装置应用于地铁供电系统是可行的；在保证列车再生制动平稳可靠的同时，将再生电能逆变为交流电安全注入了400 V交流电网；400 V配电系统可将逆变电能吸收利用，超过吸收能力的多余电能经动力变压器注入了中压电网；该方案实现了再生能量回收利用，全过程安全可靠。

4 结论

电阻+逆变混合型制动能量吸收方式是解决地铁制动能量吸收问题的一种有益探索。

电阻+逆变混合型制动能量吸收装置将电阻与中小容量逆变器结合，在保证列车正常进行制动的前提下以较合理的设备投资实现了大部分再生电能的回收利用。该装置将电阻消耗方式的简单可靠、投资低廉与逆变回馈的节能减排优势有机结合起来，可实现以合理投资创造最大经济效益的目的，不失为地铁再生能量处理的一种好的选择。

[1]湖南恒信电气有限公司，北京市地铁运营有限公司车辆厂，中铁电气化勘察设计研究院，等.HXXS2NB/380V型电阻-逆变混合型再生制动能量吸收装置科技成果鉴定资料[G].湘潭，2008.

[2]湖南恒信电气有限公司，中铁电气化勘测设计研究院等.电阻-逆变混合型再生制动能量吸收装置挂网试验报告[R].广州，重庆2010.2～2010.8.

[3]池耀田.城轨交通系统储能器的发展[J].都市快轨交通，2005，18（3）.

[4]黄舰，等.1 500 V城轨系统再生制动能量的储存利用[J].都市快轨交通，2010，23（3）.

[5]王雪迪，杨中平.超级电容在城市轨道交通中改善电网电压的研究[J].电气传动，2009，39（3）.

[6]王军，等.城市轨道交通制动能量逆变回馈系统研究[J].城市轨道交通研究，2007，12.