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摘要：城市轨道交通车辆再生制动能量吸收是城市轨道交通系统的重要组成部分。分析了逆变回馈型再生制动能量吸收装置的构成、工作原理。并对列车再生制动回馈的动态全过程进行了应用研究。研究结果表明：该装置满足地铁列车再生制动能量的吸收利用以及稳定牵引网电压的要求，可解决实际工程问题。
关键词：再生制动；逆变回馈；应用分析
1前言
近年来我国城市轨道交通的快速发展带来了对电能需求的快速增长，城市轨道交通列车运营时需要频繁地起动和制动。当起动时，车辆从接触网（轨）吸收大量电能，从而实现快速加速，当列车进站制动刹车过程中采用电制动为主的制动方式，其再生制动产生的电能占车辆牵引电能的比例约为35%～55%，这部分再生制动电能除部分能被相邻加速车辆利用外，其余能量需要被吸收掉，以维持直流母线电压的稳定，否则会引起直流母线电压过高而损坏相关设备，且影响制动效果。如果利用好这部分刹车能量，对城市轨道交通用电节能将是一个重大的贡献。
2再生制动能量逆变回馈系统简介
传统的再生制动能量吸收方案主要采用电阻耗能型方案，其实现简单，仅仅通过电阻发热将制动能量消耗掉，没有对再生的电能加以利用，同时电阻会增加占地面积和增加车重，另一方面电阻发热又会提高环境温度，加重空调和通风设备的负担，进一步引起能源浪费，不符合节能环保的目的。目前新型再生制动能量回馈方案主要有以下三种：超级电容储能、飞轮储能和逆变回馈。电容和飞轮储能型设备节能效果好，但是需要设置体积庞大的电容器组合转动机械飞轮装置作为储能部件，设备成本较高，且不利于安装。逆变回馈型方案具有技术成熟度高、能量转换效率高、维护量小、成本适中等显著优点。无论从社会节能减排可持续发展需要，还是从城市轨道交通降低用电成本的角度出发，再生制动能量逆变回馈装置的使用是未来城市轨道交通牵引制动领域的一个发展趋势，下面着重分析再生制动能量逆变回馈装置的构成、工作原理。
再生制动能量逆变回馈装置采用能量回馈方式，该系统主要由隔离开关、回馈变流器、隔离变压器构成。其中，回馈变流器主要由电力电子功率 模块、控制单元、滤波器等组成。
3再生制动能量逆变回馈装置原理
逆变回馈系统为三相电流型逆变电源，工作原理框图下图所示。它的主要功能是将地铁车辆再 生制动时产生的能量通过整流变压器反馈回交流 35 kV中压环网，供其他负载使用，起到节约能源的作用，同时稳定直流牵引电压，保证地铁直流牵引供电系统安全可靠运行。
（1）系统回馈运行。逆变回馈装置启动后，装置首先按照启动时序将各断路器、接触器闭合，使装置进入待机状态。进入待机状态后，装置实时检测直流母线电压，当装置检测到直流母线电压高于设定值（DC1720V，可调节）后，会立即开启PWM脉冲信号，控制功率器件IGBT，使其工作，通过快速调节电流，使直流母线侧由地铁刹车制动时产生的能量，快速回馈到电网中；同时稳定直流 母线电压，将直流母线电压稳定在设定值（DC1720V，可调节），确保地铁直流供电系统的安全稳定。此时由于直流母线电压值高于整流器不可控整流值，整流器二极管会自动停止工作。
（2）系统待机运行。当装置检测到直流母线电压小于整定值时，即车辆处于牵引状态，因地铁牵引启动需要的能量大于回馈装置的容量，此时回馈装置即刻封锁 PWM脉冲信号并退出运行，进入待机状态，地铁牵引所需能量完全由牵引整流机组提供，直流母线电压快速回落至DC 1500 V附近。另外当回馈装置运行后，检测到回馈的能量接近于0（30 s内平均值），装置会自动退出运行，进入待机运行，因此可避免回馈装置误动。主电路主要由PWM型逆变器、LC滤波器以及隔离变压器组成。PWM型逆变电路由6个IGB 构成逆变桥，将直流电变换成交流电。由于逆变器输出的交流电含有大量谐波，所以要设置滤波电路进行滤波，LC串联谐振滤波电路设置在隔离变压器低压900V侧。
逆变回馈系统的控制电路由电流调节子系统和PWM发生器组成。控制电路采用SPWM控制策略，调压控制器采用数字式PI控制，实时地调节输出电压的幅值，以满足实际需要。控制电路把逆变后的三相交流电用一个电流测量元件将三相电流反馈回来，与给定的参考电流信号进行比较，所得到的误差信号经过PI调节器进行调节，调节后的信号送入PWM发生器，用来控制PWM发生器的调制正弦波的幅值。PWM发生器产生的PWM波又来控制逆变电路开关器件IGBT的开通与关断，从而实现调压功能。
4总结
逆变回馈型再生制动能量吸收装置将在城市轨道交通中发挥着重要作用，它的应用能够节约能源，降低地铁运营成本，提高经济效益，同时保证地铁车辆及变电所设备的安全运行，因此对其进行相关研究具有重要的现实意义。应用研究结果表明，逆变回馈型再生制动能量吸收装置满足地铁列车再生制动能量的吸收利用以及稳定牵引网电压的要求，能够解决实际工程问题。
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论文作者:曾晓民
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/24
标签：能量论文; 装置论文; 逆变论文; 母线论文; 电压论文; 地铁论文; 轨道交通论文; 《电力设备》2018年第34期论文;