摘要

    針對地鐵運行時剎車過程所產(chǎn)生的再生制動能量的不同吸收方案進行了分析對比，對亞派科技再生制動能量回饋裝置A-RPF（以下簡稱亞派能饋裝置）的工作原理及技術(shù)創(chuàng)新點進行了詳細闡述，并給出了實驗數(shù)據(jù)及性能參數(shù)表。通過實例對安裝能饋裝置前后的能耗情況進行了對比分析。結(jié)果表明，所研發(fā)的能饋裝置具有功率大，效率高，THD小，功率因數(shù)高等優(yōu)勢，可為地鐵運營產(chǎn)生巨大的節(jié)能效果。

一 概述

近年來我國城市軌道交通的快速發(fā)展帶來了對電能需求的快速增長，其中約一半的電能消耗在車輛的牽引供電及剎車制動系統(tǒng)中。列車進站制動剎車過程采用電制動為主的制動方式，其再生制動產(chǎn)生的電能占車輛牽引電能的比例約為35%~55%^[1]，這部分再生制動電能除部分能被相鄰加速車輛利用外，其余能量需要被吸收掉，以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。如果利用好這部分剎車能量，對城市軌道交通用電節(jié)能將是一個重大的貢獻。

傳統(tǒng)的再生制動能量吸收方案多采用電阻耗能型的方案，其實現(xiàn)簡單，但是沒有對再生的電能加以利用，同時電阻一方面會增加占地面積或增加車重，另一方面電阻發(fā)熱又會帶來環(huán)控設(shè)備的壓力，該方案不符合節(jié)能降耗的目的。目前新型再生制動能量回饋方案主要有以下三種：超級電容儲能、飛輪儲能和逆變回饋，三種方案的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 新型再生制動能量吸收方案對比

從上表可見逆變回饋型方案具有技術(shù)成熟度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、維護量小、成本適中等顯著優(yōu)點。無論從社會節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展需要，還是從城市軌道交通降低用電成本的角度出發(fā)，再生制動能量逆變回饋裝置的使用是未來城市軌道交通牽引制動領(lǐng)域的發(fā)展趨勢?；诖?，亞派科技針對逆變回饋型的吸收方案進行開發(fā)及測試工作。

二 工作原理及技術(shù)特點

2.1 工作原理

如圖1所示，亞派能饋成套裝置由直流開關(guān)柜、中壓開關(guān)柜、逆變柜A-RPF、回饋變壓器等組成，成套裝置與現(xiàn)有整流牽引裝置（由整流變+二極管整流器組成）并聯(lián)，并具有四象限運行功能。在列車剎車過程中，裝置根據(jù)各傳感器檢測信號綜合判斷，一旦確認(rèn)列車處于再生制動狀態(tài)，立刻啟動能量吸收過程，把列車制動時產(chǎn)生的能量回饋到中壓電網(wǎng)，供其他負荷使用，在剎車過程結(jié)束后裝置自動判斷并關(guān)閉能量吸收過程。

成套裝置還具有輔助牽引功能和無功補償功能，在列車組在啟動和加速階段，成套裝置可以與現(xiàn)有牽引裝置并聯(lián)給列車供電，提高牽引網(wǎng)的供電電能質(zhì)量。在夜間列車停車后，成套裝置可以輸出感性或者容性無功功率，提高供電系統(tǒng)的功率因素。

圖1 再生制動能量回饋系統(tǒng)圖

2.2 技術(shù)特點

相對于國內(nèi)外的同類產(chǎn)品，亞派能饋裝置在主電路及軟件控制算法等多方面進行了創(chuàng)新和優(yōu)化，提升了系統(tǒng)的可靠性和各項功能性能，主要技術(shù)特點包括以下各方面：

1.采用高可靠性的三相H橋變流器拓撲

    主電路采用三相H橋的電路拓撲，開關(guān)器件選用進口3300V牽引級IGBT，相對于傳統(tǒng)三相半橋兩電平/三電平拓撲，該電路具有輸出電壓高、可靠性高、裝置容量更大的優(yōu)點；同時，通過采用單極倍頻技術(shù)，可將開關(guān)頻率f的變流器輸出等效頻率為2f的三電平脈沖波形，在減少輸出電流的諧波含量、減小濾波器體積的同時，保持較低的實際開關(guān)頻率，因此整機的損耗較小，效率更高。

圖2 三相H橋變流器拓撲結(jié)構(gòu)

2.采用高性能的LCL三階濾波器。

    目前通常的并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)使用單電感濾波或者采用高阻抗變壓器濾波，其濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但造成電感或變壓器體積大，且對于高次諧波的濾除衰減率僅為-20dB/10倍頻程，其濾波效果不好，開關(guān)頻率及其倍數(shù)的高次諧波會大量流入電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成污染。亞派能饋裝置采用了性能更為優(yōu)越的LCL三階輸出濾波器，其頻率特性如下圖所示，對于高次諧波的濾除衰減率為-60dB/10倍頻程，濾波效果更好。另外，在設(shè)計時網(wǎng)側(cè)濾波電感則借助于回饋變壓器自身漏感，這樣既節(jié)省了后級的濾波電感，又減小了逆變器側(cè)濾波電感的體積，同時達到增強濾波的效果。試驗效果表明該濾波器對高次諧波具有良好的濾除能力。

圖3 LCL三階濾波器的頻率特性

3.基于抑制電網(wǎng)擾動的雙閉環(huán)控制策略

   如圖4所示，亞派能饋裝置采用了雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)，實現(xiàn)對直流側(cè)電壓的準(zhǔn)確控制，同時通過軟件鎖相環(huán)實時檢測交流電網(wǎng)電壓的頻率、幅值和相位，通過檢測電網(wǎng)相位來控制輸出參考電流的相位，從而實現(xiàn)有功無功的獨立控制。內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用比例諧振調(diào)節(jié)器（PR），實現(xiàn)對并網(wǎng)輸出電流的無差跟蹤指令和波形優(yōu)化輸出。同時，交流電網(wǎng)電壓前饋的引入可以加快對電網(wǎng)電壓擾動的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

    電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制器均基于準(zhǔn)確的變流器和電網(wǎng)模型進行設(shè)計及驗證，因此在系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性以及穩(wěn)態(tài)精度方面實現(xiàn)了最優(yōu)化控制。

圖4 亞派能饋裝置雙閉環(huán)控制框圖

三 實驗驗證

   亞派能饋裝置通過了鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的第三方檢驗，關(guān)鍵性能指標(biāo)及及波形數(shù)據(jù)如表2和圖5所示。檢驗結(jié)果表明：亞派能饋裝置具有整機功率大，裝置輸出電流電壓的THD低、功率因數(shù)高、響應(yīng)時間快、整機效率高、功能強大等優(yōu)點。

表2 主要功能/性能列表

并網(wǎng)電壓電流波形    

額定容量下的并網(wǎng)數(shù)據(jù)    

裝置并網(wǎng)啟動時刻波形   

不同輸出功率下的效率曲線

圖5 亞派能饋裝置試驗波形/數(shù)據(jù)圖

四 節(jié)能效益分析

    以某市地鐵線路為例，評估加裝能量回饋逆變裝置的節(jié)能效果。該線共17個站點，其中16個牽引變電站，列車單線發(fā)車間隔時間為7min，該線配有26輛車，每輛車為4動2拖。據(jù)統(tǒng)計每個站之間牽引供電耗電平均約30度，其中約60%電能做功消耗掉，其余約40%電能會再生制動回到直流電網(wǎng)。

未加裝能量回饋逆變裝置前，每列動車上配有一個電阻制動系統(tǒng)，制動電阻重量約500公斤，電阻配備的散熱風(fēng)機功率為1.4kW。以地鐵每天運營16小時，計算可得每年該線的牽引制動系統(tǒng)消耗的電能如表3所示。

                 表3 未加能量回饋裝置的列車用能分布表

    在該線16個牽引站都安裝一套2.5MW的亞派再生制動能量回饋成套裝置后，帶來的收益分為兩個部分：一部分是A-RPF吸收回饋80%的再生制動電能帶來的直接收益；另一部分是加裝A-RPF后可以減少50%的制動電阻系統(tǒng)及其散熱風(fēng)機，每減少一噸車重一年約可減少牽引耗電1萬度。假設(shè)能量回饋裝置損耗為2.5%，這樣可以得到加裝能量回饋裝置后該線的牽引制動耗能情況，如表4所示。

表4 安裝能量回饋裝置的列車用能分布表

     可以看出，在該線路加裝16臺能量回饋裝置后，牽引制動系統(tǒng)的能耗從4891萬度減少到3319萬度，減少了32%左右，一年可節(jié)約電能1500多萬度電。折算到單臺2.5MW的再生能饋裝置，一年可回收利用的電能約100萬度。

五 總結(jié)

亞派再生能饋裝置該裝置在主電路拓撲設(shè)計、控制算法優(yōu)化等多方面進行了創(chuàng)新研究，能饋裝置通過了權(quán)威部門的第三方檢測，裝置目前已經(jīng)在南京寧天城際線路成功并網(wǎng)運行，結(jié)果表明亞派能饋裝置具有單機容量大，效率高，THD小，功率因數(shù)高等優(yōu)點。通過節(jié)能效益分析可以看出，裝置節(jié)能效果可觀，可為地鐵運營帶來巨大的節(jié)能效益。

參考文獻：

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