地鐵列車再生制動(dòng)逆變裝置選型研究

李 研，張 巖，芮國(guó)強(qiáng)

（1. 南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210012；2. 山東新風(fēng)光電子科技股份有限公司，山東汶上 272500；3. 南京亞派科技股份有限公司，江蘇南京 210032）

地鐵列車再生制動(dòng)逆變裝置選型研究

李 研1，張 巖2，芮國(guó)強(qiáng)3

（1. 南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210012；2. 山東新風(fēng)光電子科技股份有限公司，山東汶上 272500；3. 南京亞派科技股份有限公司，江蘇南京 210032）

簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方式，重點(diǎn)對(duì)電阻+逆變型（回饋至低壓 400 V）和電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）2 種方式的技術(shù)性能以及運(yùn)用情況做了分析比較，測(cè)算了節(jié)能效果，并對(duì)項(xiàng)目的運(yùn)作方式提出了建議。

地鐵列車；再生制動(dòng)；逆變裝置；回饋

U260.35+9

0　概述

列車在再生制動(dòng)時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，會(huì)使接觸網(wǎng)電壓升高，過(guò)高的電壓會(huì)危害到列車的正常運(yùn)行。為了將網(wǎng)壓控制在額定范圍內(nèi)，列車會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通車載制動(dòng)電阻，這部分電能就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。在現(xiàn)有的再生制動(dòng)能量吸收方案中，電阻耗能型廣泛應(yīng)用在軌道交通行業(yè)，基本是通過(guò)列車自帶電阻吸收電網(wǎng)上多余電能。這種方式雖然簡(jiǎn)單，但存在缺陷：一是列車自帶電阻，既增加了列車自重，又易導(dǎo)致列車正線故障頻發(fā)；二是電阻通過(guò)消耗產(chǎn)生的熱能，會(huì)導(dǎo)致隧道和車站環(huán)境溫度升高，加大環(huán)控冷卻設(shè)備電耗量；三是不符合國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排的要求。

針對(duì)電阻能耗型的以上缺點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外已有很多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展針對(duì)性研究，并取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展及商業(yè)化運(yùn)作。新型的再生制動(dòng)能量吸收方案主要包括：電阻+逆變型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型及雙向可控型，各種電能吸收方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表 1 所示。從表 1 中可以看出，電阻 + 逆變型的吸收方式具有成本適中、效率高、體積較小、技術(shù)成熟等特點(diǎn)。在加裝再生制動(dòng)逆變裝置后，可以將原來(lái)流向制動(dòng)電阻的電能，經(jīng)過(guò)逆變、變壓后輸送到車站，供車站內(nèi)動(dòng)力照明設(shè)備使用，這樣，可節(jié)省部分電能。根據(jù)已建成地鐵相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，與單純的電阻制動(dòng)相比，再生制動(dòng)逆變回饋方式節(jié)能效果顯著，其再生回饋電能可達(dá)到 40% 左右。本文將重點(diǎn)探討電阻 + 逆變型再生制動(dòng)能量吸收方式。

1　再生制動(dòng)逆變的方式

目前，國(guó)內(nèi)普遍采用電阻+逆變型模式，回饋的方式有回饋至低壓 400 V 和回饋至中壓 35 kV 兩種方式（表 2）。再生制動(dòng)逆變裝置在全國(guó)地鐵的應(yīng)用越來(lái)越多，北京、重慶地鐵已大面積使用，天津、廣州、長(zhǎng)沙、鄭州、南京等地鐵也都開(kāi)展了試點(diǎn)。

表 1 不同再生制動(dòng)能量吸收方式對(duì)比

表 2 兩種再生制動(dòng)逆變方式主要技術(shù)性能比較

1.1電阻+逆變型（回饋至低壓400 V ）

電阻+逆變型（回饋至低壓 400 V）回路原理如圖 1 所示，逆變單元設(shè)置在牽引變電所內(nèi)，電阻柜設(shè)置在地面或風(fēng)道，并設(shè)置散熱通風(fēng)裝置。其原理是再生制動(dòng)能量吸收電阻+逆變裝置根據(jù)各個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)，一旦確認(rèn)列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)吸收過(guò)程。在控制系統(tǒng)中設(shè)置 2 級(jí)判斷基準(zhǔn)值，當(dāng)電網(wǎng)電壓升至到第1級(jí)判斷電壓時(shí)，系統(tǒng)首先投入逆變吸收裝置，逆變裝置把列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成AC400V 電壓，自動(dòng)跟蹤 AC400V 母線電壓，并向負(fù)載供電，將再生能量消耗在用電設(shè)備上；一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網(wǎng)電壓進(jìn)一步上升，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第 2 級(jí)判斷電壓時(shí)，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動(dòng)能量消耗，穩(wěn)定電壓不再上升，確保列車充分有效利用電制動(dòng)。目前，此種方式運(yùn)用于重慶地鐵 1 號(hào)線、3 號(hào)線、 6 號(hào)線及南京地鐵 1 號(hào)線。

圖 1 電阻 + 逆變型（回饋至低壓 400 V）

1.2電阻 + 逆變型（回饋至中壓35 kV ）

電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）回路原理如圖 2 所示，回饋?zhàn)兞髌鞯闹绷鱾?cè)通過(guò)直流饋線柜與二極管整流機(jī)組的直流 1 500 V 母線相連，變流器的交流輸出端連接 1 kV / 35 kV 回饋?zhàn)儔浩鳎ㄟ^(guò)高壓氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）后并入 35 kV 電網(wǎng)。其中逆變型裝置安裝于牽引變電站內(nèi)，電阻一般為車載電阻，其工作原理與回饋至 AC400V 基本相同，即一旦確認(rèn)列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)吸收過(guò)程。吸收過(guò)程中，逆變吸收裝置首先投入工作，將列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量逆變成 35 kV 電壓送入電網(wǎng)供其他列車及負(fù)荷使用，在逆變吸收消耗不了該能量時(shí)，逆變器轉(zhuǎn)為恒功率輸出額定容量模式，同時(shí)將車載電阻投入工作，共同消耗多余能量。該方式在確保列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，能夠充分有效利用再生制動(dòng)的能量。此種方式在線路批量應(yīng)用時(shí)可以取消車載電阻。目前，這種方式已運(yùn)用于北京地鐵、廣州地鐵等。

圖 2 電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）

2　電阻+逆變型回饋的優(yōu)缺點(diǎn)

采用電阻+逆變型回饋的模式，無(wú)論是回饋至低壓400 V，還是回饋至 35 kV 中壓系統(tǒng)，產(chǎn)品的工作原理基本一致。2 種模式兼具有電阻能耗及逆變回饋的優(yōu)點(diǎn)?？傮w特點(diǎn)為：①并網(wǎng)電流諧波小，電流畸變率可達(dá)到總諧波失真（THD）小于 3%；②動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，由于采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）開(kāi)關(guān)以及數(shù)字信號(hào)處理和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（DSP/FPGA）等數(shù)字處理器，系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間（檢測(cè)到動(dòng)作時(shí)間）為微秒級(jí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（從 0 至輸出額定功率的時(shí)間）最快可實(shí)現(xiàn) 100 ms 以內(nèi)；③整機(jī)特性較好，功率因數(shù)不低于 0.99。此外，回饋至 400 V 與回饋至 35 kV 又各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1采用電阻 + 逆變型（回饋至低壓 400 V）的模式

該模式是將再生能量逆變回饋到 400 V 低壓電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。同時(shí)考慮在列車制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大再生能量，結(jié)合電阻吸收多余能量，從而確保列車制動(dòng)平穩(wěn)。該模式具有以下特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，再生制動(dòng)能量通過(guò)逆變器輸出，經(jīng) 400 V 工頻變壓器隔離后并聯(lián)至交流母線，直接供變電房?jī)?nèi)空調(diào)、照明等系統(tǒng)使用；②該方案成本較低，回饋 400 V 系統(tǒng)不需要高壓 GIS 開(kāi)關(guān)柜并網(wǎng)，同時(shí)采用較低電壓等級(jí)的器件、電纜等也會(huì)相應(yīng)降低成本。

缺點(diǎn)：①列車制動(dòng)屬于間歇式，無(wú)法提供穩(wěn)定的用電負(fù)荷，故只能供給 3 類負(fù)荷；②容量相對(duì)較小，僅可供本車站牽引配電房的空調(diào)、照明等系統(tǒng)使用，效率相對(duì)較低；③由于低壓配電變壓器容量相對(duì)較小，因此，該模式并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大。

2.2采用電阻 + 逆變型（回饋至中壓 35 kV）的模式

相對(duì)于前者，該模式回饋效率更高，近幾年，國(guó)內(nèi)已成功攻克各種技術(shù)難題，并成功運(yùn)用，符合城市軌道交通綠色出行的要求。該模式具有以下特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：①回饋功率更大，整體節(jié)能效果更好，由于35 kV 系統(tǒng)容量更大，因此，該模式下配備更大功率的逆變回饋時(shí)，回饋能量不僅可供本系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷使用，同時(shí)可供 35 kV 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的其他站點(diǎn)牽引及一般負(fù)荷使用；②再生制動(dòng)能量回饋至 35 kV 系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的沖擊性更小；③逆變回饋裝置可以具有更高的效率；④逆變回饋裝置具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，可補(bǔ)償系統(tǒng)中最高達(dá) 2 MVar 的感性或容性無(wú)功；⑤抑制直流側(cè)過(guò)壓的能力更強(qiáng)。

缺點(diǎn)：①設(shè)備的成本相對(duì)較高，由于回饋到中壓系統(tǒng)，裝置的體積及成本相對(duì)都較高；②實(shí)現(xiàn)及保護(hù)方式相對(duì)復(fù)雜。

2.3運(yùn)行能耗測(cè)算對(duì)比

回饋至 400 V 系統(tǒng)與回饋至 35 kV 系統(tǒng)的能量大小取決于逆變裝置的容量等級(jí)。

以南京地鐵為例，選取 1 號(hào)線安德門(mén)站作為試點(diǎn)，采用回饋至 400 V 的方式，設(shè)計(jì)加裝了 1 臺(tái) 1 500 V、600 kW 低壓逆變裝置。自 2015 年 1 月 8 日正式投用以來(lái)，運(yùn)行情況良好，平均每日吸收回饋電量約 1 000 kWh，按 0.845 1 元 / kWh計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)約 30 萬(wàn)元。

回饋至中壓 35 kV 的方式，從已投入使用的某城市地鐵能耗數(shù)據(jù)來(lái)看，安裝 1 臺(tái) 2 000 kW 的能量回饋裝置后，日實(shí)測(cè)最大節(jié)電量可達(dá) 1 800 kWh左右，可推算每年節(jié)電量超過(guò) 65 萬(wàn)kWh，每年節(jié)約電費(fèi)約 55 萬(wàn)元。假定安裝了更大的能量回饋裝置（2.5 MW 或 3 MW），整條線路 1 年可節(jié)約電能 1 000 萬(wàn)kWh左右，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3　項(xiàng)目運(yùn)作的方式

以南京地鐵為例，由于前期回饋至低壓 400 V 逆變裝置，試點(diǎn)情況較好，具備推廣應(yīng)用條件，計(jì)劃選取 S8號(hào)線高新開(kāi)發(fā)區(qū)、雄州、S1 號(hào)線翔宇路南、佛城西路4 個(gè)車站進(jìn)行安裝。南京地鐵準(zhǔn)備采用的加裝改造方式為合同能源管理（EPC）模式，可以獲得最佳節(jié)能收益。合同能源管理是一種節(jié)能合作模式：首先由乙方出資，對(duì)甲方設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造，使甲方獲得節(jié)能收益。然后甲乙雙方約定分成比例，每年按分成比例，由甲方支付給乙方節(jié)能分成款，用于抵充項(xiàng)目合同款，直至合同款付完。相對(duì)于傳統(tǒng)的由甲方進(jìn)行投資實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，這種模式具有 3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是甲方不用投資，即可獲得豐厚的每年凈收益；二是因?yàn)橛泄?jié)能收益才能分成，如果項(xiàng)目的節(jié)能效果不佳就不分成，這樣甲方不承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)；三是通過(guò)分成（有條件的分期付款），可以約束乙方對(duì)設(shè)備提供全面的質(zhì)保服務(wù)。

回饋至 400 V 的方案，分成比例若為甲方 20%、乙方 80%（分成比例由雙方談判決定），約 10 年左右合同款可以付完，之后的 10 年甲方獨(dú)享收益。經(jīng)測(cè)算，該項(xiàng)目實(shí)施后，甲方可在第 1 個(gè) 10 年每年獲得 30 萬(wàn)元的節(jié)能凈收益，第 2 個(gè) 10 年每年獲得 150 萬(wàn)元凈收益，在 20 年內(nèi)，總共獲得 1 800 萬(wàn)元凈收益。乙方獲得的收益等于合同金額，約 1 200 萬(wàn)元。由于電氣設(shè)備實(shí)際壽命往往會(huì)大于 20 年，甲方實(shí)際獲得的凈收益會(huì)更多。

回饋至中壓 35 kV 的再生制動(dòng)逆變回饋方案，由于回饋并網(wǎng)的電能更多，節(jié)能收益及投資回報(bào)率都會(huì)相應(yīng)增加，因此，更適合采用合同能源管理的模式。分成比例仍為甲方 20%、乙方 80%（分成比例由雙方談判決定），約 7 年左右合同款可以付完，之后的 13 年甲方獨(dú)享收益。經(jīng)測(cè)算，該項(xiàng)目實(shí)施后，甲方可在前 7 年每年獲得 55 萬(wàn)元的節(jié)能凈收益，后 13 年每年獲得 275 萬(wàn)元凈收益，合計(jì)在 20 年內(nèi)，總共獲得約 4 000 萬(wàn)元凈收益。乙方獲得的收益等于合同金額，約 1 540 萬(wàn)元。由于電氣設(shè)備實(shí)際壽命往往會(huì)大于 20 年，甲方實(shí)際獲得的凈收益會(huì)更多。

2 種回饋方案采用合同能源管理的模式都可帶來(lái)較大的收益。設(shè)備安裝容量越大越適合采用該模式。當(dāng)然，回饋方案也可采用建設(shè)招標(biāo)方式運(yùn)作，由建設(shè)方投資，每年的節(jié)能收益全部歸運(yùn)營(yíng)方所有，該方式對(duì)甲方更有利，可為甲方帶來(lái)非?？捎^的運(yùn)營(yíng)收益。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃提出發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，軌道交通行業(yè)也面臨節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的更高要求，因此，研究并應(yīng)用新型再生制動(dòng)能量吸收方式具有意義重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文著重介紹了城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方式，重點(diǎn)對(duì)電阻+逆變型（回饋至低壓 400 V）和電阻+逆變型（回饋至中壓 35 kV）2 種方式的工作原理進(jìn)行了分析比較，闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并且提出了一種新的項(xiàng)目運(yùn)作方式，即合同能源管理模式，可為后續(xù)新線建設(shè)以及節(jié)能改造提供參考。

［1］ 張?zhí)焱呙窀? 鄭州地鐵1號(hào)線制動(dòng)電阻選型方案分析［J］. 城市軌道交通研究，2014（5）：119-122，130.

［2］ 王玉明. 城市軌道交通系統(tǒng)能耗影響因素的量化分析［D］. 北京：北京交通大學(xué)，2011.

［3］ 新風(fēng)光電子科技股份有限公司. 再生制動(dòng)能量吸收逆變裝置簡(jiǎn)介［G］. 2015.

［4］ 南京亞派科技股份有限公司. 城市軌道交通再生制動(dòng)能量回饋產(chǎn)品簡(jiǎn)介［G］. 2015.

責(zé)任編輯 冒一平

Study on Selection of Regenerative Braking Inverter for Metro Train

Li Yan， Zhang Yan， Rui Guoqiang

This paper briefly introduces the urban rail transit regenerative braking energy absorption modes in China and other countries，makes a comparison and analysis by focusing on the technical performance in 2 ways and the applications of resistance + inverter （feedback to the low voltage 400 V） and resistance + inverter （back to medium voltage 35 kV）. It further calculates the energy saving effect， and puts forward some recommendations on its operation mode.

metro train， regenerative braking，inverter， feedback

2016-03-08

李研（1978—），男，工程師