摘要     針對地鐵運行時剎車過程所產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）的工作原理及技術創(chuàng)新點進行了詳細闡述，并給出了實驗數據及性能參數表。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

 摘要

    針對地鐵運行時剎車過程所產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）的工作原理及技術創(chuàng)新點進行了詳細闡述，并給出了實驗數據及性能參數表。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，功率因數高等優(yōu)勢，可為地鐵運營產生巨大的節(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成熟度高、能量轉換效率高、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域的發(fā)展趨勢?；诖耍瑏喤煽萍坚槍δ孀兓仞佇偷奈辗桨高M行開發(fā)及測試工作。

二 工作原理及技術特點

2.1 工作原理

如圖1所示，亞派能饋成套裝置由直流開關柜、中壓開關柜、逆變柜A-RPF、回饋變壓器等組成，成套裝置與現有整流牽引裝置（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，裝置根據各傳感器檢測信號綜合判斷，一旦確認列車處于再生制動狀態(tài)，立刻啟動能量吸收過程，把列車制動時產生的能量回饋到中壓電網，供其他負荷使用，在剎車過程結束后裝置自動判斷并關閉能量吸收過程。

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，成套裝置可以與現有牽引裝置并聯(lián)給列車供電，提高牽引網的供電電能質量。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 技術特點

相對于國內外的同類產品，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，可將開關頻率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橋變流器拓撲結構

2.采用高性能的LCL三階濾波器。

    目前通常的并網逆變器網側使用單電感濾波或者采用高阻抗變壓器濾波，其濾波器結構簡單，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，開關頻率及其倍數的高次諧波會大量流入電網，對電網造成污染。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，在設計時網側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)調節(jié)器采用比例積分調節(jié)器(PI)，實現對直流側電壓的準確控制，同時通過軟件鎖相環(huán)實時檢測交流電網電壓的頻率、幅值和相位，通過檢測電網相位來控制輸出參考電流的相位，從而實現有功無功的獨立控制。內環(huán)電流環(huán)采用比例諧振調節(jié)器（PR），實現對并網輸出電流的無差跟蹤指令和波形優(yōu)化輸出。同時，交流電網電壓前饋的引入可以加快對電網電壓擾動的響應速度，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

    電壓外環(huán)、電流內環(huán)控制器均基于準確的變流器和電網模型進行設計及驗證，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品質量監(jiān)督檢驗中心的第三方檢驗，關鍵性能指標及及波形數據如表2和圖5所示。檢驗結果表明：亞派能饋裝置具有整機功率大，裝置輸出電流電壓的THD低、功率因數高、響應時間快、整機效率高、功能強大等優(yōu)點。

表2 主要功能/性能列表

并網電壓電流波形    

額定容量下的并網數據    

裝置并網啟動時刻波形   

不同輸出功率下的效率曲線

圖5 亞派能饋裝置試驗波形/數據圖

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。

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)及其散熱風機，每減少一噸車重一年約可減少牽引耗電1萬度。假設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

亞派再生能饋裝置該裝置在主電路拓撲設計、控制算法優(yōu)化等多方面進行了創(chuàng)新研究，能饋裝置通過了權威部門的第三方檢測，裝置目前已經在南京寧天城際線路成功并網運行，結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：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京，機械工業(yè)出版社，2008.

[2]劉煒.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)節(jié)能技術[C].2015年第三屆中國城市軌道交通系統(tǒng)性節(jié)能研討會.

[3]魯玉桐.再生制動能量吸收裝置在北京地鐵中的應用[J].都市快軌交通2014.8.

[4]城市軌道交通再生制動能量回饋產品簡介.南京亞派科技股份有限公司