摘要

    针对地铁运行时刹车过程所产生的再生制动能量的不同吸收方案进行了分析对比，对亚派科技再生制动能量回馈装置A-RPF（以下简称亚派能馈装置）的工作原理及技术创新点进行了详细阐述，并给出了实验数据及性能参数表。通过实例对安装能馈装置前后的能耗情况进行了对比分析。结果表明，所研发的能馈装置具有功率大，效率高，THD小，功率因数高等优势，可为地铁运营产生巨大的节能效果。

一 概述

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，其中约一半的电能消耗在车辆的牵引供电及刹车制动系统中。列车进站制动刹车过程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%^[1]，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。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。

传统的再生制动能量吸收方案多采用电阻耗能型的方案，其实现简单，但是没有对再生的电能加以利用，同时电阻一方面会增加占地面积或增加车重，另一方面电阻发热又会带来环控设备的压力，该方案不符合节能降耗的目的。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，三种方案的优缺点对比如表1所示。

表1 新型再生制动能量吸收方案对比

从上表可见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发展趋势。基于此，亚派科技针对逆变回馈型的吸收方案进行开发及测试工作。

二 工作原理及技术特点

2.1 工作原理

如图1所示，亚派能馈成套装置由直流开关柜、中压开关柜、逆变柜A-RPF、回馈变压器等组成，成套装置与现有整流牵引装置（由整流变+二极管整流器组成）并联，并具有四象限运行功能。在列车刹车过程中，装置根据各传感器检测信号综合判断，一旦确认列车处于再生制动状态，立刻启动能量吸收过程，把列车制动时产生的能量回馈到中压电网，供其他负荷使用，在刹车过程结束后装置自动判断并关闭能量吸收过程。

成套装置还具有辅助牵引功能和无功补偿功能，在列车组在启动和加速阶段，成套装置可以与现有牵引装置并联给列车供电，提高牵引网的供电电能质量。在夜间列车停车后，成套装置可以输出感性或者容性无功功率，提高供电系统的功率因素。

图1 再生制动能量回馈系统图

2.2 技术特点

相对于国内外的同类产品，亚派能馈装置在主电路及软件控制算法等多方面进行了创新和优化，提升了系统的可靠性和各项功能性能，主要技术特点包括以下各方面：

1.采用高可靠性的三相H桥变流器拓扑

    主电路采用三相H桥的电路拓扑，开关器件选用进口3300V牵引级IGBT，相对于传统三相半桥两电平/三电平拓扑，该电路具有输出电压高、可靠性高、装置容量更大的优点；同时，通过采用单极倍频技术，可将开关频率f的变流器输出等效频率为2f的三电平脉冲波形，在减少输出电流的谐波含量、减小滤波器体积的同时，保持较低的实际开关频率，因此整机的损耗较小，效率更高。

图2 三相H桥变流器拓扑结构

2.采用高性能的LCL三阶滤波器。

    目前通常的并网逆变器网侧使用单电感滤波或者采用高阻抗变压器滤波，其滤波器结构简单，但造成电感或变压器体积大，且对于高次谐波的滤除衰减率仅为-20dB/10倍频程，其滤波效果不好，开关频率及其倍数的高次谐波会大量流入电网，对电网造成污染。亚派能馈装置采用了性能更为优越的LCL三阶输出滤波器，其频率特性如下图所示，对于高次谐波的滤除衰减率为-60dB/10倍频程，滤波效果更好。另外，在设计时网侧滤波电感则借助于回馈变压器自身漏感，这样既节省了后级的滤波电感，又减小了逆变器侧滤波电感的体积，同时达到增强滤波的效果。试验效果表明该滤波器对高次谐波具有良好的滤除能力。

图3 LCL三阶滤波器的频率特性

3.基于抑制电网扰动的双闭环控制策略

   如图4所示，亚派能馈装置采用了双闭环控制策略。电压外环调节器采用比例积分调节器(PI)，实现对直流侧电压的准确控制，同时通过软件锁相环实时检测交流电网电压的频率、幅值和相位，通过检测电网相位来控制输出参考电流的相位，从而实现有功无功的独立控制。内环电流环采用比例谐振调节器（PR），实现对并网输出电流的无差跟踪指令和波形优化输出。同时，交流电网电压前馈的引入可以加快对电网电压扰动的响应速度，提高系统的抗干扰能力。

    电压外环、电流内环控制器均基于准确的变流器和电网模型进行设计及验证，因此在系统稳定性、快速性以及稳态精度方面实现了最优化控制。

图4 亚派能馈装置双闭环控制框图

三 实验验证

   亚派能馈装置通过了铁道部产品质量监督检验中心的第三方检验，关键性能指标及及波形数据如表2和图5所示。检验结果表明：亚派能馈装置具有整机功率大，装置输出电流电压的THD低、功率因数高、响应时间快、整机效率高、功能强大等优点。

表2 主要功能/性能列表

并网电压电流波形    

额定容量下的并网数据    

装置并网启动时刻波形   

不同输出功率下的效率曲线

图5 亚派能馈装置试验波形/数据图

四 节能效益分析

    以某市地铁线路为例，评估加装能量回馈逆变装置的节能效果。该线共17个站点，其中16个牵引变电站，列车单线发车间隔时间为7min，该线配有26辆车，每辆车为4动2拖。据统计每个站之间牵引供电耗电平均约30度，其中约60%电能做功消耗掉，其余约40%电能会再生制动回到直流电网。

未加装能量回馈逆变装置前，每列动车上配有一个电阻制动系统，制动电阻重量约500公斤，电阻配备的散热风机功率为1.4kW。以地铁每天运营16小时，计算可得每年该线的牵引制动系统消耗的电能如表3所示。

                 表3 未加能量回馈装置的列车用能分布表

    在该线16个牵引站都安装一套2.5MW的亚派再生制动能量回馈成套装置后，带来的收益分为两个部分：一部分是A-RPF吸收回馈80%的再生制动电能带来的直接收益；另一部分是加装A-RPF后可以减少50%的制动电阻系统及其散热风机，每减少一吨车重一年约可减少牵引耗电1万度。假设能量回馈装置损耗为2.5%，这样可以得到加装能量回馈装置后该线的牵引制动耗能情况，如表4所示。

表4 安装能量回馈装置的列车用能分布表

     可以看出，在该线路加装16台能量回馈装置后，牵引制动系统的能耗从4891万度减少到3319万度，减少了32%左右，一年可节约电能1500多万度电。折算到单台2.5MW的再生能馈装置，一年可回收利用的电能约100万度。

五 总结

亚派再生能馈装置该装置在主电路拓扑设计、控制算法优化等多方面进行了创新研究，能馈装置通过了权威部门的第三方检测，装置目前已经在南京宁天城际线路成功并网运行，结果表明亚派能馈装置具有单机容量大，效率高，THD小，功率因数高等优点。通过节能效益分析可以看出，装置节能效果可观，可为地铁运营带来巨大的节能效益。

参考文献：

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京，机械工业出版社，2008.

[2]刘炜.城市轨道交通牵引供电系统节能技术[C].2015年第三届中国城市轨道交通系统性节能研讨会.

[3]鲁玉桐.再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通2014.8.

[4]城市轨道交通再生制动能量回馈产品简介.南京亚派科技股份有限公司