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再生能量回馈变流器 在直流牵引供电系统的应用分析
文 / 深圳地铁集团 谢伟2016-10-21 11:13
一、我国城市轨道交通的发展现状
1、城市轨道交通是我们的必然选择
随着经济的持续发展，我国目前的城市化率已突破50％，千人汽车保有量也接近100。因此，在未来，城市问题将会更为集中的体现出来。
按国际通行的标准，机动车速度小于20km/h的时候，可以算作是明显的交通拥堵。
我国一线城市早已出现严重的交通拥堵，而这种拥堵正在迅速向众多的二线城市蔓延。于是，发展城市轨道交通成为了一个必然的选择。
2、迅猛发展的城市轨道交通
我国已经建成并开通运营地铁的城市有北京、上海、广州、香港、深圳、重庆、天津、台北、南京、武汉、大连、苏州、沈阳、成都、长春、杭州、西安、高雄、昆明、郑州、哈尔滨、佛山等22个城市，通车里程已达2700多公里。
由中国土木工程学会城轨委员会等单位编写的２０１３年《中国城市轨道交通年度报告》统计，全国已批准了３６个城市的轨道交通线网规划和建设，总里程达５７９０公里。
3、庞大的城市轨道交通发展规划
截至目前，加上刚刚获批的南通，全国共有43个城市获准建设轨道交通，其中不乏东莞、徐州等二线城市。
未来十年，中国轨道交通市场将建7000公里地铁线，总价值近4万亿元，
4、城市轨道交通对城市的发展影响
轨道交通对于提升城市的吸引力和竞争力也有着明显的效果。西方发达国家的经验表明，轨道交通不仅是解决都市交通拥堵的主要方式，也是一座城市彰显治理水平、成为国际大都市的重要标志。
相关研究表明，每投资1亿元的轨道交通项目，可带动GDP增长2.63亿元，增加8000个以上的就业岗位。如今，在实体经济持续低迷的局面下，建设城市轨道交通对于直接拉动地方经济的作用不言而喻
二、城市轨道交通供电系统概述
1、电力能源是城市轨道交通正常运转的基本保障
1）城市轨道交通牵引供电系统用于为城轨车辆提供电能。
2）城市轨道交通作为城市电网的用户，通常直接从城市电网取得电能。
2、城市轨道交通供电系统的组成内容
城市轨道交通供电系统由主变电所、环网电缆、牵引降压混合变电所及降压变电所、接触网、配电照明等组成。
典型的地铁供电网络系统图如下：
3、降低运营中的电力损耗对城市轨道交通具有重要的现实意义
众所周知，城市轨道交通中，列车依靠电力提供动力。在城市轨道交通运营成本中电力消耗成本约占整个运营成本的40%以上。因此，如何降低运营中的电力损耗对轨道交通具有非常重要的现实意义。对建设可持续发展的节约型社会有着重要的现实意义
三、再生能量吸收装置的种类及应用分析
1、再生制动
在城市轨道交通中，普遍采用直－交变压变频的传动方式，车辆的制动方式为电制动（俗称“再生制动”）+空气制动。运行中以电制动为主，空气制动为辅。
列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。
1）根据经验，当列车发车密度较高时，地铁再生制动产生的能量除了一定比例被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车上附带的制动电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。
2）当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。如果列车发车间隔大于10 分钟时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被列车上附带的制动电阻吸收，变成热能并向四周散发，造成隧道和站内的温度升高。
2、再生制动能量吸收装置
当前世界各国城市轨道交通牵引供电系统仍采用传统的多脉波（通常是24脉波）二极管整流方式。
具有结构简单、易于维护等优点。
其能量只能单向传输，无法回收列车制动时的再生制动能量，造成能量的极大浪费。
有必要专门设置再生能量吸收装置。
再生制动吸收装置类型很多，但最具有代表性的主要有4种类型，分别是电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等四种类型。
3、电阻耗能型再生能量吸收装置
采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式。根据再生制动时直流母线电压的变化状态调解斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将制动能量消耗在吸收电阻上，同时将直流电压稳定在某一设范围。
重庆地铁、北京地铁、广州地铁均有采用。
4、电容储能型再生能量吸收装置
采用IGBT逆变器将地铁车辆的再生制动能量吸收到大容量的电容器组中，当供电区间内有车辆起动或者加速需要取流时，吸收装置将储存的电能释放出去共再利用。
近年来随着国内超级电容技术及再生电能利用技术的飞速发展，已经有多家供货商可以生产超级电容储能型再生能量吸收装置，目前北京地铁已经有用。
5、飞轮储能型再生能量吸收装置
通过对牵引变电所直流母线电压的检测判断，调整飞轮的转速来储存和释放再生电能，同时具有稳压作用。
目前国内尚无成熟产品，国外进口产品价格较贵。
6、逆变回馈型再生能量吸收装置
采用电力电子器件构成大功率三相逆变器，当再生制动使得直流母线电压超过规定值时逆变器从直流母线吸收电流，并将直流电流逆变成工频交流电回馈到交流电网。
根据回馈电压等级和路径的不同，逆变回馈型再生能量吸收装置分为逆变至0.4kV系统和35kV系统两种形式。
再生能量吸收装置综合比较表
四、逆变回馈装置
1、逆变回馈装置的种类：
逆变回馈装置是利用电力电子器件构成逆变器，将直流电逆变成工频交流电馈送回交流电网。
随着电力电子装置的成熟，逆变回馈方式必将取代其它再生制动吸收装置。
典型的逆变回馈装置有低压侧回馈、高压侧回馈以及双向变流器等三种。
1）低压侧回馈方式
低压侧回馈方式是通过自耦变压器回馈到35KV变压器副边
2）高压侧回馈方式
高压侧回馈方式是通过隔离变回馈到回馈到35KV电网
3）双向变流器
双向变流器是将整流器和逆变器两者合二为一。
三种逆变回馈装置的比较表
根据国家规范GB-T10411-2005“城市轨道交通牵引供电系统”的要求，整流器必须具备300%额定功率输出1分钟的过载能力。
目前IGBT等全控件的过载能力均不佳，因而为满足这一要求，必须按300%过载容量作为额定容量进行设计，从而导致设计容量严重偏大。必须采用6重化甚至更多重化的整流器拓扑，造成制造成本急剧增加、严重偏离使用价值。
尽管技术上可行的再生制动能量吸收装置种类很多，除车载电阻制动吸收装置外，并未得到普遍的实际应用。少量的应用也多半出于试验性质，制约因素在于经济成本。
3、对逆变回馈装置今后发展的几点建议：
加大基础产业研发力度，提高IGBT等全控件的过载能力。
根据牵引供电系统正向负荷大、反向再生回馈负荷小的特点，开发带旁路回馈电路的双向变流器。
扩大视野，走产学研相结合道路，充分发挥用户的主导作用，开展各种实际工况下的试验工作，以便早日生产出实用的产品。
来源：本文由深圳地铁集团有限公司 谢伟提供
典型的地铁主变电所主接线图如下：
问题的提出：
2、逆变回馈装置为什么没有得到普遍应用？
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