电阻–逆变混合型制动能量吸收装置应用研究

电阻–逆变混合型制动能量吸收装置应用研究

1 概述

地铁车辆的再生制动能量处理方式，从车载电阻装置改为地面电阻消耗型能量吸收装置有很好的工程总体效益。此方式设备简单，造价低廉，技术可靠，得到了广泛应用，但是这种方式只能通过发热将再生能量“烧”掉，浪费了大量电能。不仅增加了大笔运营费用，也与国家“节能减排”的方针相悖。

而对于该部分能量的回收利用，是一个非常有意义的课题。根据地铁的电网特征，可以尝试将制动能量回馈逆变成AC400V电源为配电系统的负荷所用；而为保证整个列车制动的可靠性，将电阻吸收作为逆变吸收的后备方式。这种电阻–逆变混合型制动能量吸收方案是基于目前国内外技术水平而提出的一种技术应用创新方案。该方案将电阻的可靠性和逆变的先进性结合起来，在保证列车电制动可靠进行的基础上，最大程度地实现再生电能的回收利用，且把设备造价控制在用户容易接受的范围内。

2 基本原理

电阻–逆变混合型制动能量吸收装置由隔离开关柜、斩波控制柜、逆变控制柜、电阻柜、隔离变压器柜等部分组成，具体功能如下：

隔离开关柜：执行能量吸收系统与直流电网的接通和分断、承担系统的滤波功能。

斩波控制柜：执行能量吸收设备的控制、保护与监控；执行与上级控制系统的通信；执行能量吸收设备投入与退出判断；承担电阻吸收能量时的控制。

逆变控制柜：执行逆变能量吸收；自动跟踪并网；根据直流电网电压的变化调节逆变输出电流。

电阻柜：执行电阻吸收能量时再生能量的消耗。

隔离变压器柜：执行直流电网与400V交流电网的隔离。

图1 电阻‒逆变制动能量吸收装置原理图

当列车再生制动时．电压升高到需要外部设备来吸收时，电阻‒逆变混合型制动能量吸收装置(以下简称：混合型装置)启动。逆变器率先投入，将再生电能逆变成三相交流电并馈人车站40OV配电网，由动力照明负荷利用。当列车制动能量较大，再生能量超出逆变器容量时(表现为线网电压升高至某一限值)，电阻投入，与逆变器共同吸收再生能量；当再生能量下降至逆变器吸收范围内时(表现为线网电压下降到某一限值)，电阻退出，仍由逆变器独自吸收再生能量。当线网电压下降至无需外部设备吸收再生电能时，混合型装置系统停止吸收。装置根据再生能量的大小自动调节吸收电流的大小，维持线网电压恒定。线路上无车辆制动或制动能量不超过吸收启动值时，装置不启动。在制动能量吸收的过程中，逆变器始终工作，而电阻只是作为逆变器的功率补充，在逆变器达到容量最大值后才启动，绝大部分制动能量由逆变器回馈至400V电网，实现了大部分能量的回收。

3 关键技术和创新点

3.1 再生制动能量逆变回馈点的电网的选择

再生制动能量逆变回馈点的电网的选择是独具特色的。部分国内外厂家所开发的不同形式的逆变能量回馈装置均采用的、直接回馈至10kV／35kV等中压电网的做法，由于系统安全、回馈质量和造价等因素未能实现大规模应用。从运行安全因素上说，中压电网出现故障后造成的影响可能不是一个牵引所，而是一个区域。另外，逆变回馈会在电网中增加谐波因素，造成电网的供电质量下降。国家对电能质量有严格的指标，而要在高压电网上采取技术措施消除谐波则投资较大，对其技术、经济性产生不利的影响。

采用回馈至400V电网的方式则能够较好地避免该问题。首先，将来自车辆的再生制动能量回馈至变电所的低压电网，并且有一定容量的消耗电阻作为备份，其运营安全性得到了充分的保障；同时，通过各种技术措施的应用，保证了逆变回馈至低压电网的质量指标完全满足相关国家标准的要求。通过运营试验证明，这样做不会对同一电网上的其它用电设备产生不良影响，包括对供电质量要求比较苛刻的通信和信号设备。

3.2 再生制动能量吸收投入判断技术

再生制动能量吸收设备工作的好坏在于如何准确、快速地判断线网上是否有列车处于再生制动状态且其能量不能被其它用电设备所吸收；高精度、高准确性的判断技术是整套设备的关键所在。根据国外相关资料介绍，这类判断技术主要有直流侧电压判断、电网电流极性判断两种方式。但根据我国的供电环境，单一的判断方式难于满足。因为直流侧电压变化范围大，单一方式将造成电网波动高时的误投入。所以我国采用了交流侧与直流侧电压相对比较的判断方式，从而有效地确定了能量吸收设备投入工件的依据，而在车辆处于牵引或惰行时，能量吸收设备不会投入工作。为以防万一，本系统还设置了电流极性判断，当车辆不向电网索能且电网电压高于空载电势时，则可准确判断在线车辆处于再生制动状态。

3.3 大容量低压变流器的实现

要得到大电流输出，可有不同的方案选择。

3.3.1 采用大功率IGBT器件

这种方案功率器件少，电路结构简明，工艺处理上相对简便。然而这一方案存在一个致命弱点，载波频率较低，要得到谐波很小的输出电流，即滤除调制过程中产生的高次谐波，输出滤波器的实现比较困难。鉴于这一原因，采用开关速度比较快的、较小容量的IGBT做主功率器件。

3.3.2 采用多个小功率IGBT器件并联输出

多个IGBT并联，可提高输出容量，但采用多个IGBT并联工作时，必须采取有力的措施，实现并联器件的动态均流。并联器件过多，就难以得到满意的均流效果；并联器件越多，并联效果就越差，器件降额就越大。因此，多个器件并联，容量增大的效果就要打不少折扣。对于这样的电路结构而言，整机的工作可靠性也将受到均流效果的限制；另外，按照这种方法的载波频率也不能做得足够高以实现很小的高次谐波。

3.3.3 采用变流单元并联输出

鉴于IGBT模块并联工作的局限性，采用多个变流单元并联工作得到大电流输出。在各个变流单元并联时，各单元均经过一个限流电抗再与其它单元并联，限流电抗即起到强制均流的作用。除此之外，在每个单元中均设置限制最大输出电流的措施。这样即可保证整机的可靠运行。

基于以上分析，采用了多个单元并联的方案，同时，将已运用成熟的技术创造性地整合，使逆变装置具有以下下优点：

(1)每个变流单元均可独立工作，各个并联单元互为冗余。当并联单元中个别单元发生故障时，可将故障单元切除，其余单元可正常工作，这样就大大地提高了整机运行的可靠性。

(2)并联的各个变流器采用载波移相调制，从而大幅度地提高了等效载波频率，并可大幅度减小总输出电流中的高次谐波，容易得到总谐波很小的正弦波电流。理论分析及实践都表明，并联单元数越多，输出高次谐波可以做得越小。

3.4 低感能量吸收电阻的设计、制造技术

能量吸收电阻是整套装置的主要能量吸收功率器件。当车辆再生能量很大时，逆变吸收(装置)不能完全吸收能量时，电阻能量吸收单元立即投入工作，将多余的再生能量消耗掉。为了减少分布电感对系统的影响，采用了非磁性材料Ni–Cr电阻带并将其设计成波形电阻。整个电阻带采用模具成型，即保证了抗瞬时电流冲击，又保证了发热不变形。考虑到维护、