地铁再生制动能量回馈装置结构 设计

地铁再生制动能量回馈装置结构 设计

李晓天

南京亚派科技股份有限公司 江苏南京 210000

摘要：本文主要分析了当前我国地铁领域的再生制动能量回馈装置，详细探索了这套设备的具体原理，指出其具有多个方面的显著优势与特征，给后续这套设备的全面应用提供了较好的理论基础。在后续的分析中，本文针对地铁再生制动能量回馈装置的相关技术进行了全面深入的分析，同时还探索了这些技术的具体应用细节内容，最终能够较好保证整套装置在地铁领域中得到较好的应用成效，切实提高地铁运作的安全性与稳定性。

关键词；再生制动；能量回馈装置；装置设计；地铁工程

在当前我国各个城市的现代化发展过程中，多数城市的交通压力都出现了显著的提升，同时也成为了制约城市经济发展的重要因素。不仅如此，随着我国城市社会民众车辆拥有数量不断变多，汽车出行引发的环境污染情况也越来越突出。在这种情况下，我国很多城市都开始大力建设地铁项目，不仅仅能够较好缓解城市交通压力，同时也可以显著改善城市的生态环境水平，有着较为显著的现实意义。

地铁交通在具体运作过程中，基本上都穿行在地下隧道环境中，电气牵引的整体空间非常有限，因此很难布设高压牵引体系。不仅如此，在地铁交通运行过程中，交通出行密度通常来说也比较拥挤，地铁车辆的启停相对来说也比较频繁，给地铁电力牵引体系的布设带来了较大的困难。结合当前国内外地铁项目在这方面的实际情况来看，大部分地铁交通都开始贯彻使用直流供电牵引的模式，同时直接通过城市电网体系供电，给地铁交通提供相应的动力。在这之中，电力牵引体系自身的可靠性，在很大程度上影响了地铁交通的稳定性，需要充分引起重视。但结合当前的地铁运作现状来看，直流牵引供电模块也出现了电能损耗较多、电压抬升较大等各个方面的负面问题，需要在后续时间里进行针对性的调整。

在地铁交通的运作过程中，电能消耗的成本占比已经超过了40%。因此在地铁交通运作过程中，如何通过各类可行的渠道降低电能消耗水平已经显得非常重要。而结合当前我国地铁交通的实际运作现状来看，现有电力牵引体系还存在较为显著的不足，不仅无法节省电能消耗，同时还会带来较多不安全因素。在这种情况下，本文提出了再生制动能量回馈装置，并通过这套装置的引入提供稳定的直流网压，最终可以实现降低电能消耗和提高地铁稳定性的战略目的。

一、再生制动能量回馈装置工作原理

整套装置最为重要的模块就是把直流侧能量回馈到交流侧，同时在整套牵引供电体系中增加专门的能量回馈模块，具体原理图如图1所示。

图1能馈式再生能量并网运行原理图

为了更好明确这套装置的具体运作原理，这里也结合回馈至中压35kV的案例展开详细的分析与探索。在具体设计这套装置的时候，不仅仅要充分考量功率需求标准，同时还要积极关注谐波含量要求。基于这些考量，整套装置中可以考虑使用NPC三电平逆变器，最终也就能够显著提高整个装置的整体性能。

回馈装置能够将地铁交通运作过程中产生的制动能量回馈都交流中压网一侧中，贯彻了能量节约与循环使用的相关理念，同时也可以提供相对稳定的电压。这也需要相关技术人员能够先深入了解装置的能量流向情况，具体如图2所示。

图2回馈装置能量流向过程图

整套装置使用了NPC三电平逆变器以后，构建了能量双向流动的整体格局，最终使得整体装置可以划分为整流、回馈和待机三个模块，下面也结合这三个方面进行全面的分析与探索。

整流状态

在地铁交通正常运作过程中，中压网络会提供的电力能源，通过整流模块实现直流供电，给地铁交通提供直流牵引电能。但如果发车密度比较高的时候，就有可能造成直流牵引网压比较低的情况。在引入再生制动能量回馈装置以后，就可以通过能量回馈模块来辅助整流器的工作状态，最终使得电压变得更加稳定，提高地铁运作的质量。

回馈状态

在能量回馈模块工作以后，就会根据启动时序闭合图中的开关器等模块，最终使得装置进入待机状态。而在待机的时候，装置通过传感器都构件就可以对电压、电流等各类信息进行实时检测。通常来说，当直流侧母线电压超过相应阈值的时候，再结合电流极性等信息判定地铁制动状态，接着将制动能量回馈到交流中压网侧。

待机状态

在回馈模块检测到直流网压比较低，并且装置直流侧电流出现反向流动的时候，说明地铁列车的制动状态已经全面结束，开始进入牵引状态。由于地铁交通在牵引状态下需要较多的电能，并且电能总量远远超过了回馈总量。因此这个时候回馈装置将会不再运行并进入待机状态。

综合来看，整套装置运作以后，实现了能量回馈与牵引整流的相互配合，不仅仅能够保证地铁运行牵引的稳定性，同时也实现了能量的循环使用，显著节省了电力能源，具有较为显著的综合应用成效。

二、再生制动能量回馈装置总体结构设计

整套装置的核心功能就是将牵引体系中的再生制动能量回归到中压交流网体系中，可以较好实现电能的节约使用，同时也提高了电力牵引的稳定性，充分保证地铁交通运作的安全性。整套装置的结构具体如图3中的虚线区域所示。

图3再生能量逆变回馈总体结构原理图

通常来说，主电路变流系统可以分为NPC三电平逆变器、滤波器、开关器、传感器等各类构件。这里也简单介绍一些关键设备的具体用途。NPC三电平逆变器的主要作用就是实现电流的逆变、回馈等功能，是整套装置的核心部分，同时在很大程度上也关系着装置的运行成效。而滤波器则主要目的主要是处理逆变器交流侧电流中存在的大量谐波，提高解决谐波总量较高的问题。隔离变压器的使用则是为了有效避免某一个桥臂发生短路等各类故障以后，会直接影响整套装置的顺利稳定运作。这主要是因为隔离变压器的电气隔离作用能够较好避免故障桥臂带来的负面影响。整流变压器则能够实现低压侧的电能转变到中压交流网体系中，实现装置的能量回馈作用。传感器设备则用来采集相关线路和其他关联场景中的各类信息，能够给装置运作提供较好的数据支撑。

控制系统主要可以分为信号处理模块和驱动控制模块。其中前者主要是将采集设备中获取的各类信号进行初步处理与转化，给后续使用信号提供较好的支持。而后者则依照控制信号的内容来进行控制策略的执行。在本文进行的装置设计中，主要使用了SVPWM控制模块。这套控制方式也具有多个方面的特点，下面也进行综合的阐述。

（1）装置每一次的开关状态都只会关联一相桥臂，显著降低了的开关构件在使用过程中发生的损耗情况；

（2）逆变器设备的电能输出质量跟矢量作用时间有着非常显著的关联，在作用时间比较小的时候，电能输出质量也比较高。但如果着重减少作用时间，也会显著增加设备构件的损耗。

（3）在全面使用SVPWM控制模块以后，整套设备的电能利用率也能够显著提升。

（4）整个控制模块的实现比较方便与简单，具有较为显著的综合效益。

三、结语

综合来看，在全面引入再生制动能量回馈装置以后，整个地铁交通系统的运作就变得更加稳定，同时也可以较好实现电能的节省，具有较为显著的综合效益。在这种情况下，我国各个城市地区在地铁项目设计与建设的时候，都应该充分关注这套装置的全面应用。而对于地铁设计人员和技术人员来说，在后续时间里也应该加强对于这套装置的深入了解，同时还要积极搜集一些项目实践经验，提高这套装置的应用成效，给我国地铁交通的运作提供稳定的支撑。

参考文献

[1]陈治国,刘伟,张攀攀,宋少波,石丽芳.轨道交通再生制动能量回馈装置的设计与实现[J].企业技术开发,2019,38(05):22-26.

[2]王文清.地铁再生制动能量回馈装置控制系统设计及应用[J].机电信息,2018(30):46-47.

[3]仇志凌,胡磊磊,李锦,刘定坤,陈蕾,张明.兆瓦级中压电网的地铁再生制动能量回馈装置优化[J].城市轨道交通研究,2018,21(06):55-58.