1目的及意义

到目前为止，二十一世纪已经过去二十个年头了。回想起二十世纪九十年代，你会感觉到在这二三十年里，我国发展之快，从一个贫穷落后的国家发展成为一个世界前三的世界级大国经济体。随着我国经济如同火箭般的高速发展，国民的追求由温饱方面向精神方面前进。人民饭饱茶足之下，更多的关注生活环境问题。然而，经济的发展往往伴随着各种各样的问题，尤其是大气污染和交通堵塞问题。北京的雾霾以及百度地图上的那一条深红的线，往往令人感到无奈。城市居民的生活质量都因为严重的环境污染及交通堵塞问题而大大下降，所以，城市轨道交通这种既方便快捷又环保绿色的交通工具是时候建立起来了。城市轨道交通，也就是俗称的地铁，其具有低噪音、快捷舒适、载客量大、节省陆地空间、一天内运行时间长、次数多等优点，是大城市缓解城市交通堵塞问题的最佳选择，也是大城市发展公共交通的根本方针。在我国政策的引导及各城市的努力下，我国地铁得到了高速稳定的发展，无论是建设规模还是发展速度都是世界城市轨道交通发展史上不曾有过的。

从1863年伦敦建成世界上第一条地铁开始，到现在已经有150多年的历史了，世界上超过了50个国家的300多个城市建设了地铁，其长度达数万公里。随着地铁的发展，有关于地铁的技术得到了极大的进步与创新。现在地铁的发展已经基本上集中在速度、舒适程度、安全可靠以及节能环保上，其他的就不讨论了，本文主要讨论如何节能。因地铁具有低噪音、快捷舒适、载客量大、节省陆地空间、一天内运行时间长、次数多等优点，符合我国可持续发展要求，对于大城市这种人多地少经济又好的地方来说非常合适建立轨道交通网络。但随着地铁的飞速发展，地铁的耗电量也有很大幅度的提高。截至2017年底，我国运营轨道交通总里程约4000公里，有2700多座车站。据规划，全国地铁总历程未来将达到1.4万公里，涉及80个城市。未来预计年耗电将达400亿度, 约占未来全国总电耗的5‰以上，如何降低地铁车站电耗已成当务之急。所以，现在当务之急是如何建设一个节能环保的城市轨道交通体系。而对于地铁交通体系，列车制动能量是巨大的，因此，研究如何把制动能量回收利用可以高效的达到节能这个目的。

到目前，国内外地铁制动能量回收方案主要分为四种类型：电阻消耗型、电容储能型、飞轮储能型以及逆变回馈型。

电阻消耗型：通过电阻吸收地铁制动时所形成的能量。这种制动能源吸收方式简单方便、技术成熟、便宜等特点。但是这种吸收方式往往会让制动能量浪费在电阻热上，使得大量的制动能量不能得到充分利用，不仅如此，制动能量变成了热量，使隧道的温度大大提高和空气质量下降严重影响到隧道内的列车和乘客，而且需要很多风机来降温，进一步消耗能量。

电容储能型：利用超级电容来吸收地铁制动时所形成的能量。这种制动能源吸收方式有效的储存制动能量，而且对超级电容的维护也极为方便，但超级电容的体积太大了，在隧道这种地府反而不好。国内对超级电容的开发研究还不足应用于地铁上，所以只能从国外进口，主要有德国西门子研发生产超级电容储能装置。此外，有一些制动能量过大的线路，超级电容的效果不是很好。

飞轮储能型：通过飞轮的动能来吸收地铁制动时所形成的能量。这种制动能源吸收方式节能效果良好，但飞轮储能并没有在国内有应用的实例，如果要用这个方案，只能进口了，在国外，英国的UPT电力公司研发生产了成套的飞轮储能装置。

逆变回馈型：将列车制动能量回馈给电网，可以最大效率的利用回馈能量。在国外早就对逆变回馈装置的应用有了很深的研究，德国西门子和日本已研发出成套装置。国内对PWM变流器的逆变技术研究已经很成熟了，但PWM变流器技术在地铁供电系统的应用起步较晚，目前还没有广泛应用。

地铁采用的再生制动能量处理的四种方案，除了电阻消耗型外，其余三种方案都充分利用了再生能量，但也有各自的缺陷。逆变回馈型再生制动能量吸收装置可以将列车制动能量逆变后回馈给中压电网，达到节约能源、改善环境的目的，符合国家节约能源的基本国策。如果能在国内地铁广泛采用此项技术，必将产生巨大的经济和社会效益。因此，建立精确的仿真模型，研究基于逆变回馈的再生制动能量吸收装置，是十分必要的。

2. 研究的基本内容与方案

2研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的基本内容及目标

城市轨道交通工程中，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（再生制动） 机械制动，运行中以电制动为主，机械制动为辅。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。目前国内的城市轨道交通主要是采用电阻能耗吸收装置处理列车运行过程中的再生能量，不仅浪费能量，也增加了站内空调通风装置的负担。此外制动电阻如装在车上，也会增加车身重量，使得城轨建设费用和运行费用增加。逆变型能量回馈型吸收装置的优点是单机容量大，占地面积少，可完全利用富裕的列车再生制动能量，节能效果较好，并可减少车载制动电阻容量，其能量直接回馈交流电网供其他设备使用，不需要配置储能元件，也不存在电阻发热问题，对环境影响小，易于维护。通过阅读文献，了解应用于地铁再生制的动能量回馈变流器工作原理及其组成结构，构建其DC_AC仿真模型。该装置的额定功率为500kW，要求直流母线电压等于1500Vdc，输出三相三线制，线电压800Vac，输出电压波动性：≤5%，同时输出电流波动性：≤10%，并网电压为10kV（需要逆变器输出端接三相升压变压器）。本毕设需要建立完整拓扑，对关键性器件进行选型与计算，要分别对开环模型与闭环模型进行仿真分析。

2.2四种地铁再生制动能量吸收方案的研究

2.2.1电阻消耗型

电阻耗能型再生制动能量吸收装置可以检测到牵引网电压超过设定值时启动，将过量电能消耗在制动电阻上。该装置采用斩波器和吸收电阻配合，有效消耗该部分的能量，根据吸收功率的大小及牵引网电压的变化状况自动调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，维持牵引网电压恒定，以免牵引网电压过高而损坏。但是只是对再生能量进行消耗，并没有真正做到节能或能量再利用的效果。电阻消耗型再生制动能量吸收装置如图1所示。