電力電子技術輔助鐵路行業(yè)的發(fā)展

隨著電氣化鐵路在全球范圍的快速推進，大城市中成熟的地鐵和輕軌網(wǎng)絡帶來了巨大的動態(tài)電負荷，對電網(wǎng)質量形成挑戰(zhàn)。鐵路供電系統(tǒng)中廣泛使用的速度驅動器、功率轉換設備和頻率轉換器產生諧波污染，影響整個電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，最新的電力電子技術發(fā)展，如IGBT、IPM模塊，使得電力系統(tǒng)的高效度與靈活調控成為可能，為鐵路電氣化帶來革新，在牽引變壓器、輔助電力系統(tǒng)、能量回收制動等多個方面實施應用。

【1】電力電子技術在鐵路系統(tǒng)中的應用概況

自19世紀初以來，電力電子技術歷經(jīng)百余年的發(fā)展，逐漸演變至今天廣泛應用于鐵路系統(tǒng)中。從汞弧整流器、熱陰極管到晶閘管和IGBT，電力電子技術始終是推動牽引車輛和供電系統(tǒng)革新的核心動力。現(xiàn)代化鐵路中，牽引變壓器、輔助電源、整流器、再生制動和電壓調節(jié)等多個關鍵環(huán)節(jié)，都離不開高效的電力電子轉換器的支持。

【2】牽引電力電子變壓器的革命

伴隨著高頻變壓器技術和半導體器件的顯著改進，電力電子變壓器的研究取得了長足進步。這種新型變壓器減少體積重量，降低能量損耗，并在鐵路牽引系統(tǒng)中可行性大大增強。通過采用高頻激勵的方法，減少磁容積，實現(xiàn)更為緊湊的電力轉換設備設計。高頻變壓器材料創(chuàng)新，如納米晶體材料，確保了變壓器在高頻運作時仍保持高導磁率和低能耗。

【3】鐵路系統(tǒng)中輔助電源系統(tǒng)的進步

牽引列車的輔助電源系統(tǒng)負責將電力供給車輛中的非動力設備。系統(tǒng)容易受到電壓波動的影響，影響列車的運行安全和乘客舒適度，牽引變壓器能源的穩(wěn)定供應至關重要。電力電子技術通過并聯(lián)技術，提升系統(tǒng)的可靠性與冗余性。同時，也進行了對輔助電源系統(tǒng)過電壓和電壓波動的研究與控制，以確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。

【4】再生制動與能量回收

再生制動技術的研究和應用表明，可以顯著節(jié)省能耗，但這種節(jié)能技術需要依賴于電力電子轉換器的高效配合。通過改進牽引電動機的設計，使其在制動時能夠反向工作，發(fā)揮發(fā)電機的作用，存儲回收的能量。中間存儲設備，如電池和超級電容，用于平衡再生能量的間歇性，以確保連續(xù)供電。

【5】電力電子補償器在軌道系統(tǒng)中的應用

為了解決鐵路供電系統(tǒng)中的電能質量問題，保證電網(wǎng)穩(wěn)定性，現(xiàn)代電力電子補償器技術發(fā)揮了重要角色。通過使用有源濾波器，減輕諧波干擾和閃爍，提升供電的穩(wěn)定性和效率。牽引變壓器通過電子逆變器進行輸出相位調節(jié)，以實現(xiàn)更佳的負載平衡。

【6】牽引電機控制技術的發(fā)展

從交流電網(wǎng)和電機直聯(lián)到采用硅控整流器技術控制的異步電機或感應電機，牽引電動機的控制技術經(jīng)歷了顯著的發(fā)展。現(xiàn)代化的電力電子轉換器和模塊化設計，使鐵路車輛更具吸引力與經(jīng)濟性。

鐵路行業(yè)的激烈競爭和新格局催生了眾多突破性的電氣化鐵路車輛設計，這些設計當然對客戶有吸引力且運營經(jīng)濟，這在很大程度上得益于高性能電力電子轉換器和高度模塊化。我們回顧了電力電子變流器在牽引供電系統(tǒng)中的歷史、應用和最新趨勢，也可以了解到電力電子技術在包括牽引變壓器、牽引輔助供電系統(tǒng)、再生制動、功率補償器和牽引電機控制系統(tǒng)中不可分割的重要性。