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絡帶來了巨大的動態電負荷，對電網質量形成挑戰。鐵路供電系統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，影響整個電氣系統的穩定性。然而，最新的電力電子技術發展，如IGBT、IPM模塊，使得電力系統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、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中的應用概況

自19世紀初以來，電力電子技術歷經百余年的發展，逐漸演變至今天廣泛應用于鐵路系統中。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革新的核心動力。現代化鐵路中，牽引變壓器、輔助電源、整流器、再生制動和電壓調節等多個關鍵環節，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，實現更為緊湊的電力轉換設備設計。高頻變壓器材料創新，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】鐵路系統中輔助電源系統的進步

牽引列車的輔助電源系統負責將電力供給車輛中的非動力設備。系統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定供應至關重要。電力電子技術通過并聯技術，提升系統的可靠性與冗余性。同時，也進行了對輔助電源系統過電壓和電壓波動的研究與控制，以確保整個系統的穩定可靠運行。

【4】再生制動與能量回收

再生制動技術的研究和應用表明，可以顯著節省能耗，但這種節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，發揮發電機的作用，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，以確保連續供電。

【5】電力電子補償器在軌道系統中的應用

為了解決鐵路供電系統中的電能質量問題，保證電網穩定性，現代電力電子補償器技術發揮了重要角色。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，以實現更佳的負載平衡。

【6】牽引電機控制技術的發展

從交流電網和電機直聯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歷了顯著的發展。現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濟性。

鐵路行業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、再生制動、功率補償器和牽引電機控制系統中不可分割的重要性。