新型軌道交通再生制動能量吸收裝置研究

喻奇

新型軌道交通再生制動能量吸收裝置研究

喻奇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢//高級工程師）

城市軌道交通具有站間距離短、車輛運行密度高等特點，列車在頻繁的起動與制動過程中會產生數量可觀的制動能量。目前再生制動能量回收較多采用電阻吸收或逆變回饋加電阻的形式，能量回收率和利用率都較低。根據逆變回饋和電容儲能的特點，組成逆變+儲能的新型再生制動能量吸收裝置：直流母線制動電能通過逆變器接入400 V車站低壓配電系統，超級電容通過DC/DC雙向變換器并聯在直流母線上，較平穩的制動功率直接經逆變器給車站負荷供電，較大的尖峰功率由超級電容吸收，再供負荷或車輛起動加速用。根據列車的制動特性，以某地鐵線路實際數據為例,計算了列車實際的制動功率和能量，給出了逆變器和儲能的功率及容量配置方案。所提方案能夠完全吸收利用再生制動能量，且所需儲能容量較小。

城市軌道交通；再生制動；能量吸收裝置

Author′s addressChina Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

城市軌道交通（以下簡為“城軌”）具有站間距離短、行車密度高、列車起動制動頻繁等特點，列車在整個運行過程中會產生數量可觀的制動能量。當列車發生再生制動時，產生的制動能量通過牽引電機轉換為電能，其中很小的一部分用于自身動力照明負荷的供能，大部分返送回牽引網。傳統牽引供電系統使用二極管不可控整流，能量只能單向流動，再生制動時二極管反向阻斷，若此時同線路上另有其它列車正處于牽引狀況，吸收了制動能量，則列車能穩定地再生制動；如果該時刻線路上無其它牽引列車或牽引列車不足以全部吸收再生能量，再生能量將向直流電網充電，導致牽引網電壓升高，影響供電系統安全運行。目前我國城軌列車大多采用車載電阻方式吸收這部分再生制動能量，然而，車載電阻方式帶來的車體質量增加、隧道溫度升高等問題日見突出，其不僅不能有效利用回收能量，反而使地下段車站和區間的環控負荷增加。

據統計，城市軌道交通制動能量可達到牽引能量的20%～40%以上。中國快速的城市化進程，使城軌系統的節能降耗空間十分巨大，而節能降耗的政策及技術升級的要求使各地鐵公司對于將車輛制動能量反饋利用的需求更加迫切。因此，研究合適的能量吸收方式，解決再生制動能量的回收和利用問題，對推動城軌列車制動能量的回收進入商業化推廣應用具有實際意義。

1 再生制動能量吸收裝置發展現狀

目前，國內外采用的技術較為成熟的列車再生制動能量吸收裝置方案主要包括電阻耗能型、器件儲能型、逆變回饋型和逆變+電阻混合型等4種方式。當處于再生制動工況的列車產生的制動電能不能完全被其它列車和本車的用電設備吸收時，牽引變電所中設置的再生制動能量吸收裝置立即投入工作，吸收掉多余的再生電能，使列車再生電流持續穩定，以最大限度地發揮電制動性能。

1.1電阻耗能型

制動電阻吸收裝置采用多相斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據再生制動時直流母線電壓的變化狀態調節斬波器導通比，從而改變吸收功率，將直流電壓保持在某一設定范圍，使制動能量消耗在吸收電阻上。常規車載制動電阻采用“制動電阻+制動斬波器”的方式，分散安裝在各動車內。再生制動時，若轉化的電能未被其他運行列車吸收，則導致牽引網電壓升高，當網壓升至上限時，牽引系統啟動制動斬波器，將過量電能消耗在車載制動電阻上。

電阻耗能型吸收裝置的優點為：控制簡單和直觀；一次性投資較小。缺點為：再生制動能量消耗在吸收電阻上，并未真正實現電能的再利用，而僅僅是熱能的集中處理；電阻散熱導致環境溫度上升，因此該裝置一般設置在地面，需占一定的用地；若其設置在地下變電所內時，電阻柜需單獨放置，且房間內為保證有足夠的通風量，需要相應的通風動力裝置，也增加了相應的電能消耗。

1.2器件儲能型

器件儲能型再生制動能量吸收裝置主要采用大容量儲能裝置將列車再生制動能量吸收儲存起來，當供電區間內有列車起動、加速需要取流時，該裝置將所儲存的電能釋放出去并進行再利用。其主要有靜態儲能裝置（如電容儲能）和動態儲能裝置（如飛輪儲能）兩種。動態儲能裝置結構過于復雜，且維護難度大、成本高，較少采用。電容儲能型目前采用的較多，其電氣系統主要包括儲能電容器組、斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關、傳感器和微機控制單元等。

電容儲能型能量吸收裝置的優點為：充放電速度快；瞬時功率大；維護成本低；使用壽命長；當牽引網電壓較低時，裝置也可投入穩壓工作狀態，從而提高牽引網供電質量。缺點為：儲能較小，不能完全吸收存儲制動能量；發熱量較大，宜采用獨立安裝空間和安裝環控通風系統。

1.3逆變回饋型

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置有中壓逆變回饋型和低壓逆變回饋型兩種。

中壓逆變回饋型：直接采用四象限運行的PWM（脈寬調制）牽引整流逆變裝置，將可控整流和可控逆變結合在一起，能量可雙向流動。列車起動加速時，裝置工作在整流狀態，將交流電轉換成直流電給列車供電；列車再生制動時，裝置工作在逆變狀態，將直流電轉換成交流電，通過牽引變壓器回饋至35 kV中壓環網。該方式不需要額外增加其他裝置，體積小、占地面積??；電能反送到電網，再利用效率高；對環境沒有污染；價格較低，性價比高。其缺點為：工作在調制狀態，產生一定的諧波；由于兼顧了列車的牽引用電，一旦設備故障，將影響列車的正常運行。

低壓逆變回饋型：在已采用不可控整流供電的線路上，在車站牽引母線上并聯逆變裝置，將制動電能逆變成交流電回饋至低壓400 V配電系統。能量回饋至低壓配電系統時，回饋距離短，且低壓配電設備多為耗能設備，能量可及時利用，同時逆變裝置可輔助諧波抑制和無功補償，因此該回饋方式具有一定的優勢。但是，由于單個車站內用電負荷較小，站用變壓器容量通常小于1 MW，當列車初始制動功率較大時，將產生較大的功率沖擊，列車的初始制動功率可能會超出變壓器額定容量，給低壓配電系統的安全運行帶來隱患。

1.4逆變+電阻混合型

逆變+電阻混合型再生制動能量吸收裝置由逆變裝置和電阻吸收裝置組成。當再生制動使直流電壓超過規定值時，首先逆變到車站400 V低壓配電系統，由車站動力、照明設備吸收；當吸收功率不夠時，投入電阻，多余的能量由電阻吸收。

該裝置綜合了逆變和電阻的優點，且逆變到低壓400 V配電系統可在一定程度上避免對系統的諧波影響。但車站400 V低壓負荷功率較少，只需一小部分制動能量就能滿足供電需求，當制動功率很大時，直流母線電壓仍會被抬高，有較大一部分能量需要消耗在吸收電阻上，能量沒有得到有效利用。此外，電阻的發熱、占地、通風等問題仍然存在。

2 新型再生制動能量吸收裝置

2.1系統方案

考慮車輛特性、國家節能減排政策，以及目前各種再生制動能量吸收裝置的應用情況和技術發展方向，采用逆變（400 V）+儲能混合式的能量吸收裝置。裝置組成結構如圖1所示。牽引直流母線上并聯DC/AC逆變器，經隔離變壓器接入車站400 V低壓配電系統；超級電容儲能裝置經雙向DC/DC變換器并聯在直流側。該裝置中逆變能量回饋至低壓配電系統的回饋距離短，能量可及時利用；同時DC/ DC雙向變換器具備能量雙向流動功能，在列車制動時給超級電容充電，利用超級電容儲能裝置吸收短時沖擊功率，在需要時讓超級電容放電，將儲存的能量釋放出來。此外，它還可輔助諧波抑制和無功補償，改善供電系統電能質量。

圖1 逆變+儲能混合式能量吸收裝置

方案中，DC/AC逆變器采用恒壓限流控制方式，雙向DC/DC變換器采用恒壓控制方式。當列車再生制動使直流電壓超過規定值時，首先逆變到車站400 V低壓配電系統，由車站動力、照明設備吸收；當制動能量較大、吸收功率不夠時，逆變器電流超過限值，無法維持直流母線電壓穩定，則雙向DC/ DC變換器通過恒壓控制給電容充電。列車制動完成后，超級電容儲存的能量既可通過逆變器輸出供給車站負荷用，也可在列車起動或加速時為其提供能量。

逆變+儲能混合型吸收裝置安裝在牽引變電所內。該裝置結合了器件儲能和逆變回饋的優點，一部分穩定的功率通過逆變直接回饋，使其比單獨采用器件儲能所需的儲能容量小，既可解決超級電容不能大容量儲能的局限，又充分利用其充放電速度快、吸收尖峰脈沖功率的優點，解決逆變回饋的沖擊功率及諧波問題。

2.2列車制動能量計算

定義列車運行的4種工況：空載（AW 0），座位載客（AW 1），額定載客（AW 2），超員載客（AW 3）。

常規的列車制動包括電制動和空氣制動。列車電制動由再生制動和電阻制動組成，以再生制動優先；再生制動能平滑地轉到電阻制動。電粘著力允許情況下，電制動轉換采用下列控制策略：

（1）電制動與空氣制動協調配合，以電制動優先；當不能實現電制動時，所需總制動力必須由空氣制動來提供。電制動與空氣制動起始轉換點速度為5 km/h。

（2）電制動能在AW 2負載下在5～90 km/h之間（大于90 km/h時，空氣制動補充）單獨滿足全常用制動的要求。

（3）在網壓上升到約DC 1 800 V，電網不能再接受多余的能量時，再生制動能平滑過渡到電阻制動。

（4）列車在最高速度（AW 3載荷）行駛時，全部電制動加補償的機械制動能夠達到所需的最大減速度。

列車制動特性曲線一般設計為兩個特性區域，如圖2所示。圖2中，f為制動力，fc為列車恒制動力，P為制動功率；AB段為列車初始制動區，制動力不斷增大，速度區間為v1-v2；BC段為恒轉矩區，制動力趨于恒定，速度區間為v2-v3，C0段為空氣制動代替電制動。

圖2 列車制動特性曲線

列車制動能量計算過程如下：根據列車在AW 2時的質量及制動速度變化，計算列車制動能量及功率，再以城軌列車制動特性曲線為依據計算再生制動電流的大小，從而推導出逆變器和儲能器件的功率和容量。

根據能量方程式，列車在整個制動過程中產生的制動能量為：

式中：

m——列車質量；

v1——列車制動初始速度。

列車總制動能量一部分為電制動，一部分為空氣阻力制動，故：

式中：

P電——列車的電制動功率；

P氣——空氣阻力制動功率；

t——列車總制動時間。

又知：

式中：

P——制動功率；

f——制動力；

v——列車行駛速度；

a——制動加速度。

將式（3）、（4）代入式（2）可得：

式中：

f電——列車的電制動力；

f氣——空氣阻力；

a1——電制動過程的制動加速度；

a2——空氣阻力制動過程的制動加速度。

在電制動過程中，電制動功率又為：

式中：

I——制動反饋電流；

U——制動電壓。

2.3逆變器和儲能配置

依據上述公式計算出列車的電制動功率和能量，即可配置逆變器和儲能裝置。DC/AC逆變器的額定功率按不超過站用變壓器容量配置。DC/DC儲能變換器的額定功率按最大制動電功率減去逆變功率配置，并考慮能量損耗及儲能充電效率。即：

式中：

PDC/DC，N——儲能變換器額定功率；

PDC/AC,N——逆變器額定功率；

η1——制動電能扣除損耗后的轉換效率；

η2——儲能變換器的轉換效率。

為保證向低壓系統反饋的功率平穩，DC/AC逆變器的逆變控制限制在定值，尖峰功率由儲能變換器吸收，超過該定值的由儲能變換器吸收，協調控制策略如下：

2.4逆變器和儲能裝置方案

2.4.1 DC/AC逆變器

DC/AC逆變器采用三相電壓源性逆變器，如圖3所示。直流側接牽引直流母線，交流側經隔離變壓器接400 V站內母線。系統根據交、直流電壓的變化（如直流母線電壓高于1 680 V（動作值可設定）），并經直流側電流的極性進行綜合判斷，確定在線列車已處于再生制動狀況后，投入逆變回饋型裝置。隨后，根據電網再生反饋電流的大小，自動調節逆變回饋型裝置通過電流，實現電網電壓穩定。逆變回饋型裝置將列車再生電能通過隔離變壓器回饋到0.4 kV電網，當再生電能被吸收，電壓回到設定的整定電壓值以下，或當列車由再生制動轉為其它工況運行時，經系統判斷，逆變回饋型裝置將停止電能回饋。

式中：

PDC/AC——逆變器實時功率參考值；

PDC/DC——儲能變換器實時功率參考值。

依據儲能變換器實時功率參考值，即可積分計算儲能變換器所需容量：

2.4.2 雙向DC/DC變換器

DC/DC變換器采用半橋型Boost/Buck電路，具備升降壓雙向變換功能，其等效電路如圖4所示。圖中，L為斬波電感，C1為直流母線電容，C2為儲能側濾波電容，S1、S2為儲能系統的升降壓斬波IGBT（絕緣柵雙極晶體管），D1、D2為續流二極管，UC為儲能本體電壓，Ud為直流母線電壓。

圖4 雙向DC/DC變換器等效電路

當列車制動時，儲能系統吸收回饋到直流母線的能量，防止母線電壓上升，此時DC/DC變換器工作在Buck降壓模式，S1和D2構成降壓電路。當S1導通時，由直流母線向儲能裝置充電，電感電流按指數曲線上升；當S1關斷時，電感L中電流通過D2續流，電感電流呈指數曲線下降。為了使電流連續且脈動小，通常串聯L值較大的電感。

當列車起動和加速時，需要較大功率，儲能系統放電提供功率支撐，防止母線電壓下降，此時DC/ DC變換器工作在Boost升壓模式，S2和D1構成升壓電路。當S2處于導通狀態時，儲能裝置向L放電，同時C1上的電壓向直流母線供電，因其電容值很大，可基本保持母線電壓為恒值；當S2處于關斷狀態時，儲能裝置和L共同向C1放電，以維持母線電壓恒定。

3 計算實例

以南京某地鐵線路及列車參數為例進行計算。列車為4動2拖6節編組，每節動車上有4個牽引電機。列車在AW 3、AW 2、AW 0情況下的總質量分別為326 t、290 t和202 t，轉動慣量為29 t。列車再生制動曲線如圖5～7所示。

列車常規制動時速度一般從80 km/h降到0，以AW 2為例，由式（1）計算出列車的總制動能量為19.89 kWh。

圖5 AW 2/AW 3情況下列車電制動特性曲線

圖7 制動工況下AW 2/AW 3時的速度-電流曲線

由圖5可知，列車速度為80 km/h時，整車的制動力約為320 kN，則由式（3）可得整車制動功率P總=7.1MW。

由圖6可知，列車速度為80 km/h時，單個牽引電機的功率約為350 kW，則列車的電制動功率P電= P單·n=350 kW×16=5.6MW。由圖7可知，列車速度為80 km/h時，列車制動反饋電流約為3 100 A，電壓為1 800 V，則由式（6）可得列車的電制動功率P電=I·U=3 100 A×1 800 V≈5.58MW?？梢妰煞N方法求出的電制動功率基本相同。

列車從80km/h制動到0的平均加速度a= f/m=320 kN/290 t≈1.1m/s2，則由式（5）可得列車的電制動能量為15.65 kWh。由此可得列車電制動能量占總制動能量的比為姿=79%?？梢?，電制動能量所占比例非常大，若都采用電阻消耗，將造成很大的能量浪費。

根據計算的電制動功率，結合400 V站用變壓器容量，配置DC/AC逆變器額定功率為1MW。由圖7可求得速度為70 km/h時最大電制動功率P電，max= 3 300 A×1 800 V=5.94MW。

取η1=0.85，η2=0.95，由式（7）可得變換器額定功率PDC/DC，N=（5.94MW-1MW）×0.85×0.95= 3.99MW，所以取儲能變換器額定功率為4MW。

由式（4），列車的總制動時間t≈20.2 s。

根據控制策略，在全制動過程中優先進行逆變。設全程以最大功率逆變，可求得逆變回饋的能量為：EDC/AC=1MW×20.2 s≈5.6 kWh，因此儲能容量配置為：E=E電-EDC/AC≈10 kWh=4MW×10 s。

4 結語

本文通過分析城軌列車再生制動能量吸收裝置的現狀及各種裝置的優缺點，結合再生制動的特點，提出了逆變+儲能的新型再生制動能量吸收裝置及配置方法，并以南京某地鐵線路實際數據為例進行了計算。采用逆變+儲能混合型再生制動能量吸收裝置，直流母線制動電能通過逆變器接入400 V車站低壓配電系統，超級電容通過DC/DC雙向變換器并聯在直流母線上，較平穩的制動功率直接經逆變器給車站負荷供電，較大的尖峰功率由超級電容吸收，再供負荷或車輛起動加速用。該裝置有如下優點：

（1）可完全吸收利用列車制動過程中的能量，并利用儲能提供備用電源，提高能量的回收利用率；

（2）不需要消耗電阻，減少輔助能量消耗單元的設計成本；

（3）在儲能技術日益成熟和成本下降的趨勢下，其為城軌再生制動能量回收利用提供了新型解決方案，并具有實用化前景。

本文注重提供一種解決方案和計算方法，計算案例的功率和容量為根據一列列車制動曲線求出的理想數據。實際過程中列車的制動能量有可能被相鄰牽引狀態的列車吸收，所需配置的功率和容量會更小，應根據列車運行規律及一段周期內的平均數據進行計算，這是下一步要研究的內容。

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Research on the Regenerative Braking Energy Absorption Device for New Urban Rail Transit

YU Qi

Urban rail transit produces considerable braking energy in the processof frequent starting and braking due to short station distance and high running density.Currently，resistance or inverter feedback w ith resistance is themain way to recycle the breaking energy，butshows low rate of energy recovery and utilization.In this paper，according to the characteristics of the inverter feedback and capacitor energy storage，a new type of regenerative braking absorption device is composed w ith inverter and energy storage，in which the DC bus braking energy is connected to 400 V low voltage power distribution system through the inverter，the super capacitor is in parallel to the DC bus through bi-directional DC/DC converter，thus directly supplies relatively smooth braking power to the station load by the inverter power，while the large peak power is absorbed by the super capacitor，and used again for load or vehicle starting and accelerating.Based on the characteristics of the braking of the train，the data of an actual subway line are taken as the example to calculate the actual braking power and energy，the power and energy storage capacity of inverter scheme is given.The proposed scheme can fully absorb the regenerative braking energy,while the required storage capacity is smaller.

urban rail transit；regenerative braking；energy absorption device

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.07.004

2015-08-03）