再生制動能量吸收裝置設(shè)置方案研究

陳建君，周才發(fā)

0 前言

傳統(tǒng)的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收裝置分散安裝在各動車上，采用電阻吸收裝置，即車載制動電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，城市軌道交通列車再生制動產(chǎn)生的能量一般為其牽引能量的20%～40%，該再生制動能量除了按一定比例（一般為 20%～80%，根據(jù)列車運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同而異）被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分主要被車載制動電阻吸收，這將導(dǎo)致區(qū)間隧道和車站站臺內(nèi)的溫度升高，增加環(huán)控系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，造成大量的能源浪費(fèi)并使工程的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。同時，由于車載制動電阻的數(shù)量較多，也增加了列車自重和投資。

另外，由于列車技術(shù)要求越來越高，導(dǎo)致車上電氣布局緊張，因而車載電阻的熱量散發(fā)容易對列車的安全運(yùn)營造成一定影響；車載電阻方式對閘瓦的消耗也高于再生制動能量吸收裝置設(shè)置在車體外的方式，這使得洞內(nèi)或沿線閘瓦灰塵較多，污染環(huán)境。

為減少車載設(shè)備、降低隧道內(nèi)溫升、節(jié)約能源消耗、節(jié)省長期運(yùn)行費(fèi)用，將再生制動能量吸收裝置設(shè)置在車體外顯得尤為重要。

目前，再生制動能量吸收裝置設(shè)置在車體外的多種方案開始在國內(nèi)外城市軌道交通工程中使用，國內(nèi)如重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線等，國外如日本多摩、東京、大阪輕軌和地鐵線路，加拿大多倫多輕軌，意大利米蘭地鐵3號線等。

1 再生制動能量吸收裝置方案介紹

目前，設(shè)置在車體外的再生制動能量吸收裝置主要有5種形式：電阻吸收型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變吸收型和逆變-電阻組合吸收型。

（1）電阻吸收型。電阻吸收型主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、電動隔離開關(guān)、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機(jī)控制單元等。電網(wǎng)電壓變化由電壓傳感器 SV1檢測，牽引、制動工況的信號由母線電流信號SA10、SA11及電壓信號SV2及SV1傳感器檢測，送給微機(jī)控制系統(tǒng)HXMXZ，由微機(jī)控制系統(tǒng)HXMXZ綜合判斷得出牽引或制動狀況。其原理如圖1所示。

制動能量消耗在吸收電阻上產(chǎn)生的熱能可以采用風(fēng)冷，將熱量排出洞外，也可以采用水冷，用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，熱水可以作為其他用途，但要解決好絕緣問題。

圖1 電阻吸收型裝置原理示意圖

目前，國內(nèi)湘潭市恒信電氣有限公司已研制出電阻耗能型再生制動能量吸收裝置，并已在重慶輕軌較新線、天津地鐵1號線、北京首都機(jī)場線、廣州地鐵四號線工程中實(shí)施，目前運(yùn)行效果良好。

（2）電容儲能型。電容儲能型主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)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進(jìn)行再利用。該裝置具有儲能（儲存車輛再生電能）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓）2種工作模式，并可以自動切換。

該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲能電容器組、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等，其原理如圖2所示。

圖2 電容儲能型裝置原理示意圖

吸收裝置的啟動過程：啟動時，先由電站室遠(yuǎn)程控制使控制電源合上，“綜合自動化系統(tǒng)”發(fā)出“啟動”命令給快開“S1”的合閘回路，然后合上快速斷路器（S1），此時完成吸收裝置投入工作前的準(zhǔn)備。一旦列車處于再生制動狀態(tài)并使電網(wǎng)電壓抬高時，吸收電容開始吸收該部分能量，電容器所蓄電能為A=(1/2)×CUC2，電容吸收的電流與電容量、電壓增量有關(guān)，I=C×du/dt。當(dāng)車輛再生制動完成后，吸收電容上的電能必須通過直流電網(wǎng)或其他耗電設(shè)備將其能量釋放掉，否則下一周期吸收電容無法吸收再生能量。

歐洲的法蘭克福和馬德里的軌道交通以及北京地鐵5號線都配置了該類裝置。

（3）飛輪儲能型。飛輪儲能型是利用飛輪的慣量將能量儲存起來。它通過對變電所直流空載電壓、母線電壓的跟蹤判斷，確定是否有列車在再生制動且再生制動電能不能完全被本車輔助設(shè)備和相鄰車輛吸收。當(dāng)判斷變電所附近列車有再生制動電能需要吸收時，飛輪加速轉(zhuǎn)動，將電能轉(zhuǎn)換成動能儲存；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動牽引用電時，飛輪轉(zhuǎn)速降低，飛輪吸收系統(tǒng)將飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把儲存的慣性動能轉(zhuǎn)成電能反饋至電網(wǎng)。該方式由于一個飛輪在一個制動時間內(nèi)只能吸收200 kW的電能，如果要吸收近2 000 kW的電能，則所需飛輪將為10組，造成投資較大，該裝置除具有電能吸收功能外還具有穩(wěn)壓功能，通過設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)，可在牽引網(wǎng)電壓較高時吸收電能、在電壓較低時釋放電能，穩(wěn)定電壓。

該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲能飛輪電機(jī)、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。該裝置直接接在變電所正負(fù)母線或牽引網(wǎng)和回流軌間，其核心技術(shù)是利用核物理工業(yè)的物質(zhì)分離衍生技術(shù)制造飛輪，該裝置設(shè)置在真空殼體內(nèi)，飛輪經(jīng)過特殊材料和加工工藝制成的軸支撐在底部結(jié)構(gòu)上，其原理如圖3所示。

圖3 飛輪儲能型裝置原理示意圖

目前，只有英國UPI公司有成熟的飛輪儲能型裝置產(chǎn)品，并在英國、香港電力系統(tǒng)、紐約部分地鐵、香港巴士公司有應(yīng)用。德國西門子公司曾研制過該類裝置，但因飛輪關(guān)鍵技術(shù)不過關(guān)，壽命評估很低，目前已停止生產(chǎn)。國內(nèi)某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室也曾研制出類似的小功率產(chǎn)品，但飛輪的壽命和轉(zhuǎn)速、功率均無法滿足工程應(yīng)用需要。

（4）逆變吸收型。逆變吸收裝置則是利用電力電子器件構(gòu)成逆變器，將直流電逆變成工頻交流電饋送交流電網(wǎng)。由于該交流電諧波分量較大，所以必須設(shè)置諧波抑制器和功率補(bǔ)償器，為了平衡再生制動時反饋到交流網(wǎng)的浪涌電流，交流電站需要設(shè)置電網(wǎng)分配自動平衡裝置。為了減小高次諧波對供電電網(wǎng)的污染，由車輛再生制動時的直流電逆變成工頻交流電不是直接饋送至10（35）kV供電電網(wǎng)，而是逆變成380 V交流電與車站內(nèi)380 V電網(wǎng)并網(wǎng)，消耗在站內(nèi)電梯、通風(fēng)、照明等用電設(shè)施上。當(dāng)車輛再生制動經(jīng)判斷由吸收設(shè)備吸收其能量時，通過電子并網(wǎng)裝置與站內(nèi)380 V電網(wǎng)并網(wǎng)；當(dāng)車輛再生制動完畢，通過電子并網(wǎng)裝置與站內(nèi)380 V電網(wǎng)自動切除。為了確保吸收效果，再生制動逆變吸收裝置不是設(shè)置在牽引變電所，而是在每個車站設(shè)置一套，車輛再生制動時的能量由最近的一套吸收裝置吸收。逆變吸收裝置原理如圖4。

圖4 逆變吸收型裝置原理示意圖

該產(chǎn)品在日本軌道交通中應(yīng)用較多，日本日立和德國西門子公司均有生產(chǎn)該產(chǎn)品的業(yè)績。目前，國內(nèi)廠家正在開發(fā)研制，但還沒有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)城市軌道交通尚無應(yīng)用業(yè)績。

（5）逆變-電阻組合吸收型。逆變-電阻組合型裝置由IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、電動隔離開關(guān)、避雷器、電磁接觸器、傳感器、晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流電壓變換器和微機(jī)控制單元等構(gòu)成，其直流側(cè)與接觸網(wǎng)相連，交流側(cè)與車站低壓配電系統(tǒng)（0.4 kV）相連。

電路由3部分組成，開關(guān)及濾波環(huán)節(jié)、電阻吸收單元、逆變吸收單元；用電設(shè)備為各車站380 V系統(tǒng)用電裝置。

微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小來判斷吸收裝置是否工作。微機(jī)控制系統(tǒng)首先合上 KM2、KM4充電接觸器，給濾波電容充電，然后合上線路接觸器（KM1、KM3），完成吸收裝置投入工作前的準(zhǔn)備。此后微機(jī)控制系統(tǒng)將自動測定線網(wǎng)空載電壓值和吸收電壓值，或接收人工功率限制檔位信號，根據(jù)各個傳感器檢測信號綜合判斷線網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)。一旦確認(rèn)列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，系統(tǒng)設(shè)置了二級判斷基準(zhǔn)值，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第一級判斷電壓時，系統(tǒng)首先投入逆變吸收，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至車站低壓配電系統(tǒng)（0.4 kV），再生能量消耗在用電設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網(wǎng)電壓進(jìn)一步的上升，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第二級判斷電壓時，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動能量消耗，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓不再上升，確保列車充分有效利用電制動。該裝置原理如圖5。

圖5 逆變-電阻組合吸收型裝置原理示意圖

目前國內(nèi)有些公司已研制出逆變-電阻組合吸收型裝置，并分別通過了鐵道科學(xué)研究院主持的產(chǎn)品型式試驗(yàn)和掛網(wǎng)與車輛的配合試驗(yàn)。目前已有2套裝置分別安裝在北京地鐵車輛廠和天津地鐵 1號線進(jìn)行運(yùn)營考核。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較分析

（1）電阻吸收型裝置。該裝置是目前國內(nèi)外普遍采用的吸收裝置，已經(jīng)成功地應(yīng)用在運(yùn)營線上，其價格在幾種方案中最低（價格為 150萬元/套左右）。其功率組合方便、控制簡單、工作可靠、維護(hù)維修方便、使用壽命較長、應(yīng)用成熟；采用斬波調(diào)阻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)電壓的恒壓調(diào)節(jié)，可以有效控制列車再生制動時可能引起的過電壓，特別適用于間隙工作的情形。但再生制動能量在吸收電阻上集中發(fā)熱，需要相應(yīng)的通風(fēng)動力裝置將熱能排出，再生電能沒有有效利用。從長遠(yuǎn)的角度看，不能代表再生制動電能吸收方案的技術(shù)發(fā)展方向。

（2）電容儲能型裝置。該裝置對列車再生制動能量利用率較高，節(jié)能效果好，再生制動電能直接在直流牽引系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對交流系統(tǒng)不會造成影響；該裝置為靜態(tài)電容儲能裝置，維護(hù)和元器件更換較為方便。但由于短時吸收功率大，導(dǎo)致組合電容多、占地面積大。電容頻繁處于充、放電狀況，電容的使用壽命短（一般在5年左右），維護(hù)工作量較大，運(yùn)營成本較高。該產(chǎn)品需要完全進(jìn)口，設(shè)備價格較高（約650萬元/套）。該產(chǎn)品只適用于額定電壓不大于DC 825 V的牽引系統(tǒng)，目前的產(chǎn)品容量較小，對于運(yùn)量較大的軌道交通線路，不能滿足完全吸收列車再生制動電能的需要。

（3）飛輪儲能型裝置。該裝置同樣具有再生制動能量利用率較高，節(jié)能效果好，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對交流系統(tǒng)不會產(chǎn)生影響的特點(diǎn)。但飛輪裝置占地面積大；維護(hù)工作復(fù)雜、運(yùn)營成本高；設(shè)備價格高（約600萬元/套）；該設(shè)備需要完全進(jìn)口，但因?yàn)槟承┰?，目前英國UPI公司已停止向中國大陸推廣該產(chǎn)品。

（4）逆變吸收型裝置。該裝置有利于能源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。但是目前，該裝置國內(nèi)還處于研制階段，設(shè)備需要完全進(jìn)口，價格高（約1 100萬元/套）；為了抑制諧波率，防止高次諧波對通信、監(jiān)控等弱電設(shè)施的干擾，吸收設(shè)備必須配備濾波和諧波抑制裝置；為了平衡再生制動時反饋到交流網(wǎng)的浪涌電流，交流電站需要設(shè)置電網(wǎng)分配自動平衡裝置；為了確保吸收效果，再生制動逆變吸收裝置不是設(shè)置在牽引變電所，而是在每個車站設(shè)置一套，設(shè)備投資大。

（5）逆變-電阻組合吸收型裝置。該裝置控制簡單，安全可靠，系統(tǒng)首先滿足逆變吸收，在逆變吸收不能完全吸收列車的再生能量時，再投入電阻進(jìn)行吸收，對再生制動能量進(jìn)行了較好的利用；該設(shè)備的國產(chǎn)技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，對后期的運(yùn)營維護(hù)方便，設(shè)備價格低（約250萬元/套）。

綜合比較，在現(xiàn)階段，逆變-電阻組合吸收型裝置從技術(shù)的成熟性、經(jīng)濟(jì)性、工程可實(shí)施性等方面都具有明顯優(yōu)勢。加之國內(nèi)能夠生產(chǎn)，給今后的維護(hù)維修帶來很大的便利，提高了國產(chǎn)化率，同時也帶動了國內(nèi)企業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。所以，現(xiàn)階段逆變-電阻組合吸收型裝置在城市軌道交通工程中值得推薦。

3 結(jié)束語

值得注意的是，逆變回饋型裝置不需要儲能元件，也不需要吸收電阻，直接將列車再生制動直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，由在線設(shè)備實(shí)施消耗，節(jié)能效果顯著，實(shí)現(xiàn)了列車再生制動能量的綜合利用，符合世界節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢。雖然目前國外類似產(chǎn)品價格昂貴，但是筆者相信，隨著國內(nèi)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，通過科研院校、設(shè)計和制造廠商的共同努力，一定會在不遠(yuǎn)的將來研制成功并運(yùn)用于工程實(shí)踐。

[1]湖南恒信電氣有限責(zé)任公司.HXXS-NB/380V型電阻-逆變混合再生制動吸收裝置[R].湘潭，2008.

[2]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.南昌地鐵1號線供電系統(tǒng)投標(biāo)文件[G].成都，2009.

[3]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.青島地鐵2號線一期工程供電系統(tǒng)投標(biāo)文件[G].成都，2011.