城市軌道車輛制動(dòng)能量回收方法

楊 儉， 宋瑞剛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

兩端的變電站端電壓不受其它供電臂電流情況的影響，簡(jiǎn)化后的牽引網(wǎng)等效模型如圖1所示。

城市軌道車輛制動(dòng)能量回收方法

楊 儉， 宋瑞剛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

城市軌道車輛頻繁的制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生了大量的電能。該部分能量在不滿足反饋電網(wǎng)條件時(shí)常常通過(guò)制動(dòng)電阻的方式消耗，導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)。結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論和供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系分析了城市軌道交通車輛制動(dòng)能量產(chǎn)生的特性及約束條件，提出一種基于車載的脫離電網(wǎng)的制動(dòng)能量回收方法，并通過(guò)制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)可以對(duì)城市軌道車輛制動(dòng)能量進(jìn)行有效的回收。

城市軌道車輛;制動(dòng)能量;能量回收方法

0 引言

城市軌道交通車輛運(yùn)行的特點(diǎn)為載客量大、啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁。車輛的常規(guī)制動(dòng)過(guò)程以電制動(dòng)方式優(yōu)先。由于車輛運(yùn)行圖編排及觸網(wǎng)電壓限制等原因，大量再生電能不能回饋電網(wǎng)，而是通過(guò)電阻制動(dòng)以熱能的方式釋放，形成了電能浪費(fèi)與環(huán)境污染，并增加了制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)回路的不安全隱患。關(guān)于城市軌道交通再生制動(dòng)能量的回收利用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多方法，主要包含三種:一是再生能量向交流電網(wǎng)實(shí)時(shí)回饋的方法;二是將再生能量存入儲(chǔ)能器，在車輛啟動(dòng)或加速時(shí)彌補(bǔ)直流網(wǎng)壓下降的方法;三是兩種方法的結(jié)合，即儲(chǔ)能與回饋并用的方法［1－3］。針對(duì)其中的功率變換方案，也提出過(guò)多種方案，但總體特點(diǎn)為:一是能量回饋的諧波治理負(fù)擔(dān)重，二是對(duì)牽引變電所或車輛牽引系統(tǒng)更改大，并引入了新的影響運(yùn)營(yíng)安全的因素。筆者研究了城市軌道車輛的制動(dòng)能量產(chǎn)生特性，提出了針對(duì)再生制動(dòng)條件不能滿足情況下的基于車載本身的脫離電網(wǎng)的能量回收方法及利用方式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 制動(dòng)能量的產(chǎn)生特性

1.1 基于動(dòng)力學(xué)關(guān)系的車輛制動(dòng)能量特性

不考慮垂向和橫向力帶來(lái)的電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響，車輛制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)模型可表示為

式中:Fbr——車輛總的制動(dòng)力;

Fe－br——電制動(dòng)力;

Fair－br——電制動(dòng)力不足時(shí)補(bǔ)充的機(jī)械制動(dòng)力;

Fresis——車輛運(yùn)行阻力;

M——車輛編組的總質(zhì)量;

γ——車輛回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);

v——車輛運(yùn)行速度;

nm——車輛提供動(dòng)力的動(dòng)軸數(shù)量;

Gr——齒輪箱傳動(dòng)比;

Rw——車輪半徑;

ηg——齒輪傳動(dòng)系的效率;

ηm——電機(jī)的效率;

Teb——制動(dòng)過(guò)程中單臺(tái)電機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩;

A、B、C——與車輛類型有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

Fadd(x)——線路總的附加阻力，是車輛發(fā)車后自起始站點(diǎn)行駛里程x的分段函數(shù);

g——重力加速度。

牽引電機(jī)需提供的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩除與車輛運(yùn)行特性有關(guān)外，同時(shí)與制動(dòng)模式相關(guān)。常規(guī)制動(dòng)過(guò)程中，若v≥vinv，且 Febmax≥Freq，則 Fe－braking=Freq，F(xiàn)air－braking=0;若v≥vinv，且 Febmax＜ Freq，則 Fe－braking=Febmax，F(xiàn)air－breaking=Freq－ Fe－braking;若 v＜ vinv，則 Feb=0，F(xiàn)air－breaking=Freq;在緊急制動(dòng)過(guò)程中，F(xiàn)e－braking=0，F(xiàn)req=Fair－breaking。

其中，vinv為空氣制動(dòng)介入時(shí)的車速;Febmax為可產(chǎn)生的電制動(dòng)力最大值;Freq為電子制動(dòng)控制單元

電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩Teb由牽引控制單元實(shí)時(shí)控制。當(dāng)牽引電機(jī)中感應(yīng)電勢(shì)高于電網(wǎng)電壓，電機(jī)將處于發(fā)電工作狀態(tài)，逆變器的功率流向也與牽引工況相反。反饋功率可由電機(jī)及逆變器電氣特性參數(shù)得到:

式中:U——電機(jī)相電壓;

I——電機(jī)相電流;

cosθ——電機(jī)功率因數(shù);

ηrec——逆變器整流橋的電能轉(zhuǎn)換效率。

由于電機(jī)電能由車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)，故再生制動(dòng)反饋電能也可直接由動(dòng)力學(xué)關(guān)系得到:EBCU根據(jù)當(dāng)前車輛運(yùn)行條件計(jì)算得出的需要的總制動(dòng)力。事實(shí)上，在非緊急制動(dòng)情況下，且速度高于空氣制動(dòng)介入點(diǎn)時(shí)，電制動(dòng)力通常能夠滿足總制動(dòng)力需求，并且制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商在技術(shù)上盡力提高電制動(dòng)能力，并盡可能降低空氣制動(dòng)介入時(shí)的vinv值。

車輛實(shí)施電制動(dòng)的過(guò)程中，牽引電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率，牽引電機(jī)所需提供的反向電磁轉(zhuǎn)矩可依據(jù)式(1)，由車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)及車輛運(yùn)行外特性而得:

式中:Eeb——牽引電機(jī)在電制動(dòng)過(guò)程中反饋的電能;

v0、vt——電制動(dòng)過(guò)程中的計(jì)算始末速度。

由式(3)可知，從動(dòng)力學(xué)關(guān)系上，車輛產(chǎn)生的電制動(dòng)能量總量主要由車輛自重、載客量、制動(dòng)減速度決定，同時(shí)制動(dòng)電能的產(chǎn)生受制動(dòng)模式的影響。

1.2 基于供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的制動(dòng)能量

牽引主電路與牽引網(wǎng)能量交換特性可表示為

式中:Ptot——車輛從牽引網(wǎng)取得的總功率;

Pmain——車輛牽引主回路消耗的功率。

當(dāng)牽引加速過(guò)程中為正，電制動(dòng)過(guò)程中為負(fù)值，當(dāng)網(wǎng)壓高于設(shè)定值(上海地鐵網(wǎng)壓設(shè)定值為1 800 V)，轉(zhuǎn)為電阻制動(dòng)，此時(shí)Pmain計(jì)入電阻制動(dòng)功率。Paux為輔助用電功率，運(yùn)行過(guò)程中始終為正值。

取供電系統(tǒng)中的一個(gè)供電臂做研究，且認(rèn)為其

兩端的變電站端電壓不受其它供電臂電流情況的影響，簡(jiǎn)化后的牽引網(wǎng)等效模型如圖1所示。

圖1 牽引供電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖Fig.1 Electric network of traction system

供電臂阻抗R11、R21和R31以及走行軌阻抗R12、R22和R32都是車輛與變電站距離的線性函數(shù)。地鐵車輛用受控電流源來(lái)代替，其電制動(dòng)過(guò)程中向電網(wǎng)反饋的電功率可根據(jù)式(3)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行車輛牽引計(jì)算得到。

基于車輛制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)及供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，車輛制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的制動(dòng)能量的大小與多種因素相關(guān)，如:車輛運(yùn)行圖編排，單車輛的載重與速度信息，制動(dòng)模式和ATP防護(hù)模式，并且因素間存在耦合及相互約束關(guān)系，如圖2所示。

圖2 制動(dòng)能量產(chǎn)生因素約束Fig.2 Factors of braking energy

2 制動(dòng)能量回收方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

文中采用一種基于車載的脫網(wǎng)方式的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，以超級(jí)電容為儲(chǔ)能器件，回收不能回饋電網(wǎng)的即將發(fā)生電阻制動(dòng)的那部分能量，并用于車廂輔助電路的供能，即式(4)中的Paux中的一部分?；厥辗椒ㄔ韴D如圖3。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)模擬上海地鐵2號(hào)線6編組車輛使用的西門(mén)子車型牽引系統(tǒng)，4節(jié)動(dòng)車，2節(jié)拖車，共16臺(tái)牽引電機(jī)(每臺(tái)190 kW)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)選用低功率的30 kW交流異步電機(jī)來(lái)模擬實(shí)際地鐵的牽引工況。整車輛近似看作單質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下，將牽引轉(zhuǎn)矩、整車慣量和運(yùn)行阻力平均分配到每臺(tái)牽引電機(jī)上，并按照19∶3的比例等比例減小。超級(jí)電容器組由若干單體容量為2 400 F的電雙層電容器(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)以串并聯(lián)的形式組成。儲(chǔ)能組件中的每組電雙層電容器上均裝有旁路電流達(dá)100 A的平衡電路板，以其均衡在串聯(lián)工作狀態(tài)下每支電雙層電容器上的工作電壓，保證電雙層電容器的工作安全。儲(chǔ)能單元提供給旁路開(kāi)關(guān)兩路DOWN和UP的干接點(diǎn)信號(hào)，其中DOWN干接點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)電雙層電容器組工作起始狀態(tài)，UP干接點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)電雙層電容器組工作截止?fàn)顟B(tài)。其中，DOWN干接點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)電壓可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)［4］。

圖3 制動(dòng)能量回收方法原理Fig.3 Recovery principle of braking energy

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

制動(dòng)能量與超級(jí)電容儲(chǔ)存能量測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 輕載制動(dòng)和回收能量Fig.4 Braking and recovery energy of light load

圖5 滿載制動(dòng)和回收能量Fig.5 Braking and recovery energy of full load

圖6 超載制動(dòng)和回收能量Fig.6 Braking and recovery energy of overload

由圖可見(jiàn)，在55 s時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，能量瞬時(shí)增加。能量的增加值和負(fù)載有關(guān)。輕載工況時(shí)，由于負(fù)載較小，能量增加值也相對(duì)較小;超載工況負(fù)載大，能量增加值也大。

圖中的能量波形圖有兩次明顯的能量上升拐點(diǎn)，代表兩次明顯的制動(dòng)。第一段制動(dòng)更為明顯，第二段相對(duì)較弱。

測(cè)試圖中的能量有效值的計(jì)算公式為

式中:u(t)——電壓的瞬時(shí)值;

i(t)——電流的瞬時(shí)值;

Wp——正負(fù)電能總和。

測(cè)試中，三種工況下電制動(dòng)總能量及超級(jí)電容所儲(chǔ)存的能量如表1所示。

表1 各種工況下能量的回收效率Table 1 Recovery efficiency of braking energy

由于在直流脈沖能量轉(zhuǎn)換器上(DC/DC)有一定的能量損耗，超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量要小于消耗在制動(dòng)電阻上的能量。從圖中也可以看出，由于直流脈沖能量轉(zhuǎn)換器在吸收轉(zhuǎn)換從變頻器出來(lái)的能量時(shí)，需要一定的時(shí)間，故兩種能量在時(shí)間軸上有一定的滯后現(xiàn)象，滯后時(shí)間約為2 s。ACU輔助控制技術(shù)對(duì)回收系統(tǒng)和原供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫切換，且具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

在分析城市軌道車輛制動(dòng)能量特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于車載儲(chǔ)能方式的脫網(wǎng)式的能量回收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)可以對(duì)城市軌道車輛制動(dòng)能量進(jìn)行有效回收，回收效率高達(dá)83.47%。但大功率條件下的變流技術(shù)、超級(jí)電容的儲(chǔ)能均壓技術(shù)以及如何提高能量回收系統(tǒng)的工作效率，將同樣是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

［1］RUFER A，BARRADE P，HOTElLIER D.Power-electronic interface for a supercapacitor-based energy-storage substation in DC-transportation networks［J］.European Power Electronics and Drives Journal，2004，14(4):43 －49.

［2］NANKYO M，ISHIHARA T，INOOKA H.Feedback control of braking deceleration on railway vehicle［J］.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，2006，128(2):244 －250.

［3］許愛(ài)國(guó).城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

［4］楊 儉，李發(fā)揚(yáng)，宋瑞剛，等.城市軌道交通車輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2011，33(2):26－33.

Recovery method of braking energy for urban railway vehicle

YANG Jian，SONG Ruigang
(School of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering，Shanghai 201620，China)

This paper is an attempt to address the waste of the braking energy such as occurs when a lot of electrical energy produced by the frequent braking process of the urban railway vehicles is often consumed in the form of breaking resistor due to the failure to fulfill the requirements of braking energy feedback to power grid.The paper describes the analysis of the characteristics and restrained conditions of producing braking energy of the urban railway vehicle by combining vehicle dynamics with power supply，proposes a novel recovery method of braking energy free from power grid on the urban railway vehicle and introduces the experimental research depending on an experimental system of braking energy recovery.The results show that the system is capable of an effective recovery of braking energy.

urban railway vehicle;braking energy;recovery method

U266.2

A

1671－0118(2012)04－0424－04

2012－06－30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075255)

楊 儉(1962－)，男，黑龍江省哈爾濱人，教授，博士，研究方向:機(jī)電裝備可再生能量回收技術(shù)，E-mail:yang2580@sues.edu.cn。

(編輯 晁曉筠)