城市軌道交通制動能量的回收方案

李國玉

李國玉，工程師，青島地鐵集團有限公司，從事供電專業(yè)技術(shù)管理和工程建設工作。

介紹了目前城市軌道交通車輛再生制動能量回收利用的幾種方法，即電阻耗能型、飛輪儲能型、電容儲能型和逆變回饋型四種方法，并分析比較了四種系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點及經(jīng)濟效益。重點分析了逆變回饋型再生制動能量回收利用方案。采用逆變回饋型制動能量回收裝置，不僅可以回收再利用制動能量而且可以穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，是未來工程應用的主要方向。

在21 世紀，城市軌道交通將是綠色的節(jié)能環(huán)保型交通方式。在軌道交通系統(tǒng)中，車輛的能耗占整個系統(tǒng)能耗的50%甚至更多，所以，減少車輛的能耗將符合我國的可持續(xù)發(fā)展節(jié)約型社會，對軌道交通的可持續(xù)發(fā)展也產(chǎn)生重要影響。

目前，在國內(nèi)給機車供電的直流接觸網(wǎng)大多是采用二極管整流得來的，有12 脈波和24 脈波。當機車制動時，將再生制動的能量回饋到直流牽引網(wǎng)，使直流電網(wǎng)的電位升高；當直流電壓大于牽引網(wǎng)的電壓時，多余的這些再生制動能量除了被其他相鄰的機車吸收使用外，剩余能量主要被車載制動電阻消耗掉，以發(fā)熱的方式釋放出去。因此，再生制動能量不能得到有效的利用。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，軌道交通機車制動能量的回收方案也有很多種，機車的制動能量可以轉(zhuǎn)換為電能回收再次利用，如果可以從系統(tǒng)設計方面著手，使機車再生制動時的二次電能得到充分利用，則軌道交通系統(tǒng)可以節(jié)約非?？捎^的能源，對城市軌道交通的節(jié)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

機車制動能量回收利用方法與原理

目前，國內(nèi)外對機車制動能量的回收方案均有一定的研究，主要的方法有：電阻消耗型、飛輪儲能型、電容儲能型、逆變回饋型。

電阻消耗型

電阻消耗型再生制動能量回收裝置主要元件是IGBT斬波器和吸收電阻，通過它們之間的配合實現(xiàn)恒壓吸收，如圖1 所示，通過監(jiān)測直流接觸網(wǎng)上電壓的變化來實時控制IGBT 斬波器的導通比，從而改變電阻的消耗功率，將直流接觸網(wǎng)的電壓維持在某一設定的范圍內(nèi)，并將機車制動的能量消耗在吸收電阻上。

飛輪儲能型

飛輪儲能型吸收裝置的主要功能元件是IGBT 斬波器、儲能飛輪電機、電動隔離開關(guān)、直流快速斷路器、控制模塊和傳感器等。飛輪儲能型制動能量吸收裝置主要是利用飛輪機旋轉(zhuǎn)的慣性，通過電動機將機車制動的能量轉(zhuǎn)化為飛輪機的動能儲存起來。裝置通過檢測變電所的直流空載電壓和接觸網(wǎng)母線電壓，來判斷機車再生制動的能量是否被本車的動力設備或相鄰車輛吸收完。如果檢測測到變電所還有多余的制動能量，飛輪機將加速旋轉(zhuǎn)，將電能儲存為動能；如果檢測到附近本機車啟動或附近有列車經(jīng)過，飛輪機將減少轉(zhuǎn)速，又將儲存的動能轉(zhuǎn)化為電能釋放給直流接觸網(wǎng)。裝置示意圖如圖2 所示。

電容儲能型

超級電容的應用比較廣泛，所以利用超級電容來回收機車的制動能量是可取的，電容儲能裝置是將多個超級電容元件單體通過串、并聯(lián)構(gòu)成一個滿足所需容量的電容器組，電容儲能裝置除了超級電容組之外還有直流快速斷路器、雙向DC/DC變換電路、控制電路和電壓電流傳感器等，用來控制電容器組的充、放電，其裝置原理圖如圖3 所示。電容儲能裝置的工作原理是通過檢測電壓傳感器測量到的直流接觸網(wǎng)的電壓信號，來決定電容器的充、放電模式，這兩種工作模式可以實現(xiàn)自動切換，電容儲能裝置不僅可以充分回收機車的再生制動能量能，同時還可以穩(wěn)定牽引網(wǎng)的電壓，從而改善接觸網(wǎng)供電效果。

逆變回饋型

圖1 電阻消耗裝置原理圖

圖3 電容儲能型裝置示意圖

圖4 逆變回饋型原理圖

逆變回饋型再生制動能量吸收方案采用PWM 逆變器，可以通過將原有的二極管整流電路改為可控硅整流電路，也可以在原有的整流支路兩端重新并聯(lián)一組可控硅整流電路來實現(xiàn)。該裝置主要部件有開關(guān)柜、隔離變壓器、PWM 逆變器。其中，PWM 逆變器主要由電力電子功率模塊、濾波器、控制單元等組成。逆變回饋型再生制動能量回收裝置的原理圖如圖4 所示。

逆變回饋方案的比較與選擇

電阻消耗型再生制動能量吸收裝置是通過IGBT 和電阻的相互配合配合的來實現(xiàn)的，根據(jù)機車制動時直流牽引網(wǎng)的電壓來調(diào)節(jié)IGBT 的導通比，將制動能量消耗在電阻上，從而將牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定在一定的范圍值內(nèi)。該裝置國內(nèi)已有比較成熟的產(chǎn)品制造經(jīng)驗，價格較低。但是再生電能不能有效利用，消耗的熱能會帶來變電所環(huán)境溫升等問題。

電容儲能型再生制動能量吸收裝置主要工作原理是通過DC/DC 變換器來控制超級電容器對再生制動能量的吸收，如果在供電區(qū)間內(nèi)有機車啟動，則超級電容將其所儲存的電能釋放到牽引網(wǎng)上，供需要取流的列車利用。從而達到穩(wěn)定牽引網(wǎng)的電壓。該方案節(jié)能效果好，更換器件和維護方便。但由于技術(shù)國產(chǎn)化程度低，而且國外相關(guān)產(chǎn)品價格又較高，體積大，儲能量有限，對于運量較大的地鐵線路，如果儲能電容的容量較小，則列車再生制動能量不能得到完全吸收。

飛輪儲能型是利用飛輪機的轉(zhuǎn)動慣量來儲存機車的制動能量，節(jié)能效果良好，但是國內(nèi)產(chǎn)品研究較少，達不到應用水平，需要完全進口國外產(chǎn)品，價格比較昂貴。

圖5 再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)原理框圖

逆變回饋型制動能量吸收方案主要采用由IGBT 構(gòu)成的逆變器，逆變器的交流側(cè)接到整流變壓器35kV 或變電所0.4kV 動力照明電網(wǎng)，直流側(cè)接到1500V 直流母線上。這樣不僅可以使再生制動能量回收利用，而且穩(wěn)定了牽引網(wǎng)的電壓。隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)更高效、可靠的逆變回饋型再生制動能量利用技術(shù)已成為熱點。因此從節(jié)約能源的角度綜合考慮，逆變回饋型是未來必然發(fā)展的趨勢。國內(nèi)相對有實力的研究機構(gòu)如許繼電氣、株洲時代等正在研發(fā)大功率逆變裝置，其中部分已掛網(wǎng)試驗成功，為未來逆變回饋制動能量回收裝置產(chǎn)品的生產(chǎn)國產(chǎn)化和工程應用奠定了基礎。

逆變回饋型再生制動方案

逆變回饋裝置的原理

如圖5 所示再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)的原理圖，主電路主要由整流變壓器、隔離變壓器、LC 濾波器和PWM型逆變器組成。PWM 型逆變器電路是由六個IGBT 構(gòu)成，將牽引直流電逆變到交流電側(cè)。因為逆變器采用的是6 脈波逆變，所以輸出的交流電中含有大量的諧波成分，因此在交流輸出側(cè)設置一個濾波電路進行濾波。當逆變器的某一橋臂發(fā)生故障時，為了防止直流側(cè)電流進入交流側(cè)系統(tǒng)，所以在整流器與逆變器之間設置一臺隔離變壓器，確保直流側(cè)電流不會進入交流側(cè)系統(tǒng)。

當檢測到直流母線電壓高于設定值時，通過逆變回饋裝置將直流電逆變回饋到交流側(cè)，逆變回饋裝置可以穩(wěn)定直流母線電壓在某一設定值。

設置逆變回饋裝置的原則

機車制動能量的大小與線路條件、行車密度等密切相關(guān)，因此設置車輛再生制動能量逆變回饋裝置應滿足以下兩個基本原則：

（1）應能最大程度的吸收機車制動能量，并將其逆變回饋到所連接的供電網(wǎng)絡，實現(xiàn)電能的回收利用，保證軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能運行。

（2）衡量該種回收裝置的節(jié)能效果與投資成本之間關(guān)系，不僅達到節(jié)能效果同時滿足經(jīng)濟性要求。

結(jié)語

通過分析，在軌道交通系統(tǒng)中安裝車輛制動能量吸收裝置是必不可少的，符合我國節(jié)約型社會的要求。使用逆變回饋型機車制動能量回收裝置，在國產(chǎn)化水平、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟效益等方面均符合國內(nèi)軌道交通工程建設運營的發(fā)展要求，是未來工程應用的主要方向。機車制動能量吸收裝置的設置應根據(jù)供電方案、設備投資、車輛形式、行車組織、電費水平等因素進行綜合選擇，最終選擇的設置方案不僅要滿足機車牽引制動節(jié)能效果好、投資少，而且使運營成本降低，滿足經(jīng)濟效益與社會效益并行。