城軌車輛再生制動(dòng)能量吸收方案研究

公丕柱

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司, 山東濟(jì)南 250101)

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城軌車輛再生制動(dòng)能量吸收方案研究

公丕柱

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司, 山東濟(jì)南 250101)

對城軌車輛再生制動(dòng)特性進(jìn)行了分析，定量計(jì)算出列車再生制動(dòng)能量和功率?；谀壳暗募夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了低壓逆變回饋和超級(jí)電容儲(chǔ)能混合型方案；闡述了系統(tǒng)各部分組成和功能，并給出了逆變系統(tǒng)優(yōu)先吸收再生能量的控制策略。為滿足列車再生能量需全部吸收利用的需求，提出了混合型系統(tǒng)的容量配置方法并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算。本方案既能將列車再生能量全部吸收利用，又可穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，對于降低建設(shè)投資和減少運(yùn)營費(fèi)用具有現(xiàn)實(shí)意義。

再生制動(dòng)； 逆變回饋； 超級(jí)電容； 儲(chǔ)能； 容量配置

城市軌道交通站間距離較短，列車起動(dòng)、制動(dòng)頻繁，為了節(jié)省電能、減少機(jī)械制動(dòng)裝置的磨損，列車制動(dòng)一般采用以電制動(dòng)為主、機(jī)械制動(dòng)為輔的控制原則，當(dāng)電制動(dòng)力不足或失效時(shí)，由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)足或替代。因此，列車在制動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的再生制動(dòng)能量。

牽引供電系統(tǒng)一般采用二極管不可控整流器實(shí)現(xiàn)由三相交流電能向直流電能的轉(zhuǎn)換，能量只能單向流動(dòng)，當(dāng)列車再生制動(dòng)能量沒有被鄰近車輛完全吸收時(shí)，為了維持直流牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，需要通過制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗。電阻制動(dòng)不僅浪費(fèi)了電能，同時(shí)也增加了空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)，使城市軌道交通的運(yùn)營成本增加。

目前，列車再生制動(dòng)能量的高效利用主要是通過逆變回饋和能量存儲(chǔ)兩種方式[1-2]?；诔?jí)電容在國內(nèi)儲(chǔ)能領(lǐng)域的飛速發(fā)展以及性價(jià)比的不斷提高，提出了低壓逆變回饋+超級(jí)電容儲(chǔ)能混合型方案，融合了低壓逆變裝置和超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的優(yōu)點(diǎn)，既能將列車再生能量循環(huán)利用，又可減小直流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，改善供電質(zhì)量。

1　再生制動(dòng)能量計(jì)算

1.1再生制動(dòng)特性分析

再生制動(dòng)是指列車牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)工況，牽引電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電通過牽引變流器整流為直流電并反饋回電網(wǎng)。電機(jī)再生制動(dòng)特性曲線一般設(shè)計(jì)為兩個(gè)區(qū)域，分別為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域和自然特性區(qū)域，如圖1所示，圖中：B為制動(dòng)力，v為列車運(yùn)行速度，AB段為自然特性區(qū)域；BC段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域；C0段為空氣制動(dòng)逐漸替代電制動(dòng)區(qū)域。

圖1　電機(jī)再生制動(dòng)特性曲線

電機(jī)再生功率為：

(1)

列車回饋至電網(wǎng)的瞬時(shí)功率為:

(2)

式中n1為列車動(dòng)車數(shù)量，n2為動(dòng)車電機(jī)數(shù)量，η1為齒輪傳動(dòng)效率，η2為電機(jī)效率，η3為牽引變流器效率，Psiv為列車輔助設(shè)備實(shí)際用電功率。

電機(jī)再生制動(dòng)能量為：

(3)

式中a為列車平均減速度。

(4)

1.2實(shí)例計(jì)算

以國內(nèi)某線路為例，列車編組形式為4動(dòng)2拖，最高運(yùn)行速度100 km/h，牽引網(wǎng)額定電壓為1 500 V，常用制動(dòng)平均減速度為1.0 m/s2，AW2載荷時(shí)列車總重為287.6 t，輔助設(shè)備實(shí)際用電功率為200 kW，齒輪傳動(dòng)效率為0.97，牽引變流器效率為0.98，電機(jī)效率為0.92，電機(jī)再生制動(dòng)力為19.04 kN，電機(jī)自然特性點(diǎn)速度為65 km/h，再生制動(dòng)退出速度為65 km/h。利用式(1)～式(4)計(jì)算出列車再生制動(dòng)功率和能量，列車回饋至電網(wǎng)的再生功率與速度關(guān)系見圖2，列車回饋至電網(wǎng)的再生制動(dòng)能量與制動(dòng)初始速度關(guān)系曲線見圖3。

如圖2、圖3所示，列車再生制動(dòng)功率為尖峰狀，且尖峰功率很大(最大可達(dá)4 600 kW)；列車再生制動(dòng)能量隨制動(dòng)起始速度的減小而減小，若列車從90 km/h時(shí)開始制動(dòng)，則列車產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量為18.4 kW·h。

圖2　列車再生功率與速度關(guān)系曲線

圖3　列車再生能量與制動(dòng)初始速度關(guān)系曲線

2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于列車再生制動(dòng)能量和功率都很大，再生制動(dòng)能量吸收裝置如果單獨(dú)采用低壓逆變回饋方式，受車站動(dòng)力照明負(fù)載功率和配電變壓器容量的限制，列車再生制動(dòng)能量不能完全吸收，需要電阻制動(dòng)補(bǔ)充吸收。再生制動(dòng)能量吸收裝置如果單獨(dú)采用儲(chǔ)能方式，則要求儲(chǔ)能裝置具有很大的功率與容量，導(dǎo)致成本與體積增大。因此，本文提出將低壓逆變回饋和超級(jí)電容儲(chǔ)能兩種方式相結(jié)合的方案，圖4為再生制動(dòng)能量吸收裝置系統(tǒng)原理圖。

2.1逆變回饋系統(tǒng)

逆變回饋系統(tǒng)主要由直流開關(guān)柜、逆變柜、隔離變壓器、交流開關(guān)柜等幾部分組成，各部分組成和功能：

(1)直流開關(guān)柜主要包括直流接觸器、隔離開關(guān)等器件。用于控制逆變柜與牽引網(wǎng)的接通與分?jǐn)唷?/p>

圖4　再生制動(dòng)能量吸收裝置系統(tǒng)原理圖

(2)逆變柜主要包括IGBT單元、測量與控制電路。用于判斷逆變裝置準(zhǔn)確投入工作，并根據(jù)再生能量的大小調(diào)節(jié)相應(yīng)的吸收容量，將再生電能逆變?yōu)榕cAC 400 V電網(wǎng)同相位、同頻率的交流電回饋電網(wǎng)。

(3)隔離變壓器的主要作用是匹配逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電網(wǎng)隔離。

(4)交流開關(guān)柜主要包括交流接觸器、隔離開關(guān)等器件。用于控制逆變柜與AC 400 V電網(wǎng)的接通與分?jǐn)唷?/p>

2.2儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由直流開關(guān)柜、DC-DC功率變換器、超級(jí)電容器組3部分組成，各部分組成和功能：

(1)直流開關(guān)柜主要包括直流接觸器、隔離開關(guān)等器件，用于控制儲(chǔ)能系統(tǒng)與牽引網(wǎng)的接通與分?jǐn)唷?/p>

(2) DC-DC功率變換器主要包括IGBT單元、儲(chǔ)能電感、測量與控制電路。在功能上相當(dāng)于Boost變換器和Buck變換器的組合，主要工作在3個(gè)狀態(tài)，列車牽引時(shí)，變換器等效為升壓斬波器，將超級(jí)電容中的能量釋放到牽引網(wǎng)上；列車惰行時(shí)，變換器停止工作，處于備用狀態(tài)；列車制動(dòng)時(shí)，變換器等效為降壓斬波器，將牽引網(wǎng)的能量儲(chǔ)存到超級(jí)電容。通過以上3個(gè)狀態(tài)的切換，完成對再生制動(dòng)能量的吸收和釋放。

(3)超級(jí)電容器組是儲(chǔ)存能量的載體。超級(jí)電容由于單體電壓較低，一般為2.5～2.7 V，不能滿足列車再生制動(dòng)能量吸收裝置的電壓和能量等級(jí)要求；實(shí)際應(yīng)用中，常采用同型號(hào)的超級(jí)電容單體通過串、并聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容器組。

超級(jí)電容可近似等效為電阻與電容的串聯(lián)[3]，假設(shè)超級(jí)電容器組有m個(gè)特性相同的電容單體串聯(lián)成一條支路，再由n條相同的支路并聯(lián)組成，則超級(jí)電容組的等效電容、額定電壓和等效內(nèi)阻為：

(5)

式中Cc為單體容量；Rc為單體內(nèi)阻；Uc為單體額定電壓。

超級(jí)電容組儲(chǔ)存的能量為:

(6)

式中Ue為超級(jí)電容額定工作電壓；U0為超級(jí)電容放電終止電壓；α為超級(jí)電容放電深度。

2.3控制策略

再生制動(dòng)能量在逆變系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的分配可以有多種策略，主要通過判斷直流母線電壓、電流實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)之間的切換?；诘蛪耗孀兓仞佅到y(tǒng)在國內(nèi)已有較多的應(yīng)用，本文主要研究逆變系統(tǒng)優(yōu)先控制策略，在再生制動(dòng)能量吸收的過程中，逆變系統(tǒng)始終工作，而儲(chǔ)能系統(tǒng)作為逆變系統(tǒng)的補(bǔ)充，吸收再生能量的尖峰功率。

再生制動(dòng)能量吸收裝置控制系統(tǒng)根據(jù)直流母線電壓升高以及電流流向的變化判斷車輛處于制動(dòng)工況，當(dāng)直流母線電壓上升達(dá)到第1預(yù)設(shè)值時(shí)，向逆變系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，并且以該值作為逆變系統(tǒng)的電壓基準(zhǔn)值，當(dāng)電壓進(jìn)一步上升時(shí)，逆變系統(tǒng)以實(shí)際的直流母線電壓與該基準(zhǔn)值的差值控制輸出電流，直到輸出電流達(dá)到逆變系統(tǒng)的最大輸出電流。如果直流母線電壓進(jìn)一步上升并達(dá)到第2預(yù)設(shè)值，則啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，與逆變系統(tǒng)共同吸收再生能量，將直流母線電壓限定在系統(tǒng)最高電壓值以下。隨著車輛制動(dòng)過程的進(jìn)行，車輛再生制動(dòng)輸出能量逐漸減小，直流母線電壓也將隨之降低，當(dāng)該電壓低于第2預(yù)設(shè)值后，儲(chǔ)能系統(tǒng)退出工作，由逆變系統(tǒng)獨(dú)自吸收再生能量。當(dāng)直流母線電壓下降第1預(yù)設(shè)值時(shí)，逆變系統(tǒng)停止工作。

當(dāng)列車處于牽引工況時(shí)，由于牽引整流器內(nèi)阻的存在，直流母線電壓隨著列車牽引功率的增加而下降，當(dāng)直流母線電壓下降到預(yù)設(shè)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，維持直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)超級(jí)電容荷電狀態(tài)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)停止工作。

3　容量配置

列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量一部分會(huì)被鄰近車輛吸收，相關(guān)研究表明，隨列車運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同，該比例系數(shù)的變化范圍為20%～80%[4]。因此，再生制動(dòng)能量吸收裝置的總?cè)萘繎?yīng)根據(jù)列車運(yùn)行仿真結(jié)果和類似線路的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算確定。

3.1逆變系統(tǒng)容量

低壓逆變系統(tǒng)回饋的電能一部分供車站內(nèi)動(dòng)力照明負(fù)荷使用，另一部分通過配電變壓器回饋至35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)。為保證400 V電網(wǎng)的可靠性及穩(wěn)定性，逆變系統(tǒng)最大容量不能超過配電變壓器的容量。目前，國內(nèi)產(chǎn)品功率等級(jí)主要有650，900，1 200，2 000 kW[5]。具體項(xiàng)目選型時(shí)必須結(jié)合車站負(fù)荷功率和配電變壓器容量選擇合適的功率。

3.2儲(chǔ)能系統(tǒng)容量

儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置時(shí)需考慮雙向DC/DC變換器變壓比、需吸收的列車再生能量和最大功率3個(gè)約束條件。

(1)雙向DC/DC變換器并聯(lián)在直流供電網(wǎng)中，超級(jí)電容向直流網(wǎng)放電時(shí)工作在Boost模式，為保證電路工作穩(wěn)定，將Boost電路升壓比限制在3之內(nèi)[6]，因此，超級(jí)電容器最小工作電壓為U0>Ue/3?？紤]超級(jí)電容內(nèi)阻以及充放電端口電壓變化大對超級(jí)電容效率的影響[7]，選擇最大放電深度為0.5，超級(jí)電容器組的額定工作電壓Ue=2U0。

(2)根據(jù)前述控制策略，車輛再生制動(dòng)能量優(yōu)先為鄰近車輛吸收，剩余部分制動(dòng)能量首先被逆變系統(tǒng)吸收，然后由儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量滿足：

(7)

式中WG為列車回饋至電網(wǎng)的再生能量；k為鄰近車輛吸收系數(shù)；Winv為逆變系統(tǒng)的吸收容量；ηDC為雙向DC/DC變換器效率。

實(shí)際工程計(jì)算時(shí)，將計(jì)算所得的單體數(shù)量適當(dāng)向上取整數(shù)，彌補(bǔ)因忽略內(nèi)阻而損耗的能量。

(3)超級(jí)電容器組充電時(shí)，工作電壓為動(dòng)態(tài)且變化范圍較大，故超級(jí)電容器組充電功率的是動(dòng)態(tài)的，如果超級(jí)電容器組采用恒流充電方式，則充電功率為：

(8)

式中U0為超級(jí)電容器組的充電初始電壓；I為超級(jí)電容器組的最大充電電流；C為超級(jí)電容器組等效電容；t為超級(jí)電容器組充電時(shí)間。

由式(8)可知，超級(jí)電容器組的功率和電壓隨時(shí)間直線增大，根據(jù)列車再生制動(dòng)能量的特點(diǎn)，超級(jí)電容器組采用在充電初期恒流充電而后逐漸減小電流方式，充電峰值功率滿足：

(9)

式中PGp為列車回饋至電網(wǎng)再生能量的峰值功率；Pinv為逆變裝置額定功率。

3.3實(shí)例計(jì)算

假設(shè)列車再生制動(dòng)能量和功率采用前面參數(shù)，低壓逆變系統(tǒng)的額定功率為1 200 kW，雙向DC/DC變換器的效率為0.95，超級(jí)電容器組額定電壓為1 000 V，超級(jí)電容器參數(shù)如下：額定電容值為3 000 F，額定電壓2.7 V，短路電流值為4 800 A，質(zhì)量為0.55 kg，體積為0.475 dm3。當(dāng)鄰近車輛吸收系數(shù)分別為0，20%，40%，60%時(shí)，根據(jù)式(5)～式(9)計(jì)算超級(jí)電容器組配置結(jié)果見表1。

由表1可以看出，提高鄰近車輛吸收系數(shù)可顯著減少再生制動(dòng)能量吸收裝置的容量，從而減小設(shè)備體積和降低成本。

表1　超級(jí)電容器組配置結(jié)果

4　結(jié)束語

電力電子技術(shù)的發(fā)展使得列車再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)越來越多樣化，混合型再生制動(dòng)能量吸收方案可有效降低裝置研制難度，提高系統(tǒng)可靠性，在保證列車進(jìn)行正常制動(dòng)的前提下以較合理的設(shè)備投資實(shí)現(xiàn)了全部再生電能的回收利用。該方案是解決列車再生制動(dòng)能量利用問題的一種有益探索，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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Study on Regenerative Braking Energy Absorption for Urban Rail Vehicle

GONGPizhu

(Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101 Shandong, China)

The regenerative braking characteristics of urban rail vehicles are analyzed, and the energy and power of the regenerative braking are calculated. Based on the present situation of technology development, a hybrid scheme of low voltage inverter feedback and super capacitor energy storage is proposed. The components and functions of the system are described, and the control strategy with a preference to the inverter system absorption is given. In order to absorb all the regenerative braking energy of the train, the capacity allocation method for the hybrid system is proposed, and the practical calculation is carried out. This hybrid scheme not only can absorb all the regenerative braking energy of the train, but also can stabilize the traction network voltage, which has practical significance for reducing construction investment and operation cost.

regenerative braking; inverter feedback; super-capacitor; energy storage; capacity allocation

1008-7842 (2016) 02-0120-04

??)男，工程師(

2015-11-16)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.29