再生制動能量吸收裝置配置方案對比分析

陳蘇南++李鵬

摘 要：本文分析了目前國際和國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域主要的再生制動設(shè)置方案，并將各種配置方案進(jìn)行了全方面對比分析。

關(guān)鍵詞：再生制動；IGBT；電容儲能；逆變回饋；電阻能耗

中圖分類號：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

地鐵系統(tǒng)設(shè)備及機(jī)電設(shè)備中，車輛牽引用電占地鐵用電總負(fù)荷的一半左右，因此列車再生制動是地鐵節(jié)能工作的重要研究和發(fā)展方向之一。城市軌道交通系統(tǒng)的制動能量可達(dá)到牽引能量的1/3～1/2，再生制動的能量部分可以被相鄰車輛和本車輔助設(shè)備吸收，不能被吸收的則被轉(zhuǎn)換為車載電阻消耗或空氣制動機(jī)械消耗，然而目前有多種再生制動技術(shù)同時發(fā)展，到底哪一種是未來列車再生制動發(fā)展的主要方向是本文的主要研究內(nèi)容。

1.再生制動的原理及類型

再生制動能量吸收裝置的主要工作原理是，當(dāng)制動工況下的列車組生成的制動能量被相鄰車輛和用電設(shè)備消化不了時，接觸軌電壓將很快上升，電壓上升到一定程度后，變電所中設(shè)置的再生制動裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，多余的電能被消耗，使車輛制動。為了能夠充分利用制動電能，世界各主要軌道交通發(fā)達(dá)國家，都在不斷研究制動能量的回收利用模式，主要包括以下幾種形式：電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型（包括逆變至中壓和逆變至低壓）等多種方式。

1.1電阻耗能型

電阻能耗再生制動吸收裝置，是把制動電阻從車輛上移至地面，主要由IGBT進(jìn)行控制，將產(chǎn)生的制動能量在電阻上以熱能的形式進(jìn)行消耗。裝置主要由隔離開關(guān)柜、制動控制柜和制動電阻柜組成，通過直流開關(guān)柜掛接在牽引變電所直流母線上。

該類型裝置國內(nèi)技術(shù)已比較成熟，在國內(nèi)地鐵線路中應(yīng)用較多

1.2電容儲能型

電容儲能型利用IGBT逆變器把列車的再生制動能量收集到大容量電容器組中，當(dāng)有列車起動、加速需要引流時，該裝置將電能釋放，進(jìn)行回收再利用。系統(tǒng)組成主要由IGBT充電器、儲能電容器和控制器構(gòu)成，電容器通過充電器掛接在牽引變電所直流母線上。

目前該產(chǎn)品主要是德國西門子、歐洲的法蘭克福和馬德里軌道交通中有應(yīng)用，青島地鐵3號線、2號線設(shè)置了3套超級電容，主要設(shè)在牽引供電區(qū)間較長和坡度較大區(qū)間的牽引變電所內(nèi)。

1.3飛輪儲能型

飛輪儲能型再生電能吸收裝置，針對變電所直流空載電壓和母線電壓進(jìn)行跟蹤判斷，判斷再生能量能否被鄰車和輔助設(shè)備吸收。當(dāng)判斷鄰車有再生能量要吸收時，飛輪快速轉(zhuǎn)動，將能量進(jìn)行儲存；當(dāng)判斷鄰車啟動牽引用電時，飛輪降低速度，將電能反饋至牽引網(wǎng)。該設(shè)備同時具有穩(wěn)壓和電能儲存功能。主要構(gòu)成設(shè)備：IGBT變流器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和控制器。

1.4逆變回饋型

逆變回饋型再生電能吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上；當(dāng)再生制動使直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。

根據(jù)回饋路徑和電壓等級的不同，逆變回饋型方式又分為低壓逆變型（0.4kV）和中壓逆變型（10kV和35kV）兩類。

1.4.1低壓逆變型

低壓逆變型再生電能吸收裝置逆變后的電能僅用于本車站的低壓設(shè)備，制動能量不能被完全吸收，因此往往采用逆變+電阻混合型。主電路由隔離開關(guān)、接觸器、濾波器、IGBT電阻吸收裝置、IGBT逆變回饋裝置、隔離變壓器、傳感器，控制電源、微機(jī)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

該類型裝置目前國內(nèi)重慶地鐵1號線、6號線，成都地鐵7號線、11號線均采用逆變+電阻型裝置。

1.4.2中壓逆變型

中壓逆變型再生能量吸收裝置，將直流側(cè)的機(jī)車制動電能轉(zhuǎn)化為交流側(cè)電能送回中壓交流電網(wǎng)中。利用了35kV系統(tǒng)較大的供電系統(tǒng)負(fù)荷容量為支撐，提高列車再生制動能量的利用率，節(jié)能效果好。裝置的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括能饋?zhàn)儔浩?、變流器柜、直流柜等?/p>

目前國內(nèi)該類型裝置應(yīng)用處于初始階段，在2011年3月，該類型裝置于廣州地鐵四號線新造車輛段進(jìn)行了對系統(tǒng)影響測試、功能驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)。同時在2012年底北京地鐵10號線二期和14號線各選取了兩座牽引變電所進(jìn)行示范性應(yīng)用，節(jié)能效果優(yōu)良。

2.再生制動能量吸收的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1電阻能耗型

優(yōu)點(diǎn)：控制簡化且直接，取消列車電阻制動配置，投資較之前減少，列車動力性能得到提高；隧道溫度得到降低、減少閘瓦制動對閘瓦的消耗和閘瓦制動粉塵、改善隧道環(huán)境，目前國內(nèi)產(chǎn)品制造較成熟，價(jià)格低。

缺點(diǎn)：電能轉(zhuǎn)化為熱能集中在制動電阻上，再生能量以熱量的形式被消耗；環(huán)境溫度上升，由于發(fā)熱較高，需放置于地面，涉及與地方規(guī)劃部門的協(xié)調(diào)征地問題。聲音刺耳，易引起周圍居民投訴。從技術(shù)發(fā)展角度，電阻耗能型電能吸收裝置不是再生能量制動的發(fā)展方向之一。

2.2飛輪儲能型

優(yōu)點(diǎn)：該裝置有效利用列車制動的再生能量，節(jié)能效益好；裝置接在中壓網(wǎng)與回流軌間也可以接在牽引變電所正負(fù)母線間，再生能量直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，不影響交流系統(tǒng)；能夠穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓。

缺點(diǎn)：飛輪畢竟是高速轉(zhuǎn)動機(jī)械產(chǎn)品，技術(shù)要求較高，廠家約定使用時間可達(dá)20年，但尚沒有工程應(yīng)用的先例，目前尚不明確壽命是否能滿足要求，人員維護(hù)和維修是否方便。對于運(yùn)量較大的地鐵線路，目前的產(chǎn)品單體容量較小，不能滿足完全吸收列車再生能量的需要；若采用幾套裝置并聯(lián)工作的形式使容量滿足要求，設(shè)備價(jià)格將成倍增加。

2.3電容儲能型

優(yōu)點(diǎn)：可減小或取消列車制動電阻，高效利用列車制動時再生能量，節(jié)能效果好；再生能量只在直流系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不會影響交流系統(tǒng)；穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓；維護(hù)簡單和元器件更換方便。

缺點(diǎn)：采用電容作為存儲介質(zhì)，一直存在壽命短的質(zhì)疑；容量小、造價(jià)高。

2.4逆變回饋型

優(yōu)點(diǎn)：部分利用了列車再生制動能量，具有一定的節(jié)能作用；其能量直接回饋到中壓環(huán)網(wǎng)或車站AC 0.4kV電網(wǎng)，不需要配置儲能元件。

缺點(diǎn)：技術(shù)上屬于電阻耗能型和全逆變型的過渡產(chǎn)品；受限于低壓側(cè)負(fù)荷容量，再生電能得不到充分利用；將電能逆變至低壓側(cè)，系統(tǒng)容量小，供電質(zhì)量易受影響。

結(jié)語

經(jīng)比較，電阻耗能型吸收裝置，再生制動電能不能被利用，不代表技術(shù)發(fā)展方向，不推薦使用；電容儲能型吸收裝置現(xiàn)階段國內(nèi)應(yīng)用及運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足，且電容容量小，費(fèi)用高；飛輪儲能型吸收裝置國內(nèi)單體容量較小，費(fèi)用高，無工程應(yīng)用；低壓逆變型回饋方式屬于電阻耗能型與中壓逆變型中間的過渡型產(chǎn)品，不能將再生電能充分利用，需要加裝電阻消耗，也不推薦使用；中壓逆變型節(jié)能效果好，技術(shù)成熟，應(yīng)用較為廣泛。

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