城鐵車(chē)輛再生制動(dòng)能量吸收裝置淺析

陳光東　劉麗雯　黃寧

摘要：城市軌道交通車(chē)輛電制動(dòng)過(guò)程中會(huì)向線網(wǎng)反饋電能，當(dāng)線網(wǎng)電壓過(guò)高無(wú)法繼續(xù)吸收時(shí)，利用車(chē)載制動(dòng)電阻吸收電能。本文簡(jiǎn)單介紹了電阻吸收性、電容或飛輪儲(chǔ)能型、逆變-電阻混合吸收性、逆變回饋型的車(chē)體外的再生制動(dòng)能量吸收裝置，并對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行的簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：再生制動(dòng) 軌道交通 能量吸收裝置

一、前言

車(chē)輛在制動(dòng)工況下優(yōu)先利用電制動(dòng)，電制動(dòng)能力不足時(shí)，再將不足的制動(dòng)力分配給空氣制動(dòng)。再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)為電制動(dòng)的兩種形式。當(dāng)供電線網(wǎng)的網(wǎng)壓高于限定值時(shí)。無(wú)法再吸收由再生制動(dòng)反饋回來(lái)的能量，則利用電阻制動(dòng)吸收線網(wǎng)未能吸收的能量。當(dāng)再生制動(dòng)觸發(fā)時(shí)，車(chē)輛的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)產(chǎn)生再生能量。并將電能通過(guò)整流裝置反饋給線網(wǎng)。由于采用二極管整流設(shè)備，僅能單向向電網(wǎng)傳輸，無(wú)法反饋到上級(jí)電網(wǎng)，只能被直流電網(wǎng)暫時(shí)存儲(chǔ)。因此若供電電網(wǎng)中無(wú)其他車(chē)輛吸收，將會(huì)導(dǎo)致直流供電網(wǎng)壓升高。

二、不同形式的車(chē)體外吸能裝置介紹與優(yōu)缺點(diǎn)分析

車(chē)輛利用自身制動(dòng)電阻進(jìn)行能量吸收的方法是：當(dāng)再生制動(dòng)反饋給線網(wǎng)上的能量過(guò)多，線網(wǎng)無(wú)法繼續(xù)吸收時(shí)，列車(chē)?yán)弥苿?dòng)電阻將未能吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗。但車(chē)輛自帶制動(dòng)電阻會(huì)增加列車(chē)的自重：并且制動(dòng)電阻工作時(shí)散發(fā)的熱量易影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性等。所以將再生制動(dòng)多余的能量吸收裝置移至車(chē)輛外尤為必要。

目前，將再生制動(dòng)的能量吸收裝置設(shè)置在車(chē)輛外的方案已應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外軌道交通中，主要形式有：電阻吸收型；電容儲(chǔ)能型＼飛輪儲(chǔ)能型：逆變-電阻混合吸收型及逆變回饋型。下面對(duì)這4種裝置形式進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹及優(yōu)缺點(diǎn)的探討。

（一）電阻吸收型

電阻吸收型主要利用多相IGBT斬波器配合制動(dòng)電阻的進(jìn)行恒壓吸收，根據(jù)線網(wǎng)的電壓變化來(lái)控制斬波器的導(dǎo)通比，從而改變線網(wǎng)的吸收功率，將線網(wǎng)電壓維持在設(shè)定值的范圍內(nèi)。能量消耗在電阻上。

目前。北京機(jī)場(chǎng)線、天津地鐵1號(hào)線等工程中均使用了該類(lèi)裝置，其運(yùn)行效果良好。該類(lèi)裝置優(yōu)點(diǎn)在于成本較低、易于控制、功率組合便捷、可靠性高、易于維修、長(zhǎng)使用壽命。缺點(diǎn)是：吸收電阻在工作時(shí)熱量集中，若采用風(fēng)冷時(shí)需要解決相應(yīng)的通風(fēng)動(dòng)能裝置將熱能排出。若用水冷時(shí)需要解決好絕緣問(wèn)題；并且再生制動(dòng)能量未被利用，浪費(fèi)了再生制動(dòng)的電能。

（二）電容或飛輪儲(chǔ)能型。

電容儲(chǔ)能型或飛輪儲(chǔ)能型兩種裝置原理相似。均是利用大容量電容器組或飛輪電機(jī)將再生制動(dòng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有車(chē)輛進(jìn)行加速或者啟動(dòng)時(shí)，電容或飛輪的儲(chǔ)能器將存儲(chǔ)的電能釋放到供電線網(wǎng)上。

該類(lèi)形式的優(yōu)點(diǎn)是能量利用率高。再生制動(dòng)能量可直接在直流牽引系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對(duì)交流系統(tǒng)不會(huì)造成影響。缺點(diǎn)在于：電容儲(chǔ)能型裝置由于短時(shí)吸收功率大。需求較多的組合電容和設(shè)備存放空間：并且電容頻繁處于充放電工況，電容使用壽命縮短；維護(hù)量大運(yùn)營(yíng)成本高；該設(shè)備容量較小，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)。電容存儲(chǔ)的電能必須通過(guò)線網(wǎng)或其他耗能設(shè)備進(jìn)行釋放，否則由于容量的限制，下一周期吸收電容無(wú)法吸收再生能量，在運(yùn)營(yíng)量較大的線路上，無(wú)法達(dá)到完全吸收利用再生制動(dòng)能量的要求。而飛輪儲(chǔ)能型裝置同樣存在占地面積大。維護(hù)工作復(fù)雜、運(yùn)營(yíng)成本高等問(wèn)題。

（三）逆變.電阻混合吸收型

逆變-電阻混合吸收型裝置主要由吸收電阻和逆變組成。逆變-電阻混合吸收裝置裝于供電線網(wǎng)上。當(dāng)再生制動(dòng)的能量低于逆變器設(shè)定的吸收能力時(shí)，再生能量可以完全經(jīng)過(guò)逆變器逆變成與交流電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電送回400V電網(wǎng)。供相關(guān)交流設(shè)備使用；當(dāng)逆變器無(wú)法全部吸收再生制動(dòng)的能量時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)利用電阻部分消耗能量，當(dāng)能量降至逆變器可吸收能力范圍內(nèi)時(shí)，電阻消耗能量退出，完全由逆變部分進(jìn)行吸收。

該類(lèi)裝置的優(yōu)點(diǎn)是：易于控制，可靠性高；既能滿足對(duì)再生制動(dòng)能量的吸收。又能進(jìn)行較好的能量利用：維護(hù)方便、設(shè)備低廉。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(shì)。

（四）逆變回饋型

逆變回饋型吸收能量裝置原理是利用大功率的三相逆變器將直流側(cè)與牽引變電所中的直流母線相連。交流側(cè)與交流電網(wǎng)相連：當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)產(chǎn)生的再生制動(dòng)的能量過(guò)多，使直流側(cè)的電壓超過(guò)限定值時(shí)，觸發(fā)三相逆變器工作，將直流側(cè)的母線吸收電流逆變成與交流電網(wǎng)同電壓、頻率、同相的交流電傳輸給交流電網(wǎng)。

逆變回饋型的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用了車(chē)輛的再生制動(dòng)能量，提高了再生能量的利用率；其能量可直接傳輸?shù)焦╇娋€網(wǎng)中，無(wú)需配置儲(chǔ)能元件及吸收電阻。

缺點(diǎn)是：直流經(jīng)過(guò)逆變后的交流電的諧波分量較大，須增設(shè)功率補(bǔ)償器及諧波抑制器，防止高次諧波對(duì)通訊信號(hào)的干擾；交流電站需要增設(shè)電網(wǎng)分配自動(dòng)平衡裝置，以平衡再生制動(dòng)時(shí)輸送給交流線網(wǎng)的浪涌電流；增強(qiáng)能量回收效果，逆變回饋裝置應(yīng)在車(chē)輛制動(dòng)區(qū)域分段就近設(shè)置。目前該類(lèi)裝置在國(guó)內(nèi)還處于研制階段，技術(shù)難題尚未解決。設(shè)備尚需完全進(jìn)口。

三、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)再生制動(dòng)能量吸收的各類(lèi)裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，其中，逆變-電阻混合吸收型、逆變回饋型這兩種裝置的利用率較其他兩種高。逆變回饋型裝置的再生制動(dòng)能量的綜合利用率最高，符合世界節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。目前由于技術(shù)難題尚未完全攻破，建議先將逆變-電阻混合吸收裝置在我國(guó)廣泛推廣。待技術(shù)成熟后，逆變回饋裝置必將成為車(chē)輛再生制動(dòng)能量吸收裝置的主流，從而達(dá)到將車(chē)輛再生制動(dòng)能量的完全利用，以最大限度地達(dá)到節(jié)能減排的目的。