淺談再生能饋設(shè)備的研究背景及設(shè)備分類

摘 要：目前，我國(guó)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用二極管整流機(jī)組供電方式。該供電方式存在著直流牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍大、能量只能單向流動(dòng)等缺點(diǎn)。為解決這一問(wèn)題，再生能饋裝置應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)階段，此裝置共分為電阻消耗型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型四類，本文對(duì)此四類能饋裝置的工作原理、運(yùn)行現(xiàn)狀等進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，從穩(wěn)定性、實(shí)用性等方面分析，逆變回饋型能饋裝置為現(xiàn)我國(guó)市場(chǎng)現(xiàn)階段的主流產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：再生能饋;逆變回饋;飛輪儲(chǔ)能;超級(jí)電容

一、研究背景

目前，我國(guó)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用二極管整流機(jī)組供電方式。該供電方式存在著直流牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍大、能量只能單向流動(dòng)等缺點(diǎn)。當(dāng)列車剎車制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的制動(dòng)能量如不能被附近列車吸收，便會(huì)使得牽引網(wǎng)電壓飆升，導(dǎo)致列車再生制動(dòng)能力降低甚至列車制動(dòng)失效。

多年來(lái)，較為傳統(tǒng)的作法是將這一部分制動(dòng)能量通過(guò)車載電阻的方式消耗掉，如圖1所示。

由于城市軌道交通列車的特殊性，具有列車行進(jìn)站間距離短、起動(dòng)及制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，列車安裝車載制動(dòng)電阻不但會(huì)將這部分能量白白消耗掉，造成能源的浪費(fèi);還會(huì)增加列車重量，從而影響載客量;與此同時(shí)，還會(huì)造成隧道的溫升，增加環(huán)控風(fēng)機(jī)負(fù)荷量，造成能量的二次消耗。

二、現(xiàn)市場(chǎng)主要再生能饋裝置分類

隨著技術(shù)的進(jìn)步及市場(chǎng)的擴(kuò)大，目前，世界各地所廣泛使用的再生能饋裝置主要分為四大類，分別是：電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、電阻能耗型及逆變回饋型。

（一）電阻能耗型

電阻能耗型吸收裝置是用電阻將多余的再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量消耗掉，從而達(dá)到穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的作用。但其實(shí)此型能饋裝置的本質(zhì)就是將從前列上上的車載電阻替換為站內(nèi)的能饋電阻，不過(guò)也將從前車載電阻產(chǎn)生的熱量集中在了變電站內(nèi)，雖隧道不至于升溫，但變電站內(nèi)仍需安裝專門的通風(fēng)設(shè)備，將這部分熱量帶走，以保證其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

此型設(shè)備為能饋設(shè)備的第一代產(chǎn)品，雖有減輕列車重量，防止隧道升溫，控制簡(jiǎn)單，減少閘瓦制動(dòng)對(duì)閘瓦的損耗等優(yōu)點(diǎn)，但不具備能量反饋功能，將列車制動(dòng)能量白白消耗掉。此型裝置在國(guó)內(nèi)重慶、天津、廣州、北京等地早已成熟應(yīng)用

（二）電容儲(chǔ)能型

電容儲(chǔ)能型吸收裝置顧名思義是經(jīng)列車制動(dòng)能量通過(guò)超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)將此部分能量的吸收及利用，組成原理圖如圖2所示，其主要元器件由超級(jí)電容及雙向DC/DC變流器兩大部分組成。在列車制動(dòng)工況下，產(chǎn)生的電能未被此供電臂內(nèi)其他車輛消耗的情況下，由雙向DC/DC變流器加以控制，為超級(jí)電容充電，將此部分電能儲(chǔ)存于超級(jí)電容內(nèi)，當(dāng)次供電臂內(nèi)有車輛處于牽引狀態(tài)，導(dǎo)致牽引網(wǎng)網(wǎng)壓下降時(shí)，超級(jí)電容放電，將此部分電能通過(guò)雙向DC/DC變流器放出，共牽引車輛使用，從而減少牽引機(jī)組輸出功率，從而達(dá)到穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的作用。

此型裝置優(yōu)點(diǎn)明顯，控制較為簡(jiǎn)單，無(wú)能饋?zhàn)儔浩鞯仍O(shè)備，可以降低能饋過(guò)程中的銅損等無(wú)謂損耗，將牽引網(wǎng)能量直接反饋至牽引網(wǎng)，充分利用了列車制動(dòng)能量，節(jié)能效果好，并可取代車載制動(dòng)電阻，在北京、青島等地已有了實(shí)際的應(yīng)用。但缺點(diǎn)也尤為明顯，由于用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容體積龐大、工況噪音較大、價(jià)格高昂，如需滿足吸收列車全部制動(dòng)再生能耗的需求，需在并接大量超級(jí)電容才能得以實(shí)現(xiàn)，故需要較大占地面積。因此，并不適用于老線改造，等空閑面積并不充裕的變電站，實(shí)際應(yīng)用較少。

（三）飛輪儲(chǔ)能型

飛輪儲(chǔ)能型再生利用裝置是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將列車制動(dòng)的電能裝換為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能的裝置，組成原理圖如圖3所示。此型裝置由儲(chǔ)能器及雙向變流器兩部分組成。其原理與電容儲(chǔ)能型類似，僅將儲(chǔ)能電容變?yōu)榱藘?chǔ)能器。其中儲(chǔ)能器由飛輪及同步電機(jī)構(gòu)成。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高，電機(jī)受雙向變流器控制，帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將列車制動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成飛輪飛速轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)同一供電臂內(nèi)列車處于牽引工況時(shí)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓下降，飛輪內(nèi)部的動(dòng)能將會(huì)通過(guò)控制重新轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽凰椭翣恳W(wǎng)，供此供電臂內(nèi)列車使用，可以降低牽引機(jī)組功率輸出，穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓。

飛輪儲(chǔ)能型再生利用裝置可以充分利用列車制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的能量，具有可觀的節(jié)能性，同時(shí)，可以實(shí)時(shí)追蹤牽引網(wǎng)網(wǎng)壓，根據(jù)控制列出運(yùn)行不同工況時(shí)，實(shí)時(shí)吸收或釋放能量，可以良好的穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓。但儲(chǔ)能器中的飛輪屬于高速轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，需采用密閉環(huán)境及特殊制造技術(shù)，使用壽命及維護(hù)成本都有待確認(rèn)，且現(xiàn)只有少數(shù)國(guó)外廠商能夠生產(chǎn)，由于特殊原因并未在中國(guó)市場(chǎng)推廣使用，故國(guó)內(nèi)仍沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品使用的先例。

（四）逆變回饋型

逆變回饋型再生制動(dòng)裝置是電力電子元件組成的三相逆變器將直流牽引網(wǎng)因列車制動(dòng)產(chǎn)生的多余電能，重新反饋回直流牽引網(wǎng)的裝置，設(shè)備的原理圖如圖4所示，其主要包括隔離變壓器、電抗器及逆變器三部分。

逆變回饋型再生制動(dòng)裝置可以較為充分的實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)能量的再利用，具有良好的節(jié)能性，可以完全取代車載電阻，但與此前兩種能饋形式略有不同的是，此型能饋裝置并非將直流牽引網(wǎng)能量直接回饋至牽引網(wǎng)系統(tǒng)，而是將此部分能量通過(guò)逆變的方式直接回饋至牽引系統(tǒng)的上級(jí)交流電網(wǎng)，或配電網(wǎng)，不需要配備其他的儲(chǔ)能設(shè)備，因此也較好的解決了設(shè)備發(fā)熱的問(wèn)題，不會(huì)對(duì)環(huán)網(wǎng)產(chǎn)生諧波等危害，易于維護(hù)，與此同時(shí)，由于電力電子元件的可控性較強(qiáng)，此型設(shè)備還可提供牽引能量，無(wú)功補(bǔ)償，線路融雪等功能。因此，市場(chǎng)前景較為廣闊，也是現(xiàn)在市場(chǎng)的主流選型設(shè)備?，F(xiàn)在全國(guó)北京、新疆、云南等絕大部分地區(qū)多有使用。

參考文獻(xiàn)

[1]張剛.城市軌道交通能饋式牽引供電變流系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[博士學(xué)位論文].北京交通大學(xué) 2017

[2]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生電能的吸收與利用分析.城市軌道交通研究，2007，10（6）：42-45.

[3]沈茂盛，劉志剛，張鋼等.采用三電平電壓型PWM整流器的地鐵牽引供電系統(tǒng).電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（7）：74-77.

作者簡(jiǎn)介：

韓倫（1988-），男，北京，中級(jí)職稱，本科學(xué)歷，研究方向：電力系統(tǒng)在市軌道交通中的應(yīng)用，及城市軌道交通行業(yè)中交、直流系統(tǒng)繼電保護(hù)的配置。