城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)研究

◎張海彬

隨著時代的發(fā)展和社會的進步，科技也不斷在創(chuàng)新進步中，并在不同行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在城市交通公共工具發(fā)展中，傳統(tǒng)的公交車交通工具轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘熊壍澜煌üぞ撸S著軌道交通工具的廣泛應(yīng)用，軌道交通技術(shù)也在革新和進步發(fā)展中，同時也帶動著車輛制造、車站建設(shè)、制動系統(tǒng)等技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展和進步。隨著城市交通行業(yè)中廣泛建設(shè)軌道交通系統(tǒng)，人們對軌道交通的自動化和舒適化程度要求更高，在此背景下，城市軌道交通在實際運行中也需要做好節(jié)能環(huán)保工作，合理應(yīng)用再生制動能量，否則車輛在行駛過程中很容易對我們的生活環(huán)境造成污染和負面影響。本文主要就城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)進行分析和研究。

自從英國在20世紀80年代開創(chuàng)了第一條地下城市軌道開始，人們的出行方式發(fā)生了巨大的變化，不僅發(fā)達國家廣泛建設(shè)城市軌道交通，同時發(fā)展中國家也在摸索建設(shè)城市軌道。相較于其他城市公共交通系統(tǒng)，城市軌道交通在運行中具有更加安全、舒適、方便、準時、快速等優(yōu)點，同時不會產(chǎn)生污染，發(fā)展前景十分廣闊，同時將城市軌道交通與周邊相關(guān)領(lǐng)域聯(lián)合，可以達到1+1>2的效果。城市軌道交通在實際運行的過程中，因為車站之間的直線距離比較短，車輛的運行速度較快，很容易導致車輛頻繁制動，其中車輛制動產(chǎn)生部分能量可以被回收利用，其他大部分能量會被車輛消耗浪費，若是在城市軌道交通運行中大量回收利用車輛的制動再生能量，將會減少維護和運行軌道交通的成本，同時達到節(jié)能環(huán)保的效果。

一、城市軌道交通再生制動能量的概述

城市軌道交通在實際運行的過程中，相鄰車站之間具有較短的距離，列車具有較快的運行速度，因此啟動和制動比較頻繁，其中產(chǎn)生的制動能量龐大，根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，車輛在制動過程中能夠產(chǎn)生車輛牽引能量的30%左右能量，車輛在實際制動的過程中，通過牽引機車可以將再生制動能量向電能進行轉(zhuǎn)換，借助相關(guān)設(shè)備向電網(wǎng)中進行這些電能輸入，可以升高傳輸網(wǎng)的電壓，其中附近列車能夠吸收并利用部分能量，而車輛在實際制動中產(chǎn)生的電阻以及在發(fā)熱過程中會吸收消耗大部分能量，這些能量無法被回收利用。

二、城市軌道交通再生制動能量吸收的意義

相較于其他城市交通工具，軌道交通工具更加環(huán)保、速度較快、更加安全舒適，同時能夠消耗較少的能量產(chǎn)生較大的動力，因此在城市交通發(fā)展中得到快速推廣。在城市公共交通的發(fā)展中，軌道交通方式更受歡迎，更有利于進行環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的見色。雖然按照相同的動力分析和比較不同城市交通工具，軌道交通工具能夠消耗較小的能量，然而由于動量較大，軌道交通也會產(chǎn)生較大的總耗能量，因此，軌道交通也是耗能大戶。為了能夠?qū)Φ罔F運行中產(chǎn)生的能耗進行降低，在城市軌道交通發(fā)展中需要對該問題進行解決。

當前我國城市軌道交通主要是VVVF動車組列車，其制動方式主要是空氣制動以及再生制動和電阻制動等電制動方式，在實際列車運行中，主要通過電阻和再生制動，空氣制動作為輔助。在傳統(tǒng)的列車運行中主要是在車輛底部安裝制動電阻，通過電阻制動進行運行，若是再生電阻無法發(fā)揮作用，列車將進行空氣制動。在列車運行中，若是再生制動能量大量不被吸收，在沒有進行再生制動裝置設(shè)置的情況下，不被吸收的能量將會通過熱能的形式在地鐵隧道中散發(fā)，從而產(chǎn)生兩個弊端，分別是：首先是該部分能量通過車載制動電阻發(fā)熱或空氣制動等方式被消耗，從而造成電能的大量浪費；其次是隧道中散發(fā)的熱量導致隧道溫度升高，從而增加了設(shè)備運行環(huán)控的能耗。另外，我國很多地鐵軌道線路大多數(shù)采用獨軌系統(tǒng)和直線電機系統(tǒng)，這樣就很難將電阻制動裝置布置在車輛上。若是在線路沿線考慮進行再生能量吸收裝置的設(shè)置，將會不僅能夠阻止隧道溫度升高，同時還能夠二次利用能源，綜合提高經(jīng)濟效益。因此，在城市軌道交通建設(shè)中研究再生制動能能量利用技術(shù)是非常有意義的。

三、回收利用城市軌道交通再生制動能量

隨著城市軌道交通的發(fā)展和創(chuàng)新改革中，當前我國城市軌道交通再生制動方式主要是兩種類型，分別是消耗類和再利用類兩種形式，這兩種城市軌道交通再生制動方式被廣泛應(yīng)用，兩者具有各自的優(yōu)缺點，在實際運行中不斷優(yōu)化和改善城市軌道交通再生制動方式。目前對城市軌道交通再生制動能量進行回收利用的方式主要有以下幾點：

1.設(shè)置電阻能耗型吸收裝置。

電阻能耗型吸收裝置通過電阻吸收形成發(fā)熱現(xiàn)象，進而消耗再生制動能量。具體分析電阻能耗型吸收裝置在車輛進站制動時，當處于再生制動工況下的車輛產(chǎn)生的制動電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時，電阻型再生制動能量吸收裝置立即投入工作，吸收多余的再生能量并變成熱量，散發(fā)到外界空氣中。該裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導通比，從而調(diào)整吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。避免列車產(chǎn)生的再生制動能量失效，確保列車運行更加穩(wěn)定、安全。

目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用電阻能耗型吸收裝置進行再生制動能量的回收利用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，比如說我國生產(chǎn)的HXXS4型電阻吸收裝置，其中電阻吸收和斬波器通過多支并聯(lián)的方式進行再生制動功率的吸收，同時通過多重斬波的方式對斬波器對電網(wǎng)造成的諧波影響進行抑制。電阻能耗型吸收裝置在吸收再生制動能量的過程中主要表現(xiàn)的優(yōu)勢有：相關(guān)技術(shù)比較成熟，具有可靠的性能，前期投資少，設(shè)備和系統(tǒng)維護和保養(yǎng)的成本低，同時簡單控制，缺點主要是吸收電阻通過集中發(fā)熱的方式消耗大量制動能量，無法有效利用再生制動能量，同時也會嚴重影響到環(huán)境，使溫度升高。若該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，而且該房間需要相應(yīng)的通風動力裝置，也增加了相應(yīng)的二次能源消耗。因此，目前北京地鐵大部分線路將電阻柜放置于地面單獨房間內(nèi)，有利于電阻散熱。運行中，連續(xù)兩個站的再生制動能量裝置退出運行時會對電動列車的電制動距離產(chǎn)生影響。當前國外的日本東京、多摩和大阪的輕軌和單軌系統(tǒng)以及地鐵線路、加拿大多倫多的地鐵線路、意大利米蘭的部分地鐵線路，國內(nèi)的北京地鐵的部分線路以及重慶輕軌和廣州的部分地鐵線路中廣泛應(yīng)用電阻能耗型吸收裝置，進而對城市軌道交通再生制動能量進行回收利用。

2.應(yīng)用并網(wǎng)型吸收裝置。

并網(wǎng)型吸收裝置在回收利用再生制動能量的過程中工作原理主要是當列車產(chǎn)生再生制動能量的過程中，借助并網(wǎng)逆變器向交流電網(wǎng)進行電能回饋，其中的交流電網(wǎng)主要是指高壓10kV或35kV交流電網(wǎng)、中壓1180V交流電壓或者低壓380V交流電網(wǎng)。當直流牽引網(wǎng)中輸入再生制動能量之后電壓比預(yù)設(shè)值更高，內(nèi)部的控制系統(tǒng)將會判斷列車處于制動再生能量的狀態(tài)下，此時并網(wǎng)逆變器開始工作，并通過直流電將再生制動能量逆變成工頻交流電，并向交流電網(wǎng)進行回饋。

并網(wǎng)型吸收裝置在吸收利用再生制動能量的過程中向交流電網(wǎng)進行逆變后的再生制動能量的回饋，可以循環(huán)利用能量，起到能源節(jié)約的作用，同時能量直接回饋到城市軌道交通內(nèi)部電網(wǎng)，確保直流牽引網(wǎng)具有穩(wěn)定的電壓，也不需要配置儲能元件，這種方案在北京地鐵新建線路廣泛使用。運行中，連續(xù)兩個站的再生制動能量裝置退出運行時會對電動列車的電制動距離產(chǎn)生影響。

目前北京地鐵大部分線路使用了并網(wǎng)型再生制動能量吸收系統(tǒng)，國外主要是巴西的圣保羅地鐵、日本札幌、韓國釜山、南非的地鐵線路中應(yīng)用并網(wǎng)型吸收裝置，進而通過相關(guān)技術(shù)將再生制動能量進行回收利用。

3.器件儲能型能量吸收裝置。

器件儲能型能量吸收裝置中含有一個備用系統(tǒng)，該備用系統(tǒng)一般是電阻能耗型吸收裝置，然后變換器是雙向的，能夠在車輛制動過程中將產(chǎn)生的能量進行吸收，并傳遞到儲能器件中，當車站車輛有供電需求時，該裝置能夠釋放電能，因此，器件儲能型吸收裝置內(nèi)部儲能器具有的電能吸收和儲存能力較強，需要符合相關(guān)要求。然而考慮到城市地下軌道交通所處的地理環(huán)境比較特殊，所以該裝置內(nèi)部的儲能器件體積不能太大，同時具有較強的耐用性。目前儲能器件的開發(fā)和研究朝著更加多元化和小型化方向發(fā)展，并保障提高回收車輛再生制動能量的效果。器件儲能型吸收裝置主要包括飛輪儲能、蓄電池儲能以及電容儲能三種類型的裝置。

飛輪儲能型吸收裝置運行原理主要是飛輪在實際運轉(zhuǎn)中，通過轉(zhuǎn)速的高低控制對能量進行儲存，列車在制動的過程中，電動機通過轉(zhuǎn)動輪子儲存能量，當啟動列車的過程中，對輪子的轉(zhuǎn)速進行降低，同時將輪子儲存的能量進行釋放，然后飛輪儲能裝置對制動產(chǎn)生的再生能量進行吸收，同時確保車輛電壓更加穩(wěn)定，若是車輛出現(xiàn)過高的電壓，飛輪在實際轉(zhuǎn)動中能夠?qū)δ芰窟M行吸收，反之，飛輪降低轉(zhuǎn)動的速度，并對電壓進行釋放。飛輪儲能型吸收裝置具有良好的節(jié)能效果，然而該裝置比較復雜，同時設(shè)備占用的面積較大，維護工作也比較復雜，飛輪在實際運轉(zhuǎn)中會產(chǎn)生較大的摩擦，進而導致飛輪儲能型設(shè)備沒有較長的使用壽命。

蓄電池儲能型裝置在實際運行過程中主要是將蓄電池作為儲能的原件，并在蓄電池中儲存車輛制動時產(chǎn)生的再生能量，當啟動車輛時，通過照明等用電方式釋放能量。蓄電池儲能型裝置在實際技術(shù)應(yīng)用操作簡單、便捷，然而這種裝置在實際應(yīng)用需要花費大量的資金采購設(shè)備，維護比較復雜，設(shè)備沒有較長的使用期限。當前主要是在汽車應(yīng)用中廣泛應(yīng)用蓄電池儲能型裝置，很少會在城市軌道交通中應(yīng)用該裝置和技術(shù)，部分小型列車中偶爾會應(yīng)用蓄電池儲能型裝置吸收利用再生制動能量。

電容儲能型裝置實際工作原理主要是借助電容器件儲存列車制動產(chǎn)生的再生能量，當列車實際運行的過程中，電容器件會將能量進行釋放。電容儲能型裝置中使用的電容器件主要有兩種，分別是有較大電容量和較小電壓的電容原件以及有較小電容量和較大電壓的電容原件，根據(jù)實際需求選擇不同的電容儲能器件吸收利用再生制動能量。電容儲能型裝置具有良好的節(jié)能效果，而且體積小，不用占用較大的面積，使用方便，然而電容器件原件的成本較高，維護工作比較復雜，因此該裝置和技術(shù)也僅在規(guī)模小的城市軌道交通中應(yīng)用回收再生制動能量。

4.逆變供能型吸收裝置。

逆變供能型吸收裝置包括晶閘管等電子器件，這些電子器件在實際運行中形成功率較大的三相逆變器，進而將再生制動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，根?jù)逆變器形成的電流走向和實際用途可以將逆變供能型吸收裝置分為逆變回饋型和逆變負載型兩種能量吸收利用裝置。

車輛進站制動時，首先車輛進行再生電制動，車輛的再生制動裝置將車輛的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伣o牽引網(wǎng)，并使牽引網(wǎng)電壓升高，超過電容儲能裝置設(shè)定的電壓限值時，電容儲能裝置快速存儲再生制動電能，當車輛出站啟動或加速時，牽引網(wǎng)電壓下降，當?shù)陀陔娙輧δ苎b置設(shè)定的電壓值時，電容儲能裝置快速釋放存儲的能量，提供給需要能量的列車，在保證列車運行的情況下，降低牽引供電系統(tǒng)的能量消耗；另一種是穩(wěn)壓模式，由于電容儲能裝置能夠在牽引網(wǎng)電壓低于某一限定值時，向牽引網(wǎng)提供能源，因此對穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓具有一定作用。行中需要的電流，該裝置沒有較高的成本，同時使用更加方便，然而該裝置在實際運行中會將電流逆變回電網(wǎng)，因此很容易導致電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，致使電網(wǎng)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，實際運行中存在安全隱患。

逆變負載型吸收裝置的工作原理主要是：車輛在制動過程中，該裝置能夠直接吸收制動產(chǎn)生的電流，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檐囌拒囕v運行中用到的電壓。該裝置在實際應(yīng)用中簡單、方便，然而考慮到車輛制動過程時間是間隔的，因此，逆變負載型裝置在吸收并轉(zhuǎn)變能量為電流的過程中很容易導致電流出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此在城市軌道再生制動能量實際的吸收利用過程中很少使用該裝置和技術(shù)。

四、城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)的未來發(fā)展分析

1.再生制動能量利用裝置的對比分析。

通過各種再生制動能量吸收裝置的介紹，不難發(fā)現(xiàn)電阻能耗型制動裝置技術(shù)已經(jīng)非常成熟，同時相關(guān)的產(chǎn)品價格低廉，在我國的多條軌道線路中得到廣泛使用，有效地對隧道溫度進行降低，輔助列車制動，然而這種方式會對再生電能進行集中消耗，無法起到良好的節(jié)能效果。儲能型制動能量吸收裝置雖然在國外已經(jīng)開發(fā)研究并投入是用了成熟的產(chǎn)品，但是我國對該裝置還處于研究階段，由于部分關(guān)鍵技術(shù)的原因，目前相關(guān)裝置的研究和成品還在試驗階段，無法形成工程化的應(yīng)用。通過對儲能型制動能量吸收裝置的分析，發(fā)現(xiàn)該裝置前期的投資成本和后期的運維成本較高，然而該裝置能夠?qū)夥遑摵蛇M行周期性平衡，能夠?qū)恳W(wǎng)穩(wěn)定的電壓進行有效維持，因此，加強儲能型制動能量吸收裝置的研究是有良好的發(fā)展前景。

2.城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)的發(fā)展建議。

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技的進步，在城市軌道交通發(fā)展中，不斷推廣研發(fā)新的能源和環(huán)保節(jié)能型技術(shù)，其中回收利用再生制動能量的技術(shù)也不斷在發(fā)展和改善中，在城市軌道交通系統(tǒng)、火車、汽車以及電梯等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用再生制動能量利用技術(shù)，能夠推動相關(guān)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。在城市軌道交通再生能量利用技術(shù)的發(fā)展前景分析，不難發(fā)現(xiàn)，相關(guān)單位還需要進一步對列車的運行方案進行改進，可以有效地提高回收利用再生制動能量的效率，同時結(jié)合汽車等行業(yè)發(fā)展，聯(lián)合周邊的電能系統(tǒng)和相關(guān)裝置，對利用再生制動能量的技術(shù)進行聯(lián)合研發(fā)，聯(lián)合城市用電網(wǎng)系統(tǒng)，直接將回收的列車再生制動能量向周邊的用電設(shè)備進行供給，從而形成統(tǒng)一的、完整的供電系統(tǒng)，確保能量回收利用更加穩(wěn)定、安全。最大化地研發(fā)城市軌道交通再生制動能量回收和利用技術(shù)，通過與周邊相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)展進行聯(lián)合研發(fā)，可以推動城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。

五、結(jié)語

總之，隨著科技的發(fā)展，城市軌道交通在實際發(fā)展和運行中，需要重視列車再生制動能量的回收利用。同時根據(jù)不斷研發(fā)的新技術(shù)和新能源，結(jié)合城市軌道交通車輛的實際運行方案和路線，同時配合周邊列車的運行規(guī)律，結(jié)合實際的城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展情況，選擇合適的回收利用再生制動能量裝置和技術(shù)，合理利用再生制動能量，對城市軌道交通的運營成本進行降低和控制，提高城市軌道交通運行的經(jīng)濟效益。