◎張海彬
隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,科技也不斷在創(chuàng)新進(jìn)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?,隨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(jìn)步發(fā)展中,同時(shí)也帶動(dòng)著車輛制造、車站建設(shè)、制動(dòng)系統(tǒng)等技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)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(duì)軌道交通的自動(dòng)化和舒適化程度要求更高,在此背景下,城市軌道交通在實(shí)際運(yùn)行中也需要做好節(jié)能環(huán)保工作,合理應(yīng)用再生制動(dòng)能量,否則車輛在行駛過(guò)程中很容易對(duì)我們的生活環(huán)境造成污染和負(fù)面影響。本文主要就城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用技術(shù)進(jìn)行分析和研究。
自從英國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)創(chuàng)了第一條地下城市軌道開(kāi)始,人們的出行方式發(fā)生了巨大的變化,不僅發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛建設(shè)城市軌道交通,同時(shí)發(fā)展中國(guó)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(yùn)行中具有更加安全、舒適、方便、準(zhǔn)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生污染,發(fā)展前景十分廣闊,同時(shí)將城市軌道交通與周邊相關(guān)領(lǐng)域聯(lián)合,可以達(dá)到1+1>2的效果。城市軌道交通在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中,因?yàn)檐囌局g的直線距離比較短,車輛的運(yùn)行速度較快,很容易導(dǎo)致車輛頻繁制動(dòng),其中車輛制動(dòng)產(chǎn)生部分能量可以被回收利用,其他大部分能量會(huì)被車輛消耗浪費(fèi),若是在城市軌道交通運(yùn)行中大量回收利用車輛的制動(dòng)再生能量,將會(huì)減少維護(hù)和運(yùn)行軌道交通的成本,同時(shí)達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。
城市軌道交通在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中,相鄰車站之間具有較短的距離,列車具有較快的運(yùn)行速度,因此啟動(dòng)和制動(dòng)比較頻繁,其中產(chǎn)生的制動(dòng)能量龐大,根據(jù)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn),車輛在制動(dòng)過(guò)程中能夠產(chǎn)生車輛牽引能量的30%左右能量,車輛在實(shí)際制動(dòng)的過(guò)程中,通過(guò)牽引機(jī)車可以將再生制動(dòng)能量向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換,借助相關(guān)設(shè)備向電網(wǎng)中進(jìn)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(shí)際制動(dòng)中產(chǎn)生的電阻以及在發(fā)熱過(guò)程中會(huì)吸收消耗大部分能量,這些能量無(wú)法被回收利用。
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(shí)能夠消耗較少的能量產(chǎn)生較大的動(dòng)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(jìn)行環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)的見(jiàn)色。雖然按照相同的動(dòng)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(dòng)量較大,軌道交通也會(huì)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(yùn)行中產(chǎn)生的能耗進(jìn)行降低,在城市軌道交通發(fā)展中需要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行解決。
當(dāng)前我國(guó)城市軌道交通主要是VVVF動(dòng)車組列車,其制動(dòng)方式主要是空氣制動(dòng)以及再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)等電制動(dòng)方式,在實(shí)際列車運(yùn)行中,主要通過(guò)電阻和再生制動(dòng),空氣制動(dòng)作為輔助。在傳統(tǒng)的列車運(yùn)行中主要是在車輛底部安裝制動(dòng)電阻,通過(guò)電阻制動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行,若是再生電阻無(wú)法發(fā)揮作用,列車將進(jìn)行空氣制動(dòng)。在列車運(yùn)行中,若是再生制動(dòng)能量大量不被吸收,在沒(méi)有進(jìn)行再生制動(dòng)裝置設(shè)置的情況下,不被吸收的能量將會(huì)通過(guò)熱能的形式在地鐵隧道中散發(fā),從而產(chǎn)生兩個(gè)弊端,分別是:首先是該部分能量通過(guò)車載制動(dòng)電阻發(fā)熱或空氣制動(dòng)等方式被消耗,從而造成電能的大量浪費(fèi);其次是隧道中散發(fā)的熱量導(dǎo)致隧道溫度升高,從而增加了設(shè)備運(yùn)行環(huán)控的能耗。另外,我國(guó)很多地鐵軌道線路大多數(shù)采用獨(dú)軌系統(tǒng)和直線電機(jī)系統(tǒng),這樣就很難將電阻制動(dòng)裝置布置在車輛上。若是在線路沿線考慮進(jìn)行再生能量吸收裝置的設(shè)置,將會(huì)不僅能夠阻止隧道溫度升高,同時(shí)還能夠二次利用能源,綜合提高經(jīng)濟(jì)效益。因此,在城市軌道交通建設(shè)中研究再生制動(dòng)能能量利用技術(shù)是非常有意義的。
隨著城市軌道交通的發(fā)展和創(chuàng)新改革中,當(dāng)前我國(guó)城市軌道交通再生制動(dòng)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(dòng)方式被廣泛應(yīng)用,兩者具有各自的優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際運(yùn)行中不斷優(yōu)化和改善城市軌道交通再生制動(dòng)方式。目前對(duì)城市軌道交通再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用的方式主要有以下幾點(diǎn):
電阻能耗型吸收裝置通過(guò)電阻吸收形成發(fā)熱現(xiàn)象,進(jìn)而消耗再生制動(dòng)能量。具體分析電阻能耗型吸收裝置在車輛進(jìn)站制動(dòng)時(shí),當(dāng)處于再生制動(dòng)工況下的車輛產(chǎn)生的制動(dòng)電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時(shí),電阻型再生制動(dòng)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(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)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(dòng)能量消耗在吸收電阻上。避免列車產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量失效,確保列車運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全。
目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用電阻能耗型吸收裝置進(jìn)行再生制動(dòng)能量的回收利用,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟,比如說(shuō)我國(guó)生產(chǎn)的HXXS4型電阻吸收裝置,其中電阻吸收和斬波器通過(guò)多支并聯(lián)的方式進(jìn)行再生制動(dòng)功率的吸收,同時(shí)通過(guò)多重?cái)夭ǖ姆绞綄?duì)斬波器對(duì)電網(wǎng)造成的諧波影響進(jìn)行抑制。電阻能耗型吸收裝置在吸收再生制動(dòng)能量的過(guò)程中主要表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)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(hù)和保養(yǎng)的成本低,同時(shí)簡(jiǎn)單控制,缺點(diǎn)主要是吸收電阻通過(guò)集中發(fā)熱的方式消耗大量制動(dòng)能量,無(wú)法有效利用再生制動(dòng)能量,同時(shí)也會(huì)嚴(yán)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(shí),電阻柜需單獨(dú)放置,而且該房間需要相應(yīng)的通風(fēng)動(dòng)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(dú)房間內(nèi),有利于電阻散熱。運(yùn)行中,連續(xù)兩個(gè)站的再生制動(dòng)能量裝置退出運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)電動(dòng)列車的電制動(dòng)距離產(chǎn)生影響。當(dāng)前國(guó)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(guó)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(jìn)而對(duì)城市軌道交通再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用。
并網(wǎng)型吸收裝置在回收利用再生制動(dòng)能量的過(guò)程中工作原理主要是當(dāng)列車產(chǎn)生再生制動(dòng)能量的過(guò)程中,借助并網(wǎng)逆變器向交流電網(wǎng)進(jìn)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(dāng)直流牽引網(wǎng)中輸入再生制動(dòng)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(huì)判斷列車處于制動(dòng)再生能量的狀態(tài)下,此時(shí)并網(wǎng)逆變器開(kāi)始工作,并通過(guò)直流電將再生制動(dòng)能量逆變成工頻交流電,并向交流電網(wǎng)進(jìn)行回饋。
并網(wǎng)型吸收裝置在吸收利用再生制動(dòng)能量的過(guò)程中向交流電網(wǎng)進(jìn)行逆變后的再生制動(dòng)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(shí)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(chǔ)能元件,這種方案在北京地鐵新建線路廣泛使用。運(yùn)行中,連續(xù)兩個(gè)站的再生制動(dòng)能量裝置退出運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)電動(dòng)列車的電制動(dòng)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(dòng)能量吸收系統(tǒng),國(guó)外主要是巴西的圣保羅地鐵、日本札幌、韓國(guó)釜山、南非的地鐵線路中應(yīng)用并網(wǎng)型吸收裝置,進(jìn)而通過(guò)相關(guān)技術(shù)將再生制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用。
器件儲(chǔ)能型能量吸收裝置中含有一個(gè)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(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生的能量進(jìn)行吸收,并傳遞到儲(chǔ)能器件中,當(dāng)車站車輛有供電需求時(shí),該裝置能夠釋放電能,因此,器件儲(chǔ)能型吸收裝置內(nèi)部?jī)?chǔ)能器具有的電能吸收和儲(chǔ)存能力較強(qiáng),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(chǔ)能器件體積不能太大,同時(shí)具有較強(qiáng)的耐用性。目前儲(chǔ)能器件的開(kāi)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(dòng)能量的效果。器件儲(chǔ)能型吸收裝置主要包括飛輪儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能以及電容儲(chǔ)能三種類型的裝置。
飛輪儲(chǔ)能型吸收裝置運(yùn)行原理主要是飛輪在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中,通過(guò)轉(zhuǎn)速的高低控制對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)存,列車在制動(dòng)的過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輪子儲(chǔ)存能量,當(dāng)啟動(dòng)列車的過(guò)程中,對(duì)輪子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行降低,同時(shí)將輪子儲(chǔ)存的能量進(jìn)行釋放,然后飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行吸收,同時(shí)確保車輛電壓更加穩(wěn)定,若是車輛出現(xiàn)過(guò)高的電壓,飛輪在實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行吸收,反之,飛輪降低轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,并對(duì)電壓進(jìn)行釋放。飛輪儲(chǔ)能型吸收裝置具有良好的節(jié)能效果,然而該裝置比較復(fù)雜,同時(shí)設(shè)備占用的面積較大,維護(hù)工作也比較復(fù)雜,飛輪在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦,進(jìn)而導(dǎo)致飛輪儲(chǔ)能型設(shè)備沒(méi)有較長(zhǎng)的使用壽命。
蓄電池儲(chǔ)能型裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中主要是將蓄電池作為儲(chǔ)能的原件,并在蓄電池中儲(chǔ)存車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量,當(dāng)啟動(dòng)車輛時(shí),通過(guò)照明等用電方式釋放能量。蓄電池儲(chǔ)能型裝置在實(shí)際技術(shù)應(yīng)用操作簡(jiǎn)單、便捷,然而這種裝置在實(shí)際應(yīng)用需要花費(fèi)大量的資金采購(gòu)設(shè)備,維護(hù)比較復(fù)雜,設(shè)備沒(méi)有較長(zhǎng)的使用期限。當(dāng)前主要是在汽車應(yīng)用中廣泛應(yīng)用蓄電池儲(chǔ)能型裝置,很少會(huì)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(huì)應(yīng)用蓄電池儲(chǔ)能型裝置吸收利用再生制動(dòng)能量。
電容儲(chǔ)能型裝置實(shí)際工作原理主要是借助電容器件儲(chǔ)存列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量,當(dāng)列車實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中,電容器件會(huì)將能量進(jìn)行釋放。電容儲(chǔ)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(shí)際需求選擇不同的電容儲(chǔ)能器件吸收利用再生制動(dòng)能量。電容儲(chǔ)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(hù)工作比較復(fù)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(dòng)能量。
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(shí)際運(yùn)行中形成功率較大的三相逆變器,進(jìn)而將再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?,根?jù)逆變器形成的電流走向和實(shí)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(fù)載型兩種能量吸收利用裝置。
車輛進(jìn)站制動(dòng)時(shí),首先車輛進(jìn)行再生電制動(dòng),車輛的再生制動(dòng)裝置將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伣o牽引網(wǎng),并使?fàn)恳W(wǎng)電壓升高,超過(guò)電容儲(chǔ)能裝置設(shè)定的電壓限值時(shí),電容儲(chǔ)能裝置快速存儲(chǔ)再生制動(dòng)電能,當(dāng)車輛出站啟動(dòng)或加速時(shí),牽引網(wǎng)電壓下降,當(dāng)?shù)陀陔娙輧?chǔ)能裝置設(shè)定的電壓值時(shí),電容儲(chǔ)能裝置快速釋放存儲(chǔ)的能量,提供給需要能量的列車,在保證列車運(yùn)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(chǔ)能裝置能夠在牽引網(wǎng)電壓低于某一限定值時(shí),向牽引網(wǎng)提供能源,因此對(duì)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(méi)有較高的成本,同時(shí)使用更加方便,然而該裝置在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)將電流逆變回電網(wǎng),因此很容易導(dǎo)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(shí)際運(yùn)行中存在安全隱患。
逆變負(fù)載型吸收裝置的工作原理主要是:車輛在制動(dòng)過(guò)程中,該裝置能夠直接吸收制動(dòng)產(chǎn)生的電流,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)檐囌拒囕v運(yùn)行中用到的電壓。該裝置在實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)單、方便,然而考慮到車輛制動(dòng)過(guò)程時(shí)間是間隔的,因此,逆變負(fù)載型裝置在吸收并轉(zhuǎn)變能量為電流的過(guò)程中很容易導(dǎo)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(dòng)能量實(shí)際的吸收利用過(guò)程中很少使用該裝置和技術(shù)。
通過(guò)各種再生制動(dòng)能量吸收裝置的介紹,不難發(fā)現(xiàn)電阻能耗型制動(dòng)裝置技術(shù)已經(jīng)非常成熟,同時(shí)相關(guān)的產(chǎn)品價(jià)格低廉,在我國(guó)的多條軌道線路中得到廣泛使用,有效地對(duì)隧道溫度進(jìn)行降低,輔助列車制動(dòng),然而這種方式會(huì)對(duì)再生電能進(jìn)行集中消耗,無(wú)法起到良好的節(jié)能效果。儲(chǔ)能型制動(dòng)能量吸收裝置雖然在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)研究并投入是用了成熟的產(chǎn)品,但是我國(guó)對(duì)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(yàn)階段,無(wú)法形成工程化的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能型制動(dòng)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(yùn)維成本較高,然而該裝置能夠?qū)夥遑?fù)荷進(jìn)行周期性平衡,能夠?qū)恳W(wǎng)穩(wěn)定的電壓進(jìn)行有效維持,因此,加強(qiáng)儲(chǔ)能型制動(dòng)能量吸收裝置的研究是有良好的發(fā)展前景。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的進(jìn)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(dòng)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(dòng)能量利用技術(shù),能夠推動(dòng)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(jìn)一步對(duì)列車的運(yùn)行方案進(jìn)行改進(jìn),可以有效地提高回收利用再生制動(dòng)能量的效率,同時(shí)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(duì)利用再生制動(dòng)能量的技術(shù)進(jìn)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(dòng)能量向周邊的用電設(shè)備進(jìn)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(dòng)能量回收和利用技術(shù),通過(guò)與周邊相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)行聯(lián)合研發(fā),可以推動(dòng)城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展。
總之,隨著科技的發(fā)展,城市軌道交通在實(shí)際發(fā)展和運(yùn)行中,需要重視列車再生制動(dòng)能量的回收利用。同時(shí)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(shí)際運(yùn)行方案和路線,同時(shí)配合周邊列車的運(yùn)行規(guī)律,結(jié)合實(shí)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(dòng)能量裝置和技術(shù),合理利用再生制動(dòng)能量,對(duì)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行降低和控制,提高城市軌道交通運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。