基于北京S1線的改進(jìn)型再生能制動(dòng)系統(tǒng)

徐騰飛

北京城市快軌建設(shè)管理有限公司 北京 100027

1 再生能制動(dòng)系統(tǒng)概述

地鐵列車(chē)運(yùn)行分為四種狀態(tài)：牽引、制動(dòng)、惰行、停車(chē)。當(dāng)列車(chē)制動(dòng)時(shí)，車(chē)上感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率大于同步頻率，列車(chē)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)模式，列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能反饋至牽引網(wǎng)。如該區(qū)間內(nèi)有其他電客車(chē)處于牽引加速狀態(tài)，則反饋至牽引網(wǎng)上的電流會(huì)被鄰車(chē)吸收。再生能制動(dòng)方式主要包括：逆變回饋、飛輪儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能、電阻吸收等。

(1)逆變回饋方式是將列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)逆變器、變壓器將直流電轉(zhuǎn)換為380V交流電[1]，以達(dá)到節(jié)能效果，但是，因?yàn)橄辔粏?wèn)題，在并網(wǎng)的時(shí)候，可能會(huì)產(chǎn)生諧波污染。

(2)飛輪儲(chǔ)能主要由慣性輪、高速軸承、進(jìn)行機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)和控制設(shè)備組成[2]。但該方式對(duì)機(jī)械軸承要求較高，短期內(nèi)無(wú)法國(guó)產(chǎn)化，運(yùn)營(yíng)成本較高。

(3)電容儲(chǔ)能是將車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量吸收到大容量電容器組中。該方式造價(jià)昂貴，占地面積大，未能完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，維護(hù)成本較高。

(4) 電阻吸收是采用多相 IGBT 斬波器和吸收電阻配合的恒壓的吸收方式，將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上[3]。但該制式只能將電能轉(zhuǎn)換為熱能，未實(shí)現(xiàn)能量的再生利用，無(wú)法達(dá)到節(jié)能效果。

綜上，四種再生能方式各有優(yōu)勢(shì)，如何取舍，還需要設(shè)計(jì)單位結(jié)合項(xiàng)目的具體情況來(lái)決定。

2 改進(jìn)型再生能制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京S1線中使用的是逆變回饋-電阻吸收混合型再生能制動(dòng)系統(tǒng)。逆變回饋-電阻吸收裝置主要由三部分組成，（1）開(kāi)關(guān)及濾波單元，（2）電阻吸收單元，（3）逆變吸收單元。該系統(tǒng)既能將一部分再生電能反饋至車(chē)站的動(dòng)力系統(tǒng)，同時(shí)又保留了電阻吸收的能力，當(dāng)逆變吸收不利時(shí)，可以啟動(dòng)電阻吸收，穩(wěn)定網(wǎng)壓。工作原理如圖1所示。

圖1 逆變回饋-電阻吸收方式原理圖

系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示，各柜體主要功能包括：

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

直流開(kāi)關(guān)柜：執(zhí)行再生制動(dòng)吸收設(shè)備與電網(wǎng)接通或分離、電網(wǎng)濾波、系統(tǒng)故障保護(hù)執(zhí)行等功能。

變流柜：將直流電能逆變成與電網(wǎng)電壓同幅值、同相位的交流電能。其核心元件為NPC 模塊。

斬波控制柜：吸收裝置自動(dòng)投入、撤出和濾波等功能；執(zhí)行吸收裝置的控制、保護(hù)與監(jiān)控；執(zhí)行與上級(jí)控制系統(tǒng)的通信；執(zhí)行吸收裝置投入與退出判斷；承擔(dān)電阻吸收與逆變回饋時(shí)的控制。

變壓器柜：執(zhí)行直流電網(wǎng)與 400V 交流電網(wǎng)的隔離。

制動(dòng)電阻柜：主要由吸收電阻組成，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的吸收和轉(zhuǎn)化功能。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)如上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圍繞逆變回饋-電阻吸收再生能制動(dòng)系統(tǒng)的工作方式，建立能量轉(zhuǎn)換方程，見(jiàn)公式（1）。

公式（1）中，Ek為列車(chē)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能；ET為鄰車(chē)吸收能量；WF為克服空氣阻力做功；Wf為克服收流靴與接觸軌的摩擦力做功；（WL+WR）為逆變回饋-電阻吸收裝置吸收的能量，其中，WL為逆變回饋至低壓電網(wǎng)的能量，WR為電阻吸收的能量；WK為列車(chē)機(jī)械制動(dòng)做功。

北京S1線共計(jì)八站七區(qū)，劃分為石門(mén)營(yíng)-栗元莊、栗元莊-橋戶營(yíng)、橋戶營(yíng)-金安橋、金安橋-蘋(píng)果園四個(gè)再生能吸收區(qū)段。平均每個(gè)再生能吸收區(qū)段的平均長(zhǎng)度為2.4km。

與傳統(tǒng)的輪軌列車(chē)不同，磁懸浮列車(chē)在運(yùn)行和制動(dòng)過(guò)程中受到的基本阻力主要為受流靴與接觸軌之間的摩擦力和空氣阻力。根據(jù)唐山試驗(yàn)線測(cè)試和日本CHSST磁懸浮列車(chē)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，受流靴與接觸軌之間的摩擦力為41.67N?？諝庾枇Ψ匠虨?/p>

公式（2）中，C為空氣阻力系數(shù)，參照日本CHSST參數(shù)，取0.443；ρ為空氣密度，干燥空氣取1.293 kg/m3；S為車(chē)體正面的投影面積；V為車(chē)體與空氣的相對(duì)速度。

公式（3）、（4）中，V0為列車(chē)制動(dòng)時(shí)的初速度；L為列車(chē)制動(dòng)距離；a為加速度；t為制動(dòng)時(shí)間。

由公式（2）、（3）、（4）可知，列車(chē)制動(dòng)時(shí)克服空氣阻力做功：

北京S1線運(yùn)營(yíng)中，當(dāng)磁懸浮列車(chē)速度降至7 km/h時(shí)，啟用機(jī)械制動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)方程為

公式（6）中，K為單片閘片的夾持力，北京S1線單片閘片加持力為5 kN；為摩擦系數(shù)，閘片與F軌的摩擦系數(shù)為0.25；D為機(jī)械制動(dòng)距離。

由能量轉(zhuǎn)換定律、公式（5）和公式（6），可將公式（2）變化為：

北京S1線列車(chē)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 北京S1線磁懸浮列車(chē)相關(guān)參數(shù)表

由焦耳定律，我們可以得出電阻吸收裝置啟動(dòng)電壓的計(jì)算公式：

公式（8）中，U為直流牽引網(wǎng)額定電壓，取DC1500V；電阻R為吸收區(qū)段內(nèi)的電阻值；WL為車(chē)站負(fù)載做功，車(chē)站負(fù)載取420 kW。

由公式（8），可得電阻吸收裝置啟動(dòng)電壓為DC1589.80V，北京S1線工程中，我們?nèi)C1590V。

3 仿真分析

上節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模型建立，本節(jié)進(jìn)行仿真分析。我們選擇了接觸軌電壓升高情況和系統(tǒng)可靠性兩個(gè)參考指標(biāo)，對(duì)比逆變回饋系統(tǒng)和逆變回饋-電阻吸收系統(tǒng)的優(yōu)劣。

在進(jìn)行接觸軌電壓升高情況分析時(shí)，我們選取了兩種工況，工況1：一個(gè)吸收區(qū)段內(nèi)僅有一列車(chē)制動(dòng)；工況2：在一分鐘內(nèi)，一個(gè)吸收區(qū)段有兩列車(chē)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，120 s內(nèi)接觸軌電壓的升高情況。

能量吸收率計(jì)算公式：

表2 北京S1線再生能制動(dòng)系統(tǒng)直流牽引網(wǎng)電壓升高情況仿真參數(shù)表

圖4 工況2時(shí)接觸軌電壓升高情況對(duì)比圖

由圖3、4可知，在工況1的條件下，逆變回饋方式基本能吸收接觸軌中多余的能量，穩(wěn)定接觸軌的電壓。但是在工況2，當(dāng)磁懸浮列車(chē)速度超過(guò)50 km/h時(shí)，采用逆變回饋方式會(huì)出現(xiàn)接觸軌電壓升高等問(wèn)題，而逆變回饋—電阻吸收再生能制動(dòng)系統(tǒng)在這兩種工況下，均可以很好的穩(wěn)定網(wǎng)壓。

圖3 工況1時(shí)接觸軌電壓升高情況對(duì)比圖

在考察系統(tǒng)可靠性時(shí)，我們假設(shè)在一個(gè)吸收區(qū)段內(nèi)，180S共有三列電客車(chē)制動(dòng)。參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 北京S1線再生能制動(dòng)系統(tǒng)可靠性仿真參數(shù)表

由圖5可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，逆變回饋方式下接觸軌電壓不斷升高，并在36 min時(shí)超過(guò)1800 V，突破了牽引網(wǎng)安全運(yùn)行的上限。而采用逆變回饋—電阻吸收方式下，整個(gè)直流牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)工況，能夠滿足遠(yuǎn)期規(guī)劃的高峰發(fā)車(chē)間距（3 min）的要求。

圖5 可靠性仿真圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合北京S1線提出了適用于中低速磁懸浮軌道交通系統(tǒng)再生能制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)方案。經(jīng)系統(tǒng)仿真，得到如下結(jié)論：當(dāng)行車(chē)密度較大時(shí)，新型再生能制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)壓性能更佳，更有利于系統(tǒng)運(yùn)行。