基于TRIZ 理論的城市軌道交通再生制動(dòng)能回收利用系統(tǒng)研究

江雨澤

（哈爾濱科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150300）

1 前言

如今城市發(fā)展迅速，城市人口增長(zhǎng)量大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)交通堵塞的狀況，不但影響人們的生活質(zhì)量，還會(huì)制約經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而城市軌道交通由于其運(yùn)行在地下或?qū)Ｓ密壍纼?nèi)，具備全天候、大運(yùn)載、快捷舒適的特點(diǎn)成為重要的公共交通工具。目前，大多數(shù)牽引變電所不具備局域網(wǎng)壓調(diào)節(jié)能力，當(dāng)機(jī)車采取電制動(dòng)時(shí)，如果將電能反饋給電網(wǎng)，輕則造成牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高，重則會(huì)造成再生電能制動(dòng)失效。所以無法將產(chǎn)生再生制動(dòng)電動(dòng)能回饋到電網(wǎng)，通常會(huì)在列車底部安裝制動(dòng)電阻，將機(jī)車電制動(dòng)能產(chǎn)生的能量通過電阻消耗殆盡。這種方法不僅是能源的浪費(fèi)，還會(huì)影響機(jī)車散熱。所以，對(duì)軌道機(jī)車供電系統(tǒng)再生制動(dòng)電能技術(shù)的研究具有重要意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)軌道交通技術(shù)已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，軌道交通運(yùn)輸發(fā)展迅猛，城市軌道交通的覆蓋率逐年能加，目前，上海和北京的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程數(shù)分居世界第一位和第二位。據(jù)中國(guó)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)：截至2022 年12 月31 日，31 個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)共有53 個(gè)城市開通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路290 條，運(yùn)營(yíng)里程9584 公里，車站5609 座。如此龐大的軌道交通系統(tǒng)，車輛設(shè)備頻繁的剎車制動(dòng)所產(chǎn)生的能量不可小視。在能源緊張的當(dāng)今社會(huì)，依托智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，利用合適的儲(chǔ)能裝置吸收利用再生制動(dòng)能量必將會(huì)成為研究的熱點(diǎn)。軌道機(jī)車制動(dòng)方式分為空氣閘瓦制動(dòng)和電阻制動(dòng)兩種方式。當(dāng)機(jī)車速度比較高時(shí)，為了減輕機(jī)械系統(tǒng)壓力減少磨損，列車先采取電制動(dòng)，通過發(fā)電機(jī)將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，電能再通過制動(dòng)電阻消耗掉。當(dāng)列車即將進(jìn)站低速度行駛時(shí)，利用閘瓦進(jìn)行傳統(tǒng)的機(jī)械式摩擦制動(dòng)，最終使得列車停下來。

2 發(fā)明問題初始形勢(shì)

再生制動(dòng)方式是一種較為先進(jìn)的利機(jī)車制動(dòng)方式，主要的工作原理是，當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)動(dòng)能通過車輪傳遞給發(fā)電機(jī)，如此時(shí)發(fā)電機(jī)不能夠?qū)⒛芰枯敵龌蛘呦?，那么，根?jù)能量守恒關(guān)系，車輪的動(dòng)能就不會(huì)減少，失去了剎車的效果。發(fā)電機(jī)的能量通過受電弓回饋給電網(wǎng)，如果周圍沒有其他列車吸收這部分多余的能量，就會(huì)造成牽引網(wǎng)壓升高脫網(wǎng)故障，當(dāng)網(wǎng)壓超過了列車制動(dòng)發(fā)電機(jī)的電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)就變成電動(dòng)機(jī)，造成了電制動(dòng)失效。所以，牽引網(wǎng)的電壓一定要控制在合理范圍內(nèi)，避免事故。如果這部分再生制動(dòng)電能可以被其他列車有效使用，將有效節(jié)約能源，為企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益。

最簡(jiǎn)單最早的儲(chǔ)能方式是蓄電池，蓄電池的原理是將化學(xué)能與電能之間相互轉(zhuǎn)換，通過變壓器、交流直流轉(zhuǎn)換器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電。但是，蓄電池由于其充放電速度和電池容量的問題不適于電網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)節(jié)。軌道交通牽引網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)節(jié)要求迅速吸收電能和迅速釋放電能，單單這一點(diǎn)以化學(xué)原理為基礎(chǔ)的蓄電池是做不到的。還可以通過超級(jí)電容或者其他機(jī)械能轉(zhuǎn)換等方式完成，如飛輪等裝置進(jìn)行電能回收和釋放。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市軌道交通的覆蓋率逐年能加，隨著設(shè)備維修地鐵運(yùn)營(yíng)商的成本也在增加，車輛設(shè)備頻繁的剎車制動(dòng)所產(chǎn)生的能量不可小視，如果能夠合理利用，將會(huì)給企業(yè)節(jié)約很大一部分成本。

3 TRIZ 理論解決問題

TRIZ 意譯為發(fā)明問題的解決理論。是由前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)多年，通過對(duì)上萬份專利和創(chuàng)新案例進(jìn)行分析總結(jié)，最終提出的一種解決問題的方法。TRIZ 理論成功地揭示了創(chuàng)新的內(nèi)在規(guī)律和發(fā)明制作方法，主要包括矛盾矩陣、因果分析法、九屏分析法、最終理想解，無償模型、科學(xué)效應(yīng)、功能模型分析，40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)工程技術(shù)特性，化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)幾何等工程學(xué)原理知識(shí)庫(kù)等。

3.1 因果分析法

通過因果分析圖可知，對(duì)城市軌道交通設(shè)備再生制動(dòng)能利用問題從方法、設(shè)備、物料、環(huán)境等4 個(gè)方面參數(shù)進(jìn)行分析。從制動(dòng)方法、車輛、電網(wǎng)、環(huán)境4 個(gè)方面進(jìn)行因果分析，通過圖1 可知，最終影響能量回收再利用的主要原因是機(jī)車設(shè)備存儲(chǔ)能量的能力弱和牽引供電網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)節(jié)能力差，能量分配不足，所以通過此方法進(jìn)行下一步研究車輛的能量存儲(chǔ)和電網(wǎng)能量分配。

圖1 因果鏈分析圖

3.2 九屏幕分析法（圖2）

圖2 九屏幕分析法

當(dāng)我們?cè)诮鉀Q問題、發(fā)明創(chuàng)新時(shí)，最大的問題就是沒有頭緒。原因在于，我們收集的信息材料不足，且混亂。九屏幕思維模型可以解決這個(gè)問題。橫向?yàn)闀r(shí)間軸，從左到右依次為當(dāng)前系統(tǒng)的過去時(shí)、現(xiàn)在時(shí)和將來時(shí)?？v向從下到上分別為子系統(tǒng)、當(dāng)前系統(tǒng)和超系統(tǒng)。通過九屏幕分析，對(duì)比當(dāng)前系統(tǒng)的子系統(tǒng)和當(dāng)前系統(tǒng)未來系統(tǒng)的子系統(tǒng)，找到解決能量存儲(chǔ)的方法，有超級(jí)電動(dòng)、超級(jí)鋰電池、機(jī)械飛輪儲(chǔ)能等設(shè)備。尋找能量的調(diào)節(jié)方式。

3.3 生命曲線

技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化一般按照生命曲線進(jìn)行，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，城市軌道的發(fā)展進(jìn)程日益加快，由于地鐵站間距較小，使得地鐵機(jī)車頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，在這個(gè)過程中浪費(fèi)了巨大的能量，所以對(duì)地鐵的制動(dòng)能的回收再利用技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，此項(xiàng)技術(shù)處于成長(zhǎng)期，專利等級(jí)較高、專利數(shù)量較少、經(jīng)濟(jì)收益較高，成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，在目前提倡節(jié)能減排的大背景下，此項(xiàng)技術(shù)有很好的發(fā)展前景，和提升空間。

3.4 最終理想解

通過最終理想解分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是可以有效將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，不但可以供給自身設(shè)備使用，多余能量時(shí)還可以反饋給供電網(wǎng)，由供電網(wǎng)智能分配給線路上臨近的其他車輛使用（表1）。

表1

通過以上方法分析，依托智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，利用合適的儲(chǔ)能裝置吸收利用再生制動(dòng)能量必將會(huì)成為研究的熱點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能是指外部能量系統(tǒng)提供電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，從而形成能量?jī)?chǔ)存。當(dāng)需要能量時(shí)，飛輪帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，形成發(fā)電機(jī)，對(duì)外進(jìn)行電能輸出。本文為自主設(shè)計(jì)研發(fā)，以哈爾濱地鐵一號(hào)線車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建模仿真，提出了飛輪儲(chǔ)能電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，以永磁同步電機(jī)為儲(chǔ)能電機(jī)，通過飛輪機(jī)械能釋放和吸收調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。具體控制思路為以牽引電壓值為控制參數(shù)，通過磁鏈定向的方式完成電機(jī)功率的交換。最終要到達(dá)的控制目標(biāo)是，通過這樣的方式來緩沖能量變化，合理地利用制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，達(dá)到穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的目的。

4 最終設(shè)計(jì)方案與仿真

4.1 設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過綜合比較考慮，由于飛輪儲(chǔ)能機(jī)械結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，在高頻使用過程中故障率比較低，可以迅速地釋放和吸收電能。所以，本設(shè)計(jì)在牽引局域電網(wǎng)內(nèi)利用飛輪儲(chǔ)來調(diào)節(jié)網(wǎng)壓，其特點(diǎn)就是能量轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、連續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、機(jī)械運(yùn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定壽命較長(zhǎng)、不產(chǎn)生有害物質(zhì)、后續(xù)維護(hù)成本低等特點(diǎn)。

最終利用TRIZ 原理設(shè)計(jì)一個(gè)可以提高城市軌道交通供電系統(tǒng)再生電能利用系統(tǒng)。在牽引變電所安裝飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，調(diào)節(jié)供電網(wǎng)和機(jī)車之間電能輸送，功率調(diào)整。從而在機(jī)車電能低時(shí)飛輪向機(jī)車提供電能輸送，在機(jī)車回收大量制動(dòng)能后，將過剩的電能再反饋給飛輪，飛輪將其存儲(chǔ)的能量根據(jù)需要，分配給同一電網(wǎng)的其他機(jī)車設(shè)備使用，形成電能智能分配。采用該種方式調(diào)節(jié)，可以很好地利用軌道機(jī)車在制動(dòng)過程產(chǎn)生的制動(dòng)電能，達(dá)到能源的有效回收和二次利用。通過飛輪能量調(diào)節(jié)方式，還可在列車運(yùn)行高峰期，為電網(wǎng)提供能量支持，保障網(wǎng)壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了再生制動(dòng)能量的利用。

4.2 仿真驗(yàn)證

通過MATLAB 搭建系統(tǒng)仿真模型如圖3，通過給定電動(dòng)機(jī)模型，模擬列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，分別采用電阻耗能和飛輪電機(jī)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)來控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓。通過觀測(cè)牽引變電所母線電壓、機(jī)車受電弓電壓、儲(chǔ)能電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速等來驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

圖3 仿真電氣接線原理圖

具體仿真設(shè)計(jì)為，當(dāng)機(jī)車2 制動(dòng)時(shí)，多余的制動(dòng)電能量使?fàn)恳W(wǎng)壓逐漸升高，達(dá)到一定警戒值時(shí)，控制系統(tǒng)接入飛輪儲(chǔ)能裝置吸收電網(wǎng)多余電能；而當(dāng)機(jī)車1 經(jīng)過該區(qū)段時(shí)，消耗電能牽引網(wǎng)電壓下降時(shí)，立即釋放飛輪中的能量回饋電網(wǎng)，保證電網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定。其他工況下，飛輪則是出于空轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。

由于飛輪儲(chǔ)能裝置的作用，牽引機(jī)車受電弓段電壓波動(dòng)較小，在120V 以內(nèi)，如圖4 所示。在此過程中，由于機(jī)車1 處于向電網(wǎng)吸收恒定功率，牽引電動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)矩進(jìn)行加速階段，這時(shí)機(jī)車1 的受電弓電壓變化情況與牽引變電所A 幾乎相同。將飛輪儲(chǔ)能裝置安裝在牽引變電所B 中，當(dāng)機(jī)車2 減速制動(dòng)時(shí)釋放了大量的制動(dòng)電能，為了讓飛輪能夠穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在于合理控制飛輪裝置何時(shí)控制電能，以便下一次吸收多余電能，仿真設(shè)定網(wǎng)壓跌落2%時(shí)，利用飛輪釋放電能，支撐網(wǎng)壓。設(shè)定牽引變電所B 的母線電壓為1.6KV。如圖5 所示飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)比電阻制動(dòng)方式如圖6，不論是機(jī)車受電弓端電壓，還是牽引變電所母線電壓，都能得到快速調(diào)節(jié)穩(wěn)定在1.6KV 左右。飛輪儲(chǔ)能裝置很好地抑制了電壓的波動(dòng)，有效地限制了電壓上升幅值，使得牽引電網(wǎng)正常工作，效能合理利用分配。

圖4 牽引機(jī)車端電壓

圖5 儲(chǔ)能飛輪作用下牽引變電所電壓

圖6 制動(dòng)電阻作用下牽引變電站母線電壓

5 結(jié)語(yǔ)

通過仿真驗(yàn)證基于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的軌道機(jī)車制動(dòng)能再生利用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理，可以很好地調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)的能量，實(shí)現(xiàn)電能二次利用。本設(shè)計(jì)以機(jī)車牽引網(wǎng)的電壓值為控制目標(biāo)，通過上述飛輪儲(chǔ)能電機(jī)磁鏈定向控制功率的交換方式，可以有效地調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)壓，當(dāng)制動(dòng)電能過剩時(shí)，通過機(jī)械能存儲(chǔ)起來，當(dāng)牽引網(wǎng)壓電壓過低，負(fù)荷過大時(shí)，又能釋放電能，支撐電網(wǎng)網(wǎng)壓，形成了一種快速穩(wěn)定的自我調(diào)節(jié)方法。通過軟件仿真驗(yàn)證該方法的正確性和可行性，提高了地鐵機(jī)車設(shè)備的電能利用率，不但為企業(yè)節(jié)省了成本，還響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。