再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置方案研究

陳建君，周才發(fā)

0 前言

傳統(tǒng)的城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收裝置分散安裝在各動(dòng)車上，采用電阻吸收裝置，即車載制動(dòng)電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，城市軌道交通列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量一般為其牽引能量的20%～40%，該再生制動(dòng)能量除了按一定比例（一般為 20%～80%，根據(jù)列車運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同而異）被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分主要被車載制動(dòng)電阻吸收，這將導(dǎo)致區(qū)間隧道和車站站臺內(nèi)的溫度升高，增加環(huán)控系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，造成大量的能源浪費(fèi)并使工程的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。同時(shí)，由于車載制動(dòng)電阻的數(shù)量較多，也增加了列車自重和投資。

另外，由于列車技術(shù)要求越來越高，導(dǎo)致車上電氣布局緊張，因而車載電阻的熱量散發(fā)容易對列車的安全運(yùn)營造成一定影響；車載電阻方式對閘瓦的消耗也高于再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置在車體外的方式，這使得洞內(nèi)或沿線閘瓦灰塵較多，污染環(huán)境。

為減少車載設(shè)備、降低隧道內(nèi)溫升、節(jié)約能源消耗、節(jié)省長期運(yùn)行費(fèi)用，將再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置在車體外顯得尤為重要。

目前，再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置在車體外的多種方案開始在國內(nèi)外城市軌道交通工程中使用，國內(nèi)如重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線等，國外如日本多摩、東京、大阪輕軌和地鐵線路，加拿大多倫多輕軌，意大利米蘭地鐵3號線等。

1 再生制動(dòng)能量吸收裝置方案介紹

目前，設(shè)置在車體外的再生制動(dòng)能量吸收裝置主要有5種形式：電阻吸收型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變吸收型和逆變-電阻組合吸收型。

（1）電阻吸收型。電阻吸收型主要采用多相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，從而改變吸收功率，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。該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、電動(dòng)隔離開關(guān)、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機(jī)控制單元等。電網(wǎng)電壓變化由電壓傳感器 SV1檢測，牽引、制動(dòng)工況的信號由母線電流信號SA10、SA11及電壓信號SV2及SV1傳感器檢測，送給微機(jī)控制系統(tǒng)HXMXZ，由微機(jī)控制系統(tǒng)HXMXZ綜合判斷得出牽引或制動(dòng)狀況。其原理如圖1所示。

制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上產(chǎn)生的熱能可以采用風(fēng)冷，將熱量排出洞外，也可以采用水冷，用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，熱水可以作為其他用途，但要解決好絕緣問題。

圖1 電阻吸收型裝置原理示意圖

目前，國內(nèi)湘潭市恒信電氣有限公司已研制出電阻耗能型再生制動(dòng)能量吸收裝置，并已在重慶輕軌較新線、天津地鐵1號線、北京首都機(jī)場線、廣州地鐵四號線工程中實(shí)施，目前運(yùn)行效果良好。

（2）電容儲(chǔ)能型。電容儲(chǔ)能型主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)、加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去進(jìn)行再利用。該裝置具有儲(chǔ)能（儲(chǔ)存車輛再生電能）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓）2種工作模式，并可以自動(dòng)切換。

該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電容器組、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等，其原理如圖2所示。

圖2 電容儲(chǔ)能型裝置原理示意圖

吸收裝置的啟動(dòng)過程：啟動(dòng)時(shí)，先由電站室遠(yuǎn)程控制使控制電源合上，“綜合自動(dòng)化系統(tǒng)”發(fā)出“啟動(dòng)”命令給快開“S1”的合閘回路，然后合上快速斷路器（S1），此時(shí)完成吸收裝置投入工作前的準(zhǔn)備。一旦列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)并使電網(wǎng)電壓抬高時(shí)，吸收電容開始吸收該部分能量，電容器所蓄電能為A=(1/2)×CUC2，電容吸收的電流與電容量、電壓增量有關(guān)，I=C×du/dt。當(dāng)車輛再生制動(dòng)完成后，吸收電容上的電能必須通過直流電網(wǎng)或其他耗電設(shè)備將其能量釋放掉，否則下一周期吸收電容無法吸收再生能量。

歐洲的法蘭克福和馬德里的軌道交通以及北京地鐵5號線都配置了該類裝置。

（3）飛輪儲(chǔ)能型。飛輪儲(chǔ)能型是利用飛輪的慣量將能量儲(chǔ)存起來。它通過對變電所直流空載電壓、母線電壓的跟蹤判斷，確定是否有列車在再生制動(dòng)且再生制動(dòng)電能不能完全被本車輔助設(shè)備和相鄰車輛吸收。當(dāng)判斷變電所附近列車有再生制動(dòng)電能需要吸收時(shí)，飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能儲(chǔ)存；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動(dòng)牽引用電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，飛輪吸收系統(tǒng)將飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把儲(chǔ)存的慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)成電能反饋至電網(wǎng)。該方式由于一個(gè)飛輪在一個(gè)制動(dòng)時(shí)間內(nèi)只能吸收200 kW的電能，如果要吸收近2 000 kW的電能，則所需飛輪將為10組，造成投資較大，該裝置除具有電能吸收功能外還具有穩(wěn)壓功能，通過設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)，可在牽引網(wǎng)電壓較高時(shí)吸收電能、在電壓較低時(shí)釋放電能，穩(wěn)定電壓。

該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能飛輪電機(jī)、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。該裝置直接接在變電所正負(fù)母線或牽引網(wǎng)和回流軌間，其核心技術(shù)是利用核物理工業(yè)的物質(zhì)分離衍生技術(shù)制造飛輪，該裝置設(shè)置在真空殼體內(nèi)，飛輪經(jīng)過特殊材料和加工工藝制成的軸支撐在底部結(jié)構(gòu)上，其原理如圖3所示。

圖3 飛輪儲(chǔ)能型裝置原理示意圖

目前，只有英國UPI公司有成熟的飛輪儲(chǔ)能型裝置產(chǎn)品，并在英國、香港電力系統(tǒng)、紐約部分地鐵、香港巴士公司有應(yīng)用。德國西門子公司曾研制過該類裝置，但因飛輪關(guān)鍵技術(shù)不過關(guān)，壽命評估很低，目前已停止生產(chǎn)。國內(nèi)某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室也曾研制出類似的小功率產(chǎn)品，但飛輪的壽命和轉(zhuǎn)速、功率均無法滿足工程應(yīng)用需要。

（4）逆變吸收型。逆變吸收裝置則是利用電力電子器件構(gòu)成逆變器，將直流電逆變成工頻交流電饋送交流電網(wǎng)。由于該交流電諧波分量較大，所以必須設(shè)置諧波抑制器和功率補(bǔ)償器，為了平衡再生制動(dòng)時(shí)反饋到交流網(wǎng)的浪涌電流，交流電站需要設(shè)置電網(wǎng)分配自動(dòng)平衡裝置。為了減小高次諧波對供電電網(wǎng)的污染，由車輛再生制動(dòng)時(shí)的直流電逆變成工頻交流電不是直接饋送至10（35）kV供電電網(wǎng)，而是逆變成380 V交流電與車站內(nèi)380 V電網(wǎng)并網(wǎng)，消耗在站內(nèi)電梯、通風(fēng)、照明等用電設(shè)施上。當(dāng)車輛再生制動(dòng)經(jīng)判斷由吸收設(shè)備吸收其能量時(shí)，通過電子并網(wǎng)裝置與站內(nèi)380 V電網(wǎng)并網(wǎng)；當(dāng)車輛再生制動(dòng)完畢，通過電子并網(wǎng)裝置與站內(nèi)380 V電網(wǎng)自動(dòng)切除。為了確保吸收效果，再生制動(dòng)逆變吸收裝置不是設(shè)置在牽引變電所，而是在每個(gè)車站設(shè)置一套，車輛再生制動(dòng)時(shí)的能量由最近的一套吸收裝置吸收。逆變吸收裝置原理如圖4。

圖4 逆變吸收型裝置原理示意圖

該產(chǎn)品在日本軌道交通中應(yīng)用較多，日本日立和德國西門子公司均有生產(chǎn)該產(chǎn)品的業(yè)績。目前，國內(nèi)廠家正在開發(fā)研制，但還沒有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)城市軌道交通尚無應(yīng)用業(yè)績。

（5）逆變-電阻組合吸收型。逆變-電阻組合型裝置由IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、電動(dòng)隔離開關(guān)、避雷器、電磁接觸器、傳感器、晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流電壓變換器和微機(jī)控制單元等構(gòu)成，其直流側(cè)與接觸網(wǎng)相連，交流側(cè)與車站低壓配電系統(tǒng)（0.4 kV）相連。

電路由3部分組成，開關(guān)及濾波環(huán)節(jié)、電阻吸收單元、逆變吸收單元；用電設(shè)備為各車站380 V系統(tǒng)用電裝置。

微機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小來判斷吸收裝置是否工作。微機(jī)控制系統(tǒng)首先合上 KM2、KM4充電接觸器，給濾波電容充電，然后合上線路接觸器（KM1、KM3），完成吸收裝置投入工作前的準(zhǔn)備。此后微機(jī)控制系統(tǒng)將自動(dòng)測定線網(wǎng)空載電壓值和吸收電壓值，或接收人工功率限制檔位信號，根據(jù)各個(gè)傳感器檢測信號綜合判斷線網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動(dòng)狀態(tài)。一旦確認(rèn)列車處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置了二級判斷基準(zhǔn)值，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第一級判斷電壓時(shí)，系統(tǒng)首先投入逆變吸收，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至車站低壓配電系統(tǒng)（0.4 kV），再生能量消耗在用電設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網(wǎng)電壓進(jìn)一步的上升，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第二級判斷電壓時(shí)，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動(dòng)能量消耗，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓不再上升，確保列車充分有效利用電制動(dòng)。該裝置原理如圖5。

圖5 逆變-電阻組合吸收型裝置原理示意圖

目前國內(nèi)有些公司已研制出逆變-電阻組合吸收型裝置，并分別通過了鐵道科學(xué)研究院主持的產(chǎn)品型式試驗(yàn)和掛網(wǎng)與車輛的配合試驗(yàn)。目前已有2套裝置分別安裝在北京地鐵車輛廠和天津地鐵 1號線進(jìn)行運(yùn)營考核。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較分析

（1）電阻吸收型裝置。該裝置是目前國內(nèi)外普遍采用的吸收裝置，已經(jīng)成功地應(yīng)用在運(yùn)營線上，其價(jià)格在幾種方案中最低（價(jià)格為 150萬元/套左右）。其功率組合方便、控制簡單、工作可靠、維護(hù)維修方便、使用壽命較長、應(yīng)用成熟；采用斬波調(diào)阻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)電壓的恒壓調(diào)節(jié)，可以有效控制列車再生制動(dòng)時(shí)可能引起的過電壓，特別適用于間隙工作的情形。但再生制動(dòng)能量在吸收電阻上集中發(fā)熱，需要相應(yīng)的通風(fēng)動(dòng)力裝置將熱能排出，再生電能沒有有效利用。從長遠(yuǎn)的角度看，不能代表再生制動(dòng)電能吸收方案的技術(shù)發(fā)展方向。

（2）電容儲(chǔ)能型裝置。該裝置對列車再生制動(dòng)能量利用率較高，節(jié)能效果好，再生制動(dòng)電能直接在直流牽引系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對交流系統(tǒng)不會(huì)造成影響；該裝置為靜態(tài)電容儲(chǔ)能裝置，維護(hù)和元器件更換較為方便。但由于短時(shí)吸收功率大，導(dǎo)致組合電容多、占地面積大。電容頻繁處于充、放電狀況，電容的使用壽命短（一般在5年左右），維護(hù)工作量較大，運(yùn)營成本較高。該產(chǎn)品需要完全進(jìn)口，設(shè)備價(jià)格較高（約650萬元/套）。該產(chǎn)品只適用于額定電壓不大于DC 825 V的牽引系統(tǒng)，目前的產(chǎn)品容量較小，對于運(yùn)量較大的軌道交通線路，不能滿足完全吸收列車再生制動(dòng)電能的需要。

（3）飛輪儲(chǔ)能型裝置。該裝置同樣具有再生制動(dòng)能量利用率較高，節(jié)能效果好，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對交流系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生影響的特點(diǎn)。但飛輪裝置占地面積大；維護(hù)工作復(fù)雜、運(yùn)營成本高；設(shè)備價(jià)格高（約600萬元/套）；該設(shè)備需要完全進(jìn)口，但因?yàn)槟承┰颍壳坝鳸PI公司已停止向中國大陸推廣該產(chǎn)品。

（4）逆變吸收型裝置。該裝置有利于能源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。但是目前，該裝置國內(nèi)還處于研制階段，設(shè)備需要完全進(jìn)口，價(jià)格高（約1 100萬元/套）；為了抑制諧波率，防止高次諧波對通信、監(jiān)控等弱電設(shè)施的干擾，吸收設(shè)備必須配備濾波和諧波抑制裝置；為了平衡再生制動(dòng)時(shí)反饋到交流網(wǎng)的浪涌電流，交流電站需要設(shè)置電網(wǎng)分配自動(dòng)平衡裝置；為了確保吸收效果，再生制動(dòng)逆變吸收裝置不是設(shè)置在牽引變電所，而是在每個(gè)車站設(shè)置一套，設(shè)備投資大。

（5）逆變-電阻組合吸收型裝置。該裝置控制簡單，安全可靠，系統(tǒng)首先滿足逆變吸收，在逆變吸收不能完全吸收列車的再生能量時(shí)，再投入電阻進(jìn)行吸收，對再生制動(dòng)能量進(jìn)行了較好的利用；該設(shè)備的國產(chǎn)技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，對后期的運(yùn)營維護(hù)方便，設(shè)備價(jià)格低（約250萬元/套）。

綜合比較，在現(xiàn)階段，逆變-電阻組合吸收型裝置從技術(shù)的成熟性、經(jīng)濟(jì)性、工程可實(shí)施性等方面都具有明顯優(yōu)勢。加之國內(nèi)能夠生產(chǎn)，給今后的維護(hù)維修帶來很大的便利，提高了國產(chǎn)化率，同時(shí)也帶動(dòng)了國內(nèi)企業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。所以，現(xiàn)階段逆變-電阻組合吸收型裝置在城市軌道交通工程中值得推薦。

3 結(jié)束語

值得注意的是，逆變回饋型裝置不需要儲(chǔ)能元件，也不需要吸收電阻，直接將列車再生制動(dòng)直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，由在線設(shè)備實(shí)施消耗，節(jié)能效果顯著，實(shí)現(xiàn)了列車再生制動(dòng)能量的綜合利用，符合世界節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢。雖然目前國外類似產(chǎn)品價(jià)格昂貴，但是筆者相信，隨著國內(nèi)電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，通過科研院校、設(shè)計(jì)和制造廠商的共同努力，一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來研制成功并運(yùn)用于工程實(shí)踐。

[1]湖南恒信電氣有限責(zé)任公司.HXXS-NB/380V型電阻-逆變混合再生制動(dòng)吸收裝置[R].湘潭，2008.

[2]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.南昌地鐵1號線供電系統(tǒng)投標(biāo)文件[G].成都，2009.

[3]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.青島地鐵2號線一期工程供電系統(tǒng)投標(biāo)文件[G].成都，2011.