城軌列車再生制動能量吸收裝置的選擇

王繼鋒

(蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州　215004)

城市軌道交通列車采用的VVVF(變壓變頻)電動車組，其制動一般為電制動(再生制動、電阻制動)和空氣制動兩級制動，運行中以再生制動和電阻制動為主，空氣制動為輔， 且電制動與空氣制動自動協調配合。城軌列車運行具有站間運行距離短、運行速度較高、起動及制動頻繁等特點。

據調研，列車制動能量可達到牽引能量的20%～40%，不能吸收的能量占制動能量的40%左右?，F代變流技術的發展使得這部分能量的充分利用成為可能，國家節能降耗政策及技術升級的要求使各地鐵公司對車輛制動能量反饋利用的需求更加迫切。

1　車載制動電阻吸收裝置

城軌牽引所整流設備大都采用二極管不可控整流器， 只能單向供電。當列車處于再生電制動時，若直流供電系統具備吸收能力，即此時另有其他車輛正處于牽引狀況，列車能穩定地再生制動，制動電能被其他牽引列車吸收，車載制動電阻不投入工作，如圖1所示。若不能被吸收，再生能量將向直流電網充電， 二極管整流器被反向阻斷， 導致直流電網電壓升高，當直流網壓超過一定限制值時， 為了保護設備而使列車再生制動失效，轉換為車載電阻消耗或空氣制動機械消耗。

圖1　列車再生制動能量吸收示意

隨著車輛與直流供電技術的發展，為減少利用車載電阻制動引起的地鐵隧道內溫度升高，實現節能，利用車載電阻耗能的列車制動能量吸收方式已逐漸演變為通過牽引變電所實現能量的轉換或儲存。

在國外，日本和歐洲的地鐵已率先在車下變電所內設電阻、逆變、儲能等吸收裝置，將車載電阻由分散的動荷載改為集中的靜荷載。在國內，一些線路使用了直線電機車輛和單軌車輛，這些車輛要求將車載電阻移至地面。實踐證明，車載電阻移至地面有利于節能。

2　車載電阻吸收與地面吸收方式的比較

車載制動電阻投入模式是一種主動判斷模式，一旦給出制動指令，再生電壓達到其判斷電壓時，制動電阻立即投入吸收。地面吸收裝置投入模式是一種被動判斷方式，只能根據牽引網電壓的變化進行判斷，一旦車輛再生電壓達到其判斷電壓時，地面吸收裝置立即投入吸收，確保牽引網電壓的穩定，兩者優缺點對比如表1所示。

表1　車載電阻吸收與地面吸收的對比

3　地面再生能量吸收裝置類型比較

目前技術較為成熟的地面再生制動能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、逆變回饋型、電容儲能型、飛輪儲能型等方式。

3.1　電阻消耗型

電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻，采用恒壓吸收方式，根據再生制動時直流母線電壓的變化狀態調節斬波器的導通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設定值的范圍內，并將制動能量消耗在吸收電阻上(如圖2所示)。

圖2　電阻耗能型原理

該裝置的優點是產品成熟，維護方便，設備價格低，且已國產化；缺點是再生制動能量較大部分消耗在吸收電阻上，并未真正完全節能。國內線路采用該方案主要是由于采購車輛制式制約，車載電阻布置空間緊張，而將其移到車站變電所。如重慶2、3號線，廣州4、5、6號線，北京機場線等。

3.2　逆變回饋型

該裝置采用電力電子器件構成大功率三相逆變器，當再生制動使直流電壓超過規定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電，回饋至交流電網，從而實現再生能量利用。目前有向0.4 kV低壓系統、向35 kV(10 kV)中壓系統和向整流變壓器低壓側逆變的三類。逆變至0.4 kV低壓系統：因受低壓系統的吸收能力和動力變壓器的容量限制，需配置較大功率的電阻結合使用(逆變+電阻混合型)；逆變至中壓系統的或整流變壓器低壓側的(以下簡稱中壓逆變回饋型)：可以選擇較大功率的逆變器，為吸收制動時的尖峰負荷，通常也配置一定功率的電阻(如圖3所示)。

圖3　中壓逆變回饋型原理

該裝置的優點為：體積小、占地面積小，電能反送到電網，再利用效率高；對環境溫度影響??；國內已有生產，價格相對較低，性價比高。缺點為：產生一定的諧波；目前中壓逆變回饋型仍處示范性應用階段；有一定功率向電力系統返送。逆變+電阻混合型已在重慶1、3號線、北京地鐵10、14號線成功應用。中壓逆變回饋型已在鄭州1號線和北京10號線、14號線進行掛網試驗和示范性應用。

3.3　電容儲能型

該裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量特種雙層電容器組中。當有列車起動、加速需要取流時，該裝置將所儲存的電能釋放出去并進行再利用，工作原理如圖4所示。

圖4　電容儲能型原理

該裝置具有儲能(儲存車輛再生能量)和穩壓(穩定牽引網電壓)兩種工作模式。該裝置的優點為：能量直接在直流系統內轉換，對交流系統無影響；充電速度快，維護成本低，使用壽命長。缺點為：一次性投資高，大容量占地面積較大，尚未國產化，國內尚未投入運營。德國西門子公司SITRAS SES、日本明電舍的CAPAPOST、韓國宇進公司的ESS電容儲能吸收裝置在本國軌道交通線路均有應用。其中北京5號線引進西門子的SES裝置，尚未投入運營，日本明電舍的CAPAPOST將在香港地鐵南港島線兩座牽引所投入應用。

3.4　飛輪儲能型

該裝置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且再生能量不能完全被本車輔助設備和相鄰車輛吸收，當判斷變電所附近列車有再生能量需要吸收時，飛輪加速轉動，儲存能量；當判斷變電所附近有列車啟動牽引用電時，飛輪轉速降低，作為發電設備向牽引網反饋電能。該類吸收裝置與電容儲能型類似，具有儲能和穩壓功能。

英國UPT公司在2001年開發了該裝置，在英國、香港電力系統、紐約部分地鐵、香港巴士公司有應用。該裝置優點同電容儲能裝置，缺點為產品價格高，核心技術國內目前無法掌握，使用壽命和運營維護情況尚不清楚。

4　結論

電阻耗能型技術成熟，在國內已廣泛應用，但并沒實現完全節能，新線建設不推薦采用。

電容儲能型因超級電容等核心部件需進口，價格過高，其核心技術目前國內尚未掌握，設備運營中的檢修維護較為困難，目前仍暫不適于再生能量吸收技術選用。但是，在既有線路需提高穩定網壓的擴容改造工程中考慮選用。

飛輪儲能型因核心技術封鎖及價格因素所限，目前也無條件在城軌工程中應用。

逆變回饋型在國內正處于發展高峰，逆變+電阻型再生能量吸收設備已有成功運營經驗，中壓逆變回饋型已有示范性應用，節能效果明顯。

逆變回饋型和電容儲能型代表了地面再生電能利用技術的最新發展方向，今后需重點關注其技術發展和運營效果。

[1]黃濟榮.電力牽引交流傳動與控制[M].北京：機械工業出版社，1998

[2]湖南恒信電氣有限公司.城市軌道交通HXXS系列再生制動能量吸收裝置產品資料匯編[R].湘潭：湖南恒信電氣有限公司，2012