亞的斯亞貝巴輕軌列車再生制動能量回饋方案分析

侯 峰　薛 敏

（1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州；2.廣州地鐵運營總部基地維修中心，510380，廣州∥第一作者，工程師）

亞的斯亞貝巴輕軌列車再生制動能量回饋方案分析

侯 峰1薛 敏2

（1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州；2.廣州地鐵運營總部基地維修中心，510380，廣州∥第一作者，工程師）

摘 要結合亞的斯亞貝巴輕軌一期項目，介紹國內外各種再生制動能量回饋技術，分析了不同再生制動能量吸收方式的差異。推薦亞的斯亞貝巴輕軌一期工程的再生制動能量回饋逆變裝置及逆變回饋方案：回饋裝置采用逆變器，回饋至整流變壓器次邊。

關鍵詞輕軌車輛；再生制動；能量回饋；逆變裝置

First author＇s address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou China

亞的斯亞貝巴輕軌為中國中鐵在埃塞俄比亞的第一條輕軌項目，也是中國城市軌道交通技術走向海外的重要工程之一。該項目由東西線和南北線組成，車輛采用70﹪低地板的現代有軌電車，以地面線為主，部分地段采用高架線路和地下線路。

可行性研究規劃方案中，亞的斯亞貝巴市的電網相對薄弱，故該項目采取分散式供電，變電所電源就近取自15 k V電網。近年來，隨著埃塞俄比亞國家經濟的發展，電網裝機容量有了較大發展，因此，本次初步設計采用集中式供電方案。

1　列車再生制動能量分析

城市軌道交通具有站間距短、列車運行速度相對較高、列車起動和制動頻繁等特點，列車制動必需吸收或者消耗的能量在列車運行能量中占據較大比例。列車在不同運行方式下的能量消耗流程如圖1所示。

圖1　列車運行能量消耗流程示意圖

隨著地鐵列車交流傳動技術水平不斷成熟和提高，列車制動已經發展成為以再生電氣制動為主和機械制動為輔的基本模式，其基本制動方案見表1。一般交流傳動的地鐵車輛再生制動反饋能量占牽引吸收能量的40﹪～50﹪，但此反饋比例與車輛的特性和線路特征密切相關。本次計算中表1所采用的車輛再生制動能量的反饋比例平均約為48﹪。

表1　列車的基本制動方案

列車再生制動能量在牽引能量中占據較大比例，因此，制動能量的充分利用具有非常重要的節能意義。目前列車再生制動能量主要有兩種吸收方式：①當相鄰列車具有吸收條件時，制動列車產生的再生能量通過直流牽引網被相鄰處于牽引模式下的其他列車所吸收；②當再生能量不能完全被其他列車所吸收時，為了保證直流牽引網的電壓安全，再生能量將由車載制動電阻所消耗，將電能轉換為熱能散發在隧道中（傳統解決方案）。

2　列車再生制動能量吸收裝置

從列車再生制動能量處理的方式上，列車再生制動能量吸收裝置主要分為耗能型、儲能型和逆變回饋型三類。消耗型吸收裝置結構簡單、技術成熟，主要采用電阻消耗。儲能型產品根據儲能介質的不同分為電容儲能型和飛輪儲能型兩類。逆變回饋型吸收裝置根據電網反饋電壓等級的不同分為35 k V逆變裝置和0.4 k V逆變裝置。

2.1電阻耗能型

電阻耗能型再生制動能量吸收裝置原理如圖2所示。該裝置主要采用多相IGBT（絕緣柵雙極晶體管）斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，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。該吸收裝置的電氣系統主要由隔離控制、濾波和IGBT斬波器、吸收電阻三部分組成。

該裝置國內已有成熟產品，且已經在開通運營的重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4∕3號線、北京機場線上應用。

圖2　電阻吸收裝置結線示意圖

2.2飛輪儲能型

飛輪儲能型制動能量回饋模型如圖3所示。飛輪儲能所用的飛輪分為高速飛輪與低速飛輪2種。其工作原理是：在列車發生再生制動時，電動機驅動轉子旋轉進行能量儲存，直至達到允許的最大轉速；當列車需求能量時，電能及時切換到發電機工況，釋放飛輪中儲存的能量直至達到最低工作轉速并轉變為變電所供電。飛輪儲能的儲能密度及效率較高，安裝地點也很靈活，但其壽命容易受到機械部件磨損的影響而大幅降低。另外，飛輪儲能的投資與維護費用較高。

圖3　飛輪儲能裝置原理示意圖

該產品除具有電能吸收功能外還具有穩壓功能，通過設置運行狀態，可在牽引網電壓較高時吸收電能，在電壓較低時釋放電能。

英國UPT電力公司有成熟的飛輪儲能型產品，其在英國電力系統、紐約部分地鐵、香港電力系統和巴士公司有應用。

2.3電容儲能型

電容儲能型能量回收裝置原理如圖4所示。與飛輪儲能型相比，電容作為儲能元件具有體積更小、容量更大、壽命更長及充放電速度更快等特點，使電容儲能迅速成為器件儲能型中最具市場應用競爭力的制動能量回饋技術。根據選擇的電容不同，電容儲能分為小電壓大容量的超級電容技術和大電壓小容量的物理電容技術。ESHSP系列超級電容額定容量可達5 000 F，額定電壓為2.7 V，在提供2 500 A的最大放電電流情況下可充放電約500 000次。

圖4　電容靜態儲能裝置構成原理圖

2.4逆變回饋型

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置主要采用電力電子器件構成大功率晶閘管三相逆變器，當車輛再生制動使直流電壓超過額定值時，交流電網將從DC 1 500 V∕750 V直流母線吸收直流電能，并通過逆變器、變壓器將其轉換為AC 35 k V∕33 k V工頻交流電回饋至電網。這種方式主要局限于集中供電方式的城市軌道交通線路。對于分散式供電系統，由于電網與分散式系統間電流的雙向流動，倒送回電網的電能會造成電網電壓波動并增大電網的短路電流。其能量流程如圖5所示。

圖5　列車制動能量逆變反饋中壓網絡示意圖

目前，逆變回饋型吸收裝置主要以回饋至中壓網絡為主。反饋至中壓網絡具有系統容量大、抗干擾能力強、對供電系統中的其他負荷影響較小等優勢。逆變回饋至0.4 k V的技術和產品目前國內有研究機構正在進行研究，且有試驗裝置正在進行掛網試驗。

2.5再生制動能量吸收裝置的比較

四類再生制動能量吸收裝置的比較如表2所示。

電阻能耗型裝置將列車再生制動產生的部分電能消耗在電阻上，未能加以利用，從長遠的角度看，不代表列車再生制動能量吸收的技術發展方向。電容儲能型裝置由于體積龐大、電容器件壽命短、投資大等缺點，限制了其在地鐵中的應用。飛輪儲能型裝置由于技術上受控的原因，在國內地鐵應用有較大的困難。逆變回饋型裝置由在線設備實時消耗列車再生電能，不需要儲能設備，具有占地空間較小、節能效果好等優點，代表了列車再生制動能量吸收的技術發展方向。該技術目前在歐洲及日本均已作為成熟技術推廣使用。

綜合考慮以上技術經濟因素，從技術成熟、安全可靠的角度出發，在初步設計中，針對亞的斯亞貝巴輕軌一期項目的再生制動能量吸收裝置推薦采用逆變回饋型方案。

表2　四類再生制動能量吸收裝置的比較

3　逆變回饋方案選擇

3.1回饋點選擇

3.1.1方案一：回饋至整流變壓器次邊

逆變單元一端通過斷路器連接于直流母線上，另一端與整流變壓器次邊連接，如圖6所示。系統根據交、直流電壓的變化，如直流母線電壓高于1 680 V（動作值可設定），并經直流側電流極性進行綜合判斷，確定在線車輛處于再生制動狀況后，自動跟蹤系統電壓相位、頻率等參數，投入逆變回饋裝置，實現并網，向整流變壓器1 180 V側逆變回饋電能，并根據線網再生反饋電流的大小，自動調節逆變回饋裝置通過電流，實現線網電壓穩定。再生制動逆變回饋裝置將機車再生制動產生的能量通過整流變壓器回饋到35 k V電網，當機車吸收再生制動能量，促使直流母線電壓回到設定的整定電壓值以下，或者當車輛由再生電制動轉為其它工況運行時，經系統判斷，再生制動逆變回饋裝置將停止能量回饋。

圖6　回饋至整流變壓器次邊原理接線圖

3.1.2方案二：回饋至0.4 k V母線

系統根據交、直流電壓的變化，如直流母線電壓高于1 680 V（動作值可以設定），及直流側電流的極性進行綜合判斷，確定在線車輛處于再生制動狀況后，投入逆變回饋裝置。隨后，根據線網再生反饋電流的大小，自動調節逆變回饋裝置通過電流，實現線網電壓穩定。再生制動逆變回饋裝置將機車再生制動產生的能量通過隔離變壓器回饋到0.4 k V電網，當機車吸收再生制動能量，促使直流母線電壓回到設定的整定電壓值以下，或者當車輛由再生電制動轉為其它工況運行時，經系統判斷，再生制動逆變回饋裝置將停止能量回饋。由于0.4 k V供電系統容量較小，不能完全消耗的再生電能需由裝置自帶的吸收電阻消耗。其原理接線圖如圖7所示。

圖7　回饋至0.4 k V母線原理接線圖

3.1.3方案三：回饋至35 k V母線

逆變單元一端通過斷路器連接于直流母線上，另一端與牽引變電所35 k V母線連接（見圖8）。系統根據交、直流電壓的變化，如直流母線電壓高于1 680 V（動作值可以設定），并經直流側電流的極性進行綜合判斷，確定在線車輛處于再生制動狀況后，自動跟蹤系統電壓相位、頻率等參數；投入逆變回饋裝置，將機車再生制動產生的能量直接回饋到35 k V電網；當機車再生制動能量吸收完，促使電壓回到設定的整定電壓值以下，或者當車輛由再生電制動轉為其它工況運行時，經系統判斷，再生制動逆變回饋裝置將停止能量回饋。

圖8　回饋至35 k V母線原理接線圖

3.1.4方案比選

對三種回饋點方案進行分析論證，如表3所示。

表3　三種回饋點方案的比較

綜合考慮技術經濟因素，一期工程回饋方案推薦采用方案一，即采用回饋至整流變壓器次邊的方案。

3.2回饋裝置類型選擇

3.2.1逆變器方案

能量回饋至整流變壓器次邊，其原理框圖如圖9所示。

圖9　方案一原理圖

本方案逆變回饋裝置只能工作在逆變狀態。當機車再生制動，導致直流母線電壓高于1 680 V（動作值可以設定）時，再生制動能量回饋裝置將機車再生制動產生的能量通過自耦變壓器、斷路器DL3和整流變壓器回饋到35 k V電網；當直流母線電壓恢復到正常值時，再生制動逆變回饋裝置停止能量回饋。

3.2.2半雙向變流器方案

能量回饋至整流變壓器次邊，其原理框圖如圖10所示。

圖10　方案二原理圖

本方案能量回饋裝置既可以給直流母線提供能量，也可以將直流母線上的能量回饋至電網。當機車再生制動導致直流母線電壓高于1 680 V（動作值可以設定）時，再生制動能量回饋裝置將機車再生制動產生的能量通過自耦變壓器、斷路器DL3和整流變壓器回饋到35 k V電網；當整流器出現故障或者其他原因導致直流母線電壓低于1 430 V（動作值可以設定）時，變流器工作在整流狀態，給直流母線提供能量；當直流母線電壓正常（處于1 430 V～1 680 V）時，變流器處于待機狀態，變流器和直流母線間無能量交換。

3.2.3雙向變流器方案

本方案采用雙向變流器代替原來的整流器和電阻泄放制動單元，其原理框圖如圖11所示。雙向變流器始終工作在穩壓狀態。其根據實際的直流母線電壓自動調節工作狀態（在整流和逆變狀態之間自動轉換），使直流母線電壓始終穩定在1 500 V（可根據需要設定）。

圖11　方案三原理圖

3.2.4方案比選

三種回饋裝置方案優劣比選如表4所示。

表4　三種回饋裝置方案的比較

由表3可以得出，方案的復雜性和風險性逐漸增加。鑒于此，亞的斯亞貝巴輕軌一期工程推薦采用逆變器方案。

4　結語

隨著城市軌道交通系統的日趨完善，車輛制動能量的回收利用逐漸成為關注的焦點。亞的斯亞貝巴輕軌一期工程的再生制動能量回饋，最終采用回饋至整流變壓器次邊的逆變回饋方案。下一步可對該工程采取的方案做進一步優化，如優化列車運行方案，提高再生能量利用率；研究逆變回饋再生制動與電阻制動能量綜合利用等。制動能量回饋系統在應用過程中還存在一些技術上的制約因素，隨著技術的日趨完善，制動能量回饋必將顯現出顯著的經濟效益、環境效益以及良好的社會效益。

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Analysis of Regenerative Braking Energy Feedback Scheme for Addis Ababa Light Rail Transit

Hou Feng，Xue Min

AbstractCombined with the first phase of Addis Ababa light rail transit project，the regenerative braking energy feedback techniques adopted in the world are introduced，their different features are analyzed.The inversion device and inversion feedback scheme is recommended which has been applied to the regenerative braking energy feedback in Addis Ababa light rail transit project，in the scheme the inversion device will feedback the breaking energy to the rectifier transformer.

Key wordslight rail transit vehicile；regenerative braking；energy feedback；inversion device

中圖分類號U 270.35：U239.3

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.015

收稿日期：（2014-07-03）