城軌車輛再生制動能量吸收方案研究

公丕柱

(濟南軌道交通集團有限公司, 山東濟南 250101)

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城軌車輛再生制動能量吸收方案研究

公丕柱

(濟南軌道交通集團有限公司, 山東濟南 250101)

對城軌車輛再生制動特性進行了分析，定量計算出列車再生制動能量和功率。基于目前的技術發展現狀，提出了低壓逆變回饋和超級電容儲能混合型方案；闡述了系統各部分組成和功能，并給出了逆變系統優先吸收再生能量的控制策略。為滿足列車再生能量需全部吸收利用的需求，提出了混合型系統的容量配置方法并進行了實例計算。本方案既能將列車再生能量全部吸收利用，又可穩定牽引網電壓，對于降低建設投資和減少運營費用具有現實意義。

再生制動； 逆變回饋； 超級電容； 儲能； 容量配置

城市軌道交通站間距離較短，列車起動、制動頻繁，為了節省電能、減少機械制動裝置的磨損，列車制動一般采用以電制動為主、機械制動為輔的控制原則，當電制動力不足或失效時，由機械制動補足或替代。因此，列車在制動過程中會產生巨大的再生制動能量。

牽引供電系統一般采用二極管不可控整流器實現由三相交流電能向直流電能的轉換，能量只能單向流動，當列車再生制動能量沒有被鄰近車輛完全吸收時，為了維持直流牽引網電壓的穩定，需要通過制動電阻以熱能的形式消耗。電阻制動不僅浪費了電能，同時也增加了空調通風裝置的負擔，使城市軌道交通的運營成本增加。

目前，列車再生制動能量的高效利用主要是通過逆變回饋和能量存儲兩種方式[1-2]。基于超級電容在國內儲能領域的飛速發展以及性價比的不斷提高，提出了低壓逆變回饋+超級電容儲能混合型方案，融合了低壓逆變裝置和超級電容儲能裝置的優點，既能將列車再生能量循環利用，又可減小直流電網電壓的波動，改善供電質量。

1　再生制動能量計算

1.1再生制動特性分析

再生制動是指列車牽引電機工作在發電機工況，牽引電機產生的三相交流電通過牽引變流器整流為直流電并反饋回電網。電機再生制動特性曲線一般設計為兩個區域，分別為恒轉矩區域和自然特性區域，如圖1所示，圖中：B為制動力，v為列車運行速度，AB段為自然特性區域；BC段為恒轉矩區域；C0段為空氣制動逐漸替代電制動區域。

圖1　電機再生制動特性曲線

電機再生功率為：

(1)

列車回饋至電網的瞬時功率為:

(2)

式中n1為列車動車數量，n2為動車電機數量，η1為齒輪傳動效率，η2為電機效率，η3為牽引變流器效率，Psiv為列車輔助設備實際用電功率。

電機再生制動能量為：

(3)

式中a為列車平均減速度。

(4)

1.2實例計算

以國內某線路為例，列車編組形式為4動2拖，最高運行速度100 km/h，牽引網額定電壓為1 500 V，常用制動平均減速度為1.0 m/s2，AW2載荷時列車總重為287.6 t，輔助設備實際用電功率為200 kW，齒輪傳動效率為0.97，牽引變流器效率為0.98，電機效率為0.92，電機再生制動力為19.04 kN，電機自然特性點速度為65 km/h，再生制動退出速度為65 km/h。利用式(1)～式(4)計算出列車再生制動功率和能量，列車回饋至電網的再生功率與速度關系見圖2，列車回饋至電網的再生制動能量與制動初始速度關系曲線見圖3。

如圖2、圖3所示，列車再生制動功率為尖峰狀，且尖峰功率很大(最大可達4 600 kW)；列車再生制動能量隨制動起始速度的減小而減小，若列車從90 km/h時開始制動，則列車產生的再生制動能量為18.4 kW·h。

圖2　列車再生功率與速度關系曲線

圖3　列車再生能量與制動初始速度關系曲線

2　系統方案設計

由于列車再生制動能量和功率都很大，再生制動能量吸收裝置如果單獨采用低壓逆變回饋方式，受車站動力照明負載功率和配電變壓器容量的限制，列車再生制動能量不能完全吸收，需要電阻制動補充吸收。再生制動能量吸收裝置如果單獨采用儲能方式，則要求儲能裝置具有很大的功率與容量，導致成本與體積增大。因此，本文提出將低壓逆變回饋和超級電容儲能兩種方式相結合的方案，圖4為再生制動能量吸收裝置系統原理圖。

2.1逆變回饋系統

逆變回饋系統主要由直流開關柜、逆變柜、隔離變壓器、交流開關柜等幾部分組成，各部分組成和功能：

(1)直流開關柜主要包括直流接觸器、隔離開關等器件。用于控制逆變柜與牽引網的接通與分斷。

圖4　再生制動能量吸收裝置系統原理圖

(2)逆變柜主要包括IGBT單元、測量與控制電路。用于判斷逆變裝置準確投入工作，并根據再生能量的大小調節相應的吸收容量，將再生電能逆變為與AC 400 V電網同相位、同頻率的交流電回饋電網。

(3)隔離變壓器的主要作用是匹配逆變器輸出電壓與電網電壓，實現前后級電網隔離。

(4)交流開關柜主要包括交流接觸器、隔離開關等器件。用于控制逆變柜與AC 400 V電網的接通與分斷。

2.2儲能系統

儲能系統主要由直流開關柜、DC-DC功率變換器、超級電容器組3部分組成，各部分組成和功能：

(1)直流開關柜主要包括直流接觸器、隔離開關等器件，用于控制儲能系統與牽引網的接通與分斷。

(2) DC-DC功率變換器主要包括IGBT單元、儲能電感、測量與控制電路。在功能上相當于Boost變換器和Buck變換器的組合，主要工作在3個狀態，列車牽引時，變換器等效為升壓斬波器，將超級電容中的能量釋放到牽引網上；列車惰行時，變換器停止工作，處于備用狀態；列車制動時，變換器等效為降壓斬波器，將牽引網的能量儲存到超級電容。通過以上3個狀態的切換，完成對再生制動能量的吸收和釋放。

(3)超級電容器組是儲存能量的載體。超級電容由于單體電壓較低，一般為2.5～2.7 V，不能滿足列車再生制動能量吸收裝置的電壓和能量等級要求；實際應用中，常采用同型號的超級電容單體通過串、并聯構成超級電容器組。

超級電容可近似等效為電阻與電容的串聯[3]，假設超級電容器組有m個特性相同的電容單體串聯成一條支路，再由n條相同的支路并聯組成，則超級電容組的等效電容、額定電壓和等效內阻為：

(5)

式中Cc為單體容量；Rc為單體內阻；Uc為單體額定電壓。

超級電容組儲存的能量為:

(6)

式中Ue為超級電容額定工作電壓；U0為超級電容放電終止電壓；α為超級電容放電深度。

2.3控制策略

再生制動能量在逆變系統與儲能系統之間的分配可以有多種策略，主要通過判斷直流母線電壓、電流實現2個系統之間的切換。基于低壓逆變回饋系統在國內已有較多的應用，本文主要研究逆變系統優先控制策略，在再生制動能量吸收的過程中，逆變系統始終工作，而儲能系統作為逆變系統的補充，吸收再生能量的尖峰功率。

再生制動能量吸收裝置控制系統根據直流母線電壓升高以及電流流向的變化判斷車輛處于制動工況，當直流母線電壓上升達到第1預設值時，向逆變系統發出啟動信號，并且以該值作為逆變系統的電壓基準值，當電壓進一步上升時，逆變系統以實際的直流母線電壓與該基準值的差值控制輸出電流，直到輸出電流達到逆變系統的最大輸出電流。如果直流母線電壓進一步上升并達到第2預設值，則啟動儲能系統，與逆變系統共同吸收再生能量，將直流母線電壓限定在系統最高電壓值以下。隨著車輛制動過程的進行，車輛再生制動輸出能量逐漸減小，直流母線電壓也將隨之降低，當該電壓低于第2預設值后，儲能系統退出工作，由逆變系統獨自吸收再生能量。當直流母線電壓下降第1預設值時，逆變系統停止工作。

當列車處于牽引工況時，由于牽引整流器內阻的存在，直流母線電壓隨著列車牽引功率的增加而下降，當直流母線電壓下降到預設值時，儲能系統放電，維持直流母線電壓穩定。當超級電容荷電狀態達到設定值時，儲能系統停止工作。

3　容量配置

列車制動時產生的再生能量一部分會被鄰近車輛吸收，相關研究表明，隨列車運行密度和區間距離的不同，該比例系數的變化范圍為20%～80%[4]。因此，再生制動能量吸收裝置的總容量應根據列車運行仿真結果和類似線路的數據進行計算確定。

3.1逆變系統容量

低壓逆變系統回饋的電能一部分供車站內動力照明負荷使用，另一部分通過配電變壓器回饋至35 kV中壓網絡。為保證400 V電網的可靠性及穩定性，逆變系統最大容量不能超過配電變壓器的容量。目前，國內產品功率等級主要有650，900，1 200，2 000 kW[5]。具體項目選型時必須結合車站負荷功率和配電變壓器容量選擇合適的功率。

3.2儲能系統容量

儲能系統容量配置時需考慮雙向DC/DC變換器變壓比、需吸收的列車再生能量和最大功率3個約束條件。

(1)雙向DC/DC變換器并聯在直流供電網中，超級電容向直流網放電時工作在Boost模式，為保證電路工作穩定，將Boost電路升壓比限制在3之內[6]，因此，超級電容器最小工作電壓為U0>Ue/3。考慮超級電容內阻以及充放電端口電壓變化大對超級電容效率的影響[7]，選擇最大放電深度為0.5，超級電容器組的額定工作電壓Ue=2U0。

(2)根據前述控制策略，車輛再生制動能量優先為鄰近車輛吸收，剩余部分制動能量首先被逆變系統吸收，然后由儲能系統吸收。因此，儲能系統容量滿足：

(7)

式中WG為列車回饋至電網的再生能量；k為鄰近車輛吸收系數；Winv為逆變系統的吸收容量；ηDC為雙向DC/DC變換器效率。

實際工程計算時，將計算所得的單體數量適當向上取整數，彌補因忽略內阻而損耗的能量。

(3)超級電容器組充電時，工作電壓為動態且變化范圍較大，故超級電容器組充電功率的是動態的，如果超級電容器組采用恒流充電方式，則充電功率為：

(8)

式中U0為超級電容器組的充電初始電壓；I為超級電容器組的最大充電電流；C為超級電容器組等效電容；t為超級電容器組充電時間。

由式(8)可知，超級電容器組的功率和電壓隨時間直線增大，根據列車再生制動能量的特點，超級電容器組采用在充電初期恒流充電而后逐漸減小電流方式，充電峰值功率滿足：

(9)

式中PGp為列車回饋至電網再生能量的峰值功率；Pinv為逆變裝置額定功率。

3.3實例計算

假設列車再生制動能量和功率采用前面參數，低壓逆變系統的額定功率為1 200 kW，雙向DC/DC變換器的效率為0.95，超級電容器組額定電壓為1 000 V，超級電容器參數如下：額定電容值為3 000 F，額定電壓2.7 V，短路電流值為4 800 A，質量為0.55 kg，體積為0.475 dm3。當鄰近車輛吸收系數分別為0，20%，40%，60%時，根據式(5)～式(9)計算超級電容器組配置結果見表1。

由表1可以看出，提高鄰近車輛吸收系數可顯著減少再生制動能量吸收裝置的容量，從而減小設備體積和降低成本。

表1　超級電容器組配置結果

4　結束語

電力電子技術的發展使得列車再生制動能量回收系統越來越多樣化，混合型再生制動能量吸收方案可有效降低裝置研制難度，提高系統可靠性，在保證列車進行正常制動的前提下以較合理的設備投資實現了全部再生電能的回收利用。該方案是解決列車再生制動能量利用問題的一種有益探索，具有良好的工程應用前景。

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Study on Regenerative Braking Energy Absorption for Urban Rail Vehicle

GONGPizhu

(Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101 Shandong, China)

The regenerative braking characteristics of urban rail vehicles are analyzed, and the energy and power of the regenerative braking are calculated. Based on the present situation of technology development, a hybrid scheme of low voltage inverter feedback and super capacitor energy storage is proposed. The components and functions of the system are described, and the control strategy with a preference to the inverter system absorption is given. In order to absorb all the regenerative braking energy of the train, the capacity allocation method for the hybrid system is proposed, and the practical calculation is carried out. This hybrid scheme not only can absorb all the regenerative braking energy of the train, but also can stabilize the traction network voltage, which has practical significance for reducing construction investment and operation cost.

regenerative braking; inverter feedback; super-capacitor; energy storage; capacity allocation

1008-7842 (2016) 02-0120-04

??)男，工程師(

2015-11-16)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.29