新型再生制動能量吸收裝置在地鐵中的應(yīng)用

馮 驥

（武漢鐵路技師學(xué)院機電系，湖北 武漢 430064）

地鐵多采用直流電供電，整流時采用電力二極管，能量由交流側(cè)單向流向直流側(cè)。在列車降速制動時,速度大于8 km/h時，一般都是采用再生制動，牽引電機會從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電工況，將吸取機械動能，轉(zhuǎn)化成電能，能量可以被列車自身的輔助電力設(shè)備消耗除一部分，剩余的將回饋到牽引網(wǎng)上，一般情況下，將有列車動能的60%左右變?yōu)殡娔芑仞伒街绷骶W(wǎng)中。下圖為上海地鐵3、4號線部分站所監(jiān)測的制動能耗與牽引能耗對比圖（見圖1）。

圖1 能耗對比圖 上條為可吸收的制動能耗 下條為牽引能耗

同一供電區(qū)段內(nèi)，如果在該時段有其他列車正在牽引，直流牽引網(wǎng)上的能量可以被吸收，但如列車發(fā)車密度較低（空閑時段）時，同一供電區(qū)段沒有其他列車吸收能量，或者其他列車不能夠完全吸收再生能量，結(jié)果就是網(wǎng)壓出現(xiàn)竄升，當(dāng)超過限定值（1900V）時，會啟動車輛設(shè)備（逆變器）的保護閉鎖，所以必須有具備吸收能力的設(shè)備。

目前，投入使用的列車再生能量吸收裝置主要是電阻耗能型、儲能型和逆變回饋型這三類。

電阻耗能型。以重慶地鐵為代表的早期設(shè)計是在牽引變電所附近設(shè)置64D再生制動吸收設(shè)備，由斬波器與電阻構(gòu)成，直流母線電壓的變化狀態(tài)可以開啟調(diào)節(jié)電子開關(guān)的導(dǎo)通比，網(wǎng)壓高時投入制動電阻，將多余制動能量變成熱能消耗掉，從而改變吸收功率，這可在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)恒定直流電壓，這樣可以使持續(xù)穩(wěn)定車輛發(fā)出的再生電流最大限度地使用電制動功能。這種方案原理與控制器件相比，簡單也很可靠，早期得到成熟應(yīng)用，但主要缺點是該方案的電能是白白將能量轉(zhuǎn)換為熱能，同時電阻的散熱將會導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，這會造成浪費。變電所一般將此裝置加裝相應(yīng)的通風(fēng)裝置后置于通風(fēng)良好的區(qū)段。

儲能型。現(xiàn)在使用的儲能型再生能量吸收裝置價格較高，從原理上一般分為電容型和飛輪型。

電容儲能型再生能量吸收裝置使用大電容或電池，采用ICBT控制投入，投入后將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中[1]。如果網(wǎng)壓較低（1400V），有列車需要取流時，則由電容反饋電網(wǎng)，將所儲存的電能釋放出去，抬升電壓。北京地鐵5號線采用了德國西門子生產(chǎn)的SITRASSES成套產(chǎn)品，主要設(shè)置在牽引供電區(qū)間較長和坡度較大區(qū)間的4座牽引變電所內(nèi)[2]。設(shè)備投入早期由于電容的性能，造成儲能容量相對較小，再生能量大部分未被吸收，吸收能量極為有限。電容器的體積龐大，占地要求高，電容在頻繁充放電后，一般會出現(xiàn)使用壽命短的問題。

飛輪儲能型的基本原理也是用網(wǎng)壓投入儲能元件，但儲能元件變?yōu)榱孙w輪電機。電動機得電后，將帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，顯然，電能變?yōu)榱藙幽軆Υ嫫饋怼]有再生能量時，飛輪靠慣性帶動發(fā)電機進行發(fā)電。目前，飛輪型裝置國內(nèi)無成熟產(chǎn)品，國外產(chǎn)品的價格較高。且由于高速旋轉(zhuǎn)飛輪運行時間極長，造成轉(zhuǎn)動慣量大，且機構(gòu)要求高，摩擦耗能問題嚴(yán)重，飛輪工作壽命短，整個系統(tǒng)復(fù)雜，空間需求大，處于技術(shù)研究和實驗室驗證階段。

在使用耗能型、儲能型裝置時，不用考慮交流側(cè)，只需考慮地鐵直流牽引網(wǎng)壓，這樣的話控制邏輯比較簡單，穩(wěn)壓效果良好?？紤]除投資經(jīng)濟性外，現(xiàn)儲能型裝置在使用壽命、安全性能及維護維修便利性上當(dāng)下較難滿足地鐵運營要求，但可視為今后理想的應(yīng)用類型加以研究。

逆變回饋型。這種裝置是將能量回饋到地鐵供電系統(tǒng)當(dāng)中，直流電要逆變成交流電，按交流側(cè)電壓進行分類，相對可以分為三個等級：

低壓回饋：400V

中壓回饋：1180V

高壓回饋：10kV,35kV（33kV)

逆變回饋型再生能量吸收裝置將能量回傳電網(wǎng)，主要采用三相逆變電路，不需要配置大容量儲能元件或電阻[3]。當(dāng)網(wǎng)壓升高時，通過逆變器，將能量從直流母線逆變成交流電，回饋至本站0.4 kV低壓交流電網(wǎng)或整個地鐵的35 kV中壓網(wǎng)。

低壓0.4 kV逆變裝置的容量要能同時滿足低壓側(cè)負(fù)荷與動力變的反送，同時又要考慮到0.4 kV的穩(wěn)定可靠，故因為容量問題，常與電阻配合使用，節(jié)能效果有限，在北京地鐵9號線投入運行，但因為容量限制，還是有再生失效的狀況。

中壓能饋型再生制動電能利用裝置有一種是將能量反饋至1180V側(cè)，也就是整流變的副邊，逆變出能量通過整流變返回，同時交流側(cè)開關(guān)柜對這種裝置還可起保護作用，設(shè)計裝置容量時當(dāng)需考慮整流變壓器副邊容量。

中壓能饋型再生制動電能利用裝置應(yīng)用最為廣泛的是多將能量獨立反饋至中壓電網(wǎng)的方式，條件少，方便計量，但要多設(shè)一臺開關(guān)柜，此外，設(shè)計時多還考慮到整個交流中壓電網(wǎng)的諧波與無功補償。典型應(yīng)用方案如下：

圖2 典型應(yīng)用方案

這種再生制動電能利用裝置主要由變流器柜、低壓開關(guān)柜、回饋變壓器、35kV開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、負(fù)極隔離柜共六大部分組成，這種方式需要新增一個大功率的逆變器[4]。逆變器將觸網(wǎng)上的直流電變?yōu)榻涣麟?，回給交流側(cè)。為了滿足實際的容量、安全、維護需求，現(xiàn)通常改變整流柜的單向整流單元，將其變?yōu)殡p向變流器，這也就是將電力二級管改為雙向變流器，這就同變壓器、開關(guān)柜等構(gòu)成雙向變流機組?；蛘咝略鲆粋€變流器，然后與原有的二極管整流機組并聯(lián)。這樣，雙向變流器柜內(nèi)含2臺雙向變流器，雙向變流器通過由網(wǎng)壓的大小和相位控制開關(guān)，進而傳輸有功功率和無功功率。

圖3 CH1為電壓波形 CH2為電流波形

從以上分析可知，當(dāng)前主流方案是采用中壓逆變回饋型裝置，這可以滿足各公司的節(jié)能與控制網(wǎng)壓的要求，且回饋網(wǎng)電流波形良好，功率因素也能得到提高。但是，設(shè)備費用高，也對通風(fēng)散熱的配置提出了進一步的需求，這些問題需要進一步解決。

對本文的附加思索。除飛輪儲能型再生能量吸收裝置外，其他方式在地鐵均有應(yīng)用。中壓逆變回饋型裝置的投入要盡可能的早，在各地鐵公司初期運量不大的情況下，鄰近列車吸收不大，這時中壓逆變回饋型裝置能更多地吸收回饋，回收成本，且雙向變流器可以起到整流器的備用，只是器件成本高，但控制策略已相當(dāng)成熟，隨著器件的改進，今后必是應(yīng)用的重點。