淺談再生能饋設備的研究背景及設備分類

摘 要：目前，我國城市軌道交通牽引供電系統普遍采用二極管整流機組供電方式。該供電方式存在著直流牽引網電壓波動范圍大、能量只能單向流動等缺點。為解決這一問題，再生能饋裝置應運而生。現階段，此裝置共分為電阻消耗型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型四類，本文對此四類能饋裝置的工作原理、運行現狀等進行了簡要的介紹，從穩定性、實用性等方面分析，逆變回饋型能饋裝置為現我國市場現階段的主流產品。

關鍵詞：再生能饋;逆變回饋;飛輪儲能;超級電容

一、研究背景

目前，我國城市軌道交通牽引供電系統普遍采用二極管整流機組供電方式。該供電方式存在著直流牽引網電壓波動范圍大、能量只能單向流動等缺點。當列車剎車制動時，產生的制動能量如不能被附近列車吸收，便會使得牽引網電壓飆升，導致列車再生制動能力降低甚至列車制動失效。

多年來，較為傳統的作法是將這一部分制動能量通過車載電阻的方式消耗掉，如圖1所示。

由于城市軌道交通列車的特殊性，具有列車行進站間距離短、起動及制動頻繁等特點，列車安裝車載制動電阻不但會將這部分能量白白消耗掉，造成能源的浪費;還會增加列車重量，從而影響載客量;與此同時，還會造成隧道的溫升，增加環控風機負荷量，造成能量的二次消耗。

二、現市場主要再生能饋裝置分類

隨著技術的進步及市場的擴大，目前，世界各地所廣泛使用的再生能饋裝置主要分為四大類，分別是：電容儲能型、飛輪儲能型、電阻能耗型及逆變回饋型。

（一）電阻能耗型

電阻能耗型吸收裝置是用電阻將多余的再生制動產生的能量消耗掉，從而達到穩定牽引網電壓的作用。但其實此型能饋裝置的本質就是將從前列上上的車載電阻替換為站內的能饋電阻，不過也將從前車載電阻產生的熱量集中在了變電站內，雖隧道不至于升溫，但變電站內仍需安裝專門的通風設備，將這部分熱量帶走，以保證其他設備的正常運行。

此型設備為能饋設備的第一代產品，雖有減輕列車重量，防止隧道升溫，控制簡單，減少閘瓦制動對閘瓦的損耗等優點，但不具備能量反饋功能，將列車制動能量白白消耗掉。此型裝置在國內重慶、天津、廣州、北京等地早已成熟應用

（二）電容儲能型

電容儲能型吸收裝置顧名思義是經列車制動能量通過超級電容實現將此部分能量的吸收及利用，組成原理圖如圖2所示，其主要元器件由超級電容及雙向DC/DC變流器兩大部分組成。在列車制動工況下，產生的電能未被此供電臂內其他車輛消耗的情況下，由雙向DC/DC變流器加以控制，為超級電容充電，將此部分電能儲存于超級電容內，當次供電臂內有車輛處于牽引狀態，導致牽引網網壓下降時，超級電容放電，將此部分電能通過雙向DC/DC變流器放出，共牽引車輛使用，從而減少牽引機組輸出功率，從而達到穩定牽引網網壓的作用。

此型裝置優點明顯，控制較為簡單，無能饋變壓器等設備，可以降低能饋過程中的銅損等無謂損耗，將牽引網能量直接反饋至牽引網，充分利用了列車制動能量，節能效果好，并可取代車載制動電阻，在北京、青島等地已有了實際的應用。但缺點也尤為明顯，由于用于儲能的超級電容體積龐大、工況噪音較大、價格高昂，如需滿足吸收列車全部制動再生能耗的需求，需在并接大量超級電容才能得以實現，故需要較大占地面積。因此，并不適用于老線改造，等空閑面積并不充裕的變電站，實際應用較少。

（三）飛輪儲能型

飛輪儲能型再生利用裝置是利用高速旋轉的飛輪將列車制動的電能裝換為飛輪轉動的動能的裝置，組成原理圖如圖3所示。此型裝置由儲能器及雙向變流器兩部分組成。其原理與電容儲能型類似，僅將儲能電容變為了儲能器。其中儲能器由飛輪及同步電機構成。當列車制動時，牽引網網壓升高，電機受雙向變流器控制，帶動飛輪高速旋轉，將列車制動產生的動能轉換成飛輪飛速轉動的動能儲存起來。當同一供電臂內列車處于牽引工況時，牽引網網壓下降，飛輪內部的動能將會通過控制重新轉變為電能，被送至牽引網，供此供電臂內列車使用，可以降低牽引機組功率輸出，穩定牽引網網壓。

飛輪儲能型再生利用裝置可以充分利用列車制動過程中所產生的能量，具有可觀的節能性，同時，可以實時追蹤牽引網網壓，根據控制列出運行不同工況時，實時吸收或釋放能量，可以良好的穩定牽引網網壓。但儲能器中的飛輪屬于高速轉動設備，需采用密閉環境及特殊制造技術，使用壽命及維護成本都有待確認，且現只有少數國外廠商能夠生產，由于特殊原因并未在中國市場推廣使用，故國內仍沒有相關產品使用的先例。

（四）逆變回饋型

逆變回饋型再生制動裝置是電力電子元件組成的三相逆變器將直流牽引網因列車制動產生的多余電能，重新反饋回直流牽引網的裝置，設備的原理圖如圖4所示，其主要包括隔離變壓器、電抗器及逆變器三部分。

逆變回饋型再生制動裝置可以較為充分的實現列車制動能量的再利用，具有良好的節能性，可以完全取代車載電阻，但與此前兩種能饋形式略有不同的是，此型能饋裝置并非將直流牽引網能量直接回饋至牽引網系統，而是將此部分能量通過逆變的方式直接回饋至牽引系統的上級交流電網，或配電網，不需要配備其他的儲能設備，因此也較好的解決了設備發熱的問題，不會對環網產生諧波等危害，易于維護，與此同時，由于電力電子元件的可控性較強，此型設備還可提供牽引能量，無功補償，線路融雪等功能。因此，市場前景較為廣闊，也是現在市場的主流選型設備。現在全國北京、新疆、云南等絕大部分地區多有使用。

參考文獻

[1]張剛.城市軌道交通能饋式牽引供電變流系統關鍵技術研究[博士學位論文].北京交通大學 2017

[2]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生電能的吸收與利用分析.城市軌道交通研究，2007，10（6）：42-45.

[3]沈茂盛，劉志剛，張鋼等.采用三電平電壓型PWM整流器的地鐵牽引供電系統.電工技術學報，2007，22（7）：74-77.

作者簡介：

韓倫（1988-），男，北京，中級職稱，本科學歷，研究方向：電力系統在市軌道交通中的應用，及城市軌道交通行業中交、直流系統繼電保護的配置。