基于北京S1線的改進型再生能制動系統

徐騰飛

北京城市快軌建設管理有限公司 北京 100027

1 再生能制動系統概述

地鐵列車運行分為四種狀態：牽引、制動、惰行、停車。當列車制動時，車上感應電機轉子頻率大于同步頻率，列車電動機轉變為發電機模式，列車的動能轉換為電能反饋至牽引網。如該區間內有其他電客車處于牽引加速狀態，則反饋至牽引網上的電流會被鄰車吸收。再生能制動方式主要包括：逆變回饋、飛輪儲能、電容儲能、電阻吸收等。

(1)逆變回饋方式是將列車的動能轉換為電能，并通過逆變器、變壓器將直流電轉換為380V交流電[1]，以達到節能效果，但是，因為相位問題，在并網的時候，可能會產生諧波污染。

(2)飛輪儲能主要由慣性輪、高速軸承、進行機械能和電能互相轉換的電機和控制設備組成[2]。但該方式對機械軸承要求較高，短期內無法國產化，運營成本較高。

(3)電容儲能是將車輛制動時產生的能量吸收到大容量電容器組中。該方式造價昂貴，占地面積大，未能完全實現國產化，維護成本較高。

(4) 電阻吸收是采用多相 IGBT 斬波器和吸收電阻配合的恒壓的吸收方式，將制動能量消耗在吸收電阻上[3]。但該制式只能將電能轉換為熱能，未實現能量的再生利用，無法達到節能效果。

綜上，四種再生能方式各有優勢，如何取舍，還需要設計單位結合項目的具體情況來決定。

2 改進型再生能制動系統

2.1 系統設計

北京S1線中使用的是逆變回饋-電阻吸收混合型再生能制動系統。逆變回饋-電阻吸收裝置主要由三部分組成，（1）開關及濾波單元，（2）電阻吸收單元，（3）逆變吸收單元。該系統既能將一部分再生電能反饋至車站的動力系統，同時又保留了電阻吸收的能力，當逆變吸收不利時，可以啟動電阻吸收，穩定網壓。工作原理如圖1所示。

圖1 逆變回饋-電阻吸收方式原理圖

系統主電路結構圖如圖 2 所示，各柜體主要功能包括：

圖2 主電路結構圖

直流開關柜：執行再生制動吸收設備與電網接通或分離、電網濾波、系統故障保護執行等功能。

變流柜：將直流電能逆變成與電網電壓同幅值、同相位的交流電能。其核心元件為NPC 模塊。

斬波控制柜：吸收裝置自動投入、撤出和濾波等功能；執行吸收裝置的控制、保護與監控；執行與上級控制系統的通信；執行吸收裝置投入與退出判斷；承擔電阻吸收與逆變回饋時的控制。

變壓器柜：執行直流電網與 400V 交流電網的隔離。

制動電阻柜：主要由吸收電阻組成，實現制動能量的吸收和轉化功能。

2.2 建立數學模型

根據如上的系統設計，圍繞逆變回饋-電阻吸收再生能制動系統的工作方式，建立能量轉換方程，見公式（1）。

公式（1）中，Ek為列車制動時的動能；ET為鄰車吸收能量；WF為克服空氣阻力做功；Wf為克服收流靴與接觸軌的摩擦力做功；（WL+WR）為逆變回饋-電阻吸收裝置吸收的能量，其中，WL為逆變回饋至低壓電網的能量，WR為電阻吸收的能量；WK為列車機械制動做功。

北京S1線共計八站七區，劃分為石門營-栗元莊、栗元莊-橋戶營、橋戶營-金安橋、金安橋-蘋果園四個再生能吸收區段。平均每個再生能吸收區段的平均長度為2.4km。

與傳統的輪軌列車不同，磁懸浮列車在運行和制動過程中受到的基本阻力主要為受流靴與接觸軌之間的摩擦力和空氣阻力。根據唐山試驗線測試和日本CHSST磁懸浮列車運營經驗，受流靴與接觸軌之間的摩擦力為41.67N。空氣阻力方程為

公式（2）中，C為空氣阻力系數，參照日本CHSST參數，取0.443；ρ為空氣密度，干燥空氣取1.293 kg/m3；S為車體正面的投影面積；V為車體與空氣的相對速度。

公式（3）、（4）中，V0為列車制動時的初速度；L為列車制動距離；a為加速度；t為制動時間。

由公式（2）、（3）、（4）可知，列車制動時克服空氣阻力做功：

北京S1線運營中，當磁懸浮列車速度降至7 km/h時，啟用機械制動，機械制動方程為

公式（6）中，K為單片閘片的夾持力，北京S1線單片閘片加持力為5 kN；為摩擦系數，閘片與F軌的摩擦系數為0.25；D為機械制動距離。

由能量轉換定律、公式（5）和公式（6），可將公式（2）變化為：

北京S1線列車相關參數如表1所示。

表1 北京S1線磁懸浮列車相關參數表

由焦耳定律，我們可以得出電阻吸收裝置啟動電壓的計算公式：

公式（8）中，U為直流牽引網額定電壓，取DC1500V；電阻R為吸收區段內的電阻值；WL為車站負載做功，車站負載取420 kW。

由公式（8），可得電阻吸收裝置啟動電壓為DC1589.80V，北京S1線工程中，我們取DC1590V。

3 仿真分析

上節進行了系統設計及模型建立，本節進行仿真分析。我們選擇了接觸軌電壓升高情況和系統可靠性兩個參考指標，對比逆變回饋系統和逆變回饋-電阻吸收系統的優劣。

在進行接觸軌電壓升高情況分析時，我們選取了兩種工況，工況1：一個吸收區段內僅有一列車制動；工況2：在一分鐘內，一個吸收區段有兩列車進行制動時，120 s內接觸軌電壓的升高情況。

能量吸收率計算公式：

表2 北京S1線再生能制動系統直流牽引網電壓升高情況仿真參數表

圖4 工況2時接觸軌電壓升高情況對比圖

由圖3、4可知，在工況1的條件下，逆變回饋方式基本能吸收接觸軌中多余的能量，穩定接觸軌的電壓。但是在工況2，當磁懸浮列車速度超過50 km/h時，采用逆變回饋方式會出現接觸軌電壓升高等問題，而逆變回饋—電阻吸收再生能制動系統在這兩種工況下，均可以很好的穩定網壓。

圖3 工況1時接觸軌電壓升高情況對比圖

在考察系統可靠性時，我們假設在一個吸收區段內，180S共有三列電客車制動。參數見表3。

表3 北京S1線再生能制動系統可靠性仿真參數表

由圖5可知，隨著運行時間的增加，逆變回饋方式下接觸軌電壓不斷升高，并在36 min時超過1800 V，突破了牽引網安全運行的上限。而采用逆變回饋—電阻吸收方式下，整個直流牽引網電壓穩定在標準工況，能夠滿足遠期規劃的高峰發車間距（3 min）的要求。

圖5 可靠性仿真圖

4 結論

本文結合北京S1線提出了適用于中低速磁懸浮軌道交通系統再生能制動系統的改進方案。經系統仿真，得到如下結論：當行車密度較大時，新型再生能制動系統穩壓性能更佳，更有利于系統運行。