高速動車組再生制動的研究與分析

孫活，李杰

（四川鐵道職業學院西南鐵道文化研究中心，四川成都 610074）

一、制動發展背景

在電氣時代中，“電”能將電能轉換為機械能并充分利用各種電能來控制機械動作以代替人力。這種新方式在流水線工程的改進和代步工具的升級中表現尤為明顯。尤其引人注目的是，人們在傳統空氣制動機的基礎上進行了改進，并引入了智能化電氣控制的核心技術。這項技術利用單片機控制電磁閥的運作，通過改變能量的吸收和釋放達到PWM脈沖變化，以此來控制各閥門實現車輛上空氣制動機的制動和緩解動作。無論是蒸汽時代的蒸汽制動方式還是電氣時代的電制動方式，其最終目的都是通過踏面或制動盤與閘瓦之間的直接摩擦來實現制動。然而，在列車高速運行時，這兩種制動方式會產生高熱量和低制動效率，對大型動力器械的運作不利，且在日常工作中，無論是機車制動盤還是踏面磨損都會造成嚴重影響。電氣制動的發展改進了這些低效能問題，其中電阻制動方式是電氣制動的標志性改革。

以重載貨運列車的經典線路大秦線為例，鐵路機車在滿載貨物且需滿足下坡要求的線路上運行時，制動力性能的作用尤為重要。滿載煤炭的重聯機車在長大下坡行進時，依靠閘瓦壓在車輪上產生足夠的摩擦力制動。在長時間施加制動力直至機車完全停下來的過程中，車輪對閘瓦的擠壓與鋼軌產生的高溫和嚴重磨損會降低運輸效率。同時，電機在高速運轉時會產生大量再生電能。如果這部分電能不及時消耗，變頻器就會受損，對電機構成潛在隱患。電阻制動基本解決了這一問題。現今，機車制動系統正逐步優化，機車制動從能量合理利用和環保角度考慮，逐步采用再生制動方案。過去無論是電阻制動還是機械制動，都會將機械能轉化為熱能，這部分能量完全流失于大氣中而無法得到有效利用，從而造成浪費。因此，如果能在電阻制動的基礎上回收利用制動產生的電能，不僅減少閘瓦磨損，保證安全運輸，而且能大幅節約能源。

二、研究目的與意義

近年來，我國電氣化鐵路運營里程迅速增長，由此引發的能耗問題日益嚴峻。根據我國鐵路局的最新數據統計，2021年全國18個鐵路局的總用電量高達755.84億千瓦小時，相較于2020年的711億千瓦小時，增長了6.3%。隨著我國電氣化鐵路網絡化的高質量建設，“一所多饋線多供電區間”的樞紐型牽引變電所（簡稱樞紐所），其具有交通密度大、線路多、能耗高的問題。這些問題成為電氣化鐵路高速發展過程中亟需解決的主要問題。新型動車組/動車組在制動過程中，優先使用再生制動方式，產生大量的再生制動能量[1]。通常情況下，當再生制動產生的電能被同臂機車或動車組完全耗盡后，仍有約50%的再生制動電能通過牽引變壓器傳遞至外部電網供電。

動車組的再生制動技術不僅打破了傳統的空氣制動方式，而且實現了制動能量的循環利用。在啟動時，動車組能將動能轉化為電能輸送至電網，減少部件磨損。這種技術的最大優勢在于能源節約，符合當前對能源新型利用的趨勢。

三、國內外動車組發展綜述

隨著20世紀70年代世界面臨的石油危機及其帶來的環境污染，全球氣候變暖現象已嚴重破壞了人類賴以生存的家園，并在一定程度上影響了人類的發展。在這樣的背景下，傳統的機車制動主要依賴電制動，其電能轉換過程也是能源消耗的過程。因此，為了實現資源節約和盡可能減少環境污染，再生制動技術逐漸進入人們的視野。自從日本東海道新干線最早開始高速運營以來，我國的干線鐵路和世界上大多數國家一樣，采用單相25kV、50Hz的工頻單相交流電。這種單相交流供電方式能有效解決偏遠地區供電難題，既減少了工程投資，又提高了電能質量。然而，這種方式也會引起電力系統三相不平衡，并產生負序電流。因此，在高壓網絡需要大電量、負載多的情況下，為了減少三相不平衡的影響，我們采取了三相交流電接入電力系統的措施。這一問題通過電分相技術得到了有效解決，且隨著技術的不斷革新，鐵路運輸速度也在不斷提升。在這樣的歷史背景下，鐵路運輸得到了飛速發展。因此，再生制動作為一種綠色環保的節能方式，響應了節約能源的號召，在機車制動的變革過程中起著舉足輕重的作用。

四、再生制動原理

再生制動是從能耗制動演變而來的一種制動方式。再生制動原理示意圖如圖1所示。它解決了能耗制動中的一個問題，即隨著動能轉化和轉速下降，制動轉矩也會減小，從而導致能源消耗。再生制動能量傳動框圖如圖2所示。再生制動在制動時，將牽引電機產生的動能轉換為電能，再通過變流器轉變為直流電，輸送到牽引電網。這樣，不僅本列車的輔助系統可以使用這些電能，而且其他列車也能利用。因此，再生制動過程與反饋制動有相似之處，也可被視為反饋制動的一種形式。在再生制動時，與牽引運行的過程正好相反。首先，電機從電動機轉變為發電機，整流器和逆變器也相應地逆向工作。整流器利用二極管的單向導電特性，將電機產生的三相交流電轉換為直流電[2]。其次，低壓的逆變器中的晶閘管通過改變頻率，將直流電轉變為與電網頻率相同的單相交流電。最后，主變壓器將逆變器轉換后的交流電升壓，使其能夠適配電子設備，并反饋回電網。這樣的設計不僅大幅提高了機車運行效率，而且實現了能源的節約。

圖1 再生制動原理示意圖

圖2 再生制動能量傳動框圖

（一）PWM 整流器

在機車上，我們采用的是以正弦信號為調制波的正弦脈寬調制（簡稱SPWM）。這種整流器的主要作用是平衡電壓、支撐無功功率，并儲存能量。PWM整流器控制電路圖如圖3所示。

圖3 PWM 整流器控制電路圖

（二）中間直流環節

中間直流環節在交流傳動系統中扮演著關鍵角色，其電氣原理圖如圖4所示，特別是在電壓高、功率大的應用場景中。它是決定整個系統工作效率及壽命的重要組件之一。

中間直流環節主要由母線支撐電容、二次諧振濾波電路、過壓保護電路等部分構成，其功能包括將直流電壓穩定在規定的范圍內、向牽引電機提供無功功率，以及降低諧波含量。

圖4 中間直流環節電氣原理圖

（三）逆變器

逆變器是變壓變頻裝置中直接與交流電機相連的環節，其電路圖如圖5所示。它的作用是改變直流電壓的頻率和電壓，通過調制轉換成可供牽引電動機使用的三相交流電。

逆變器還可以在一定程度上控制速度。如果將反饋給受電弓的電能直接在同一供電臂下由牽引電機使用，則無需增加任何額外設備。這樣不僅節約了成本，而且能高效地提供電能。

圖5 逆變器電路原理圖

五、制動方式

（一）繞組串聯制動

在串聯制動系統中，其顯著特點是當再生制動力達到最大值時，牽引電動機轉變為發電機。其控制原理圖如圖6所示。這一轉變發生時，直流電源會連接到定子的兩相繞組上，使電動機的轉子切割直流磁通，進而產生感應電流。制動力矩限制了轉子的轉動，導致電機轉速急劇下降。隨后，由發電機產生的電流被儲存在儲能裝置中，并最終回饋至電網和變電所。然而，在此情況下，如果再生的制動力不足以使機車完全停止，機械摩擦制動將介入以滿足制動需求。這種方式不僅充分利用了電動機的制動力矩，而且提高了制動能量的回收效率。這是串聯制動系統的重要特點。

圖6 繞組串聯制動控制原理圖

（二）繞組并聯制動

在繞組并聯制動系統中，直流電動機的勵磁繞組與轉子繞組之間存在并聯關系。在這種系統中，啟動時產生的轉矩與電樞電流正相關，因此，勵磁電流相對穩定，僅在一定范圍內波動。在這種情況下，啟動電流大致可估算為額定電流的2.5倍。隨著轉矩和電流的增加，轉速會略有下降。當負載增加時，可能會造成過載，但短時間內的過載是被允許的，此時的過載轉矩可達到額定轉矩的1.5倍。因此，在繞組并聯制動系統中，轉速在額定功率的5%～15%范圍內波動，其影響不甚明顯。通過削弱磁場的恒定功率調節也是一種可行的方法。然而，并聯制動系統無法充分利用電動機的制動轉矩，因此回收的制動能量相對較低[3]。其電路圖如圖7所示。

圖7 繞組并聯制動控制原理圖

六、再生制動工作特點分析

當動車組進行再生制動時，與能耗制動方式相似，將牽引電動機變為發電機，并將直流電源接入定子的兩相繞組。此過程中，電動機的轉子切割直流磁通，生成感應電流，產生限制轉子轉動的制動力矩，從而導致電動機轉速急劇下降。而發電機產生的電流隨后被導向儲能裝置進行儲存，最終反饋到電網，回到變電所。

再生制動具有如下優勢：“綠色環保、節能”“節約能源”“對零部件的損耗較小”“節約維護的時間和費用”等。

（一）再生制動電能回收的影響因素

1.驅動形式

動車組的驅動方式有兩種：熱力和電力。熱力驅動既可以通過齒輪傳動或液體壓力產生足夠的機械力滿足驅動需求，也可以將其輸出至發電機進行電力驅動。電力驅動相對簡單，直接通過集電設備和變電設備轉為驅動轉向架上的電機。

無論哪種驅動形式，都會造成大量能量損耗。在能源匱乏的環境下，我們首先考慮的是節約資源。因此，能量回收是必要的。不同的驅動形式產生不同的速度，反饋回電網的能量也因此不同，從而提高電能的回收效率，并儲存在存儲設備中，供其他列車和再生制動時使用。

2.電機性能

電機性能對再生制動能量回收的影響較小。電機的額定轉速較低，當制動接近結束時，電機轉速降低[4]，線圈中的感應電流和感應電動勢幾乎為零，此時無能量回收。

3.儲能方式

（1）蓄電池儲能

由于蓄電池的特性，其充放電電流較小，在瞬間不能進行大功率充放電。因此，容量較大的動力電池在不斷充放電狀態下，其使用壽命會受到嚴重影響，儲能容量也相對較低。

（2）超級電容儲能

當具備制動能力的列車通過變電站或能量儲存體系附近時，如果釋放能量，牽引網電流將上升。此時，能量儲存體系中的電流調節器能夠監測到這一現象，并將牽引網或供電系統中暫時過剩的能量存儲到電容器內。當需要制動時，可直接使用電容器內儲存的電能進行制動。

4.開關頻率

交直交型動車組在牽引狀態或再生制動狀態時，與四象限變流器的控制過程相似，都會產生諧波。為減少對電能的削弱，開關頻率從GTO的200Hz～500Hz提高到IGBT的1KHz～2KHz，提高了5～10倍。

（二）再生制動諧波分析

1.網側諧波危害

圖8 牽引工況時電流諧波

電阻燒損的主要原因是高次諧波中網側電路（變壓器繞組）呈感性，幾乎全部通過阻容支路就會導致列車在此情況下阻容支路電流明顯增大。再生制動工況下，諧波幅值較牽引工況時明顯增大，總諧波誤差率也更高[5]。牽引工況時電流諧波如圖8所示，制動工況電流諧波如圖9所示。

圖9 制動工況電流諧波

電流諧波頻譜分布中，其諧波含有率幅值隨再生制動功率增大而減小，諧波次數則與功率無關，各次諧波幅值與相應的載波倍數的貝塞爾函數有關（注：P為再生制動功率）。

諧波次數、諧波含有率、制動功率、總諧波畸變率等參數均作為非常重要的相互影響因素[5]。高速動車組在再生制動過程中，通過選擇合理的操作方式[6]，可以有效地減少諧波問題。不同再生制動功率時諧波變化情況比較如表1所示。

表1 不同再生制動功率時諧波變化情況比較

2.網側諧波解決方案

在電氣化鐵路的諧波控制中，解決方案可分為兩種。第一種是從源頭上降低諧波，通過在機車上安裝濾波裝置實現。第二種是在牽引網上加裝濾波補償裝置。

傳統的無源濾波設備投資少，結構簡單，維修方便，但其濾波特性受系統參數影響較大，通常可能導致與系統共振或諧波放大。有源濾波技術也有其局限性，其補償容量受到電力電子器件的電壓、容量、開關頻率及動態補償性能的限制，并且初期投資和運行成本較高，電磁干擾也較大。在線路上，可以采用無源與有源濾波相結合的方法，互相取長補短，以發揮各自的優勢。

七、再生制動應用與實現

（一）再生制動在交流機車上的實現

交流異步電機實現電能和機械能的相互轉換。PWM變流器采用IGBT或GTO來控制能量的雙向流動，并保證網側輸入和輸出電能的功率因數幾乎能達到1[7]，從而實現降低能耗和改善電網電壓質量。交流機車再生制動工作原理示意圖如圖10所示，PWM變流器具備整流和逆變功能，能根據機車的兩種工況發揮整流器與逆變器的功能。

圖10 交流機車再生制動工作原理

1.機車處于牽引工況時

變壓器將從受電弓傳輸的單相交流高電壓轉換為較低的電壓等級，然后輸入到變流器[7]，經整流器整流形成穩定的直流電壓，再通過逆變器變壓變頻，將其轉換為機車可使用的電壓頻率。最后，牽引電動機將電能轉化為機械能，以驅動列車行駛。牽引工況能量流向示意圖如圖11所示。

圖11 牽引工況能量流向

2.機車在制動工況時

牽引電機輸出的轉矩與電機的實際轉速方向相反，轉變為發電機，將機車制動產生的動能轉化為電能[7]，通過整流器整流成平穩的直流電壓，再通過逆變器逆變，最終通過機車變壓器返送回受電弓供其他機車使用。制動工況能量流向示意圖如圖12所示。

圖12 制動工況能量流向

（二）再生制動在直流傳動機車上的實現

直流傳動機車采用交一直型調速系統，一般采用晶閘管整流電路為電源[7]，通過晶閘管的導通角控制機車出力。韶山5型、韶山7型在再生制動時采用全控橋式變為逆變裝置。而韶山4型、韶山6型、韶山8型、韶山9型，不含全控橋，因此，無法實現再生制動。

八、結束語

在實施“雙碳”戰略的過程中，加快降低碳排放的步伐對于引導綠色技術創新和提升產業及經濟的全球競爭力至關重要[8]。中國正持續推動產業結構和能源結構的調整，并積極發展可再生能源，能源再利用成為一個重點關注的領域。高速動車組高速運行時，不僅需要保證乘客的安全與舒適，而且需具備高效的制動性能。此外，動車組利用牽引電機產生的再生制動能量供其他列車使用，不僅提升了能效，而且體現了“綠色出行、低碳生活”的環保理念。