再生制動能量吸收裝置設置方案研究

陳建君，周才發(fā)

0 前言

傳統(tǒng)的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收裝置分散安裝在各動車上，采用電阻吸收裝置，即車載制動電阻。根據(jù)經驗，城市軌道交通列車再生制動產生的能量一般為其牽引能量的20%～40%，該再生制動能量除了按一定比例（一般為 20%～80%，根據(jù)列車運行密度和區(qū)間距離的不同而異）被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分主要被車載制動電阻吸收，這將導致區(qū)間隧道和車站站臺內的溫度升高，增加環(huán)控系統(tǒng)負擔，造成大量的能源浪費并使工程的建設費用和運行費用增加。同時，由于車載制動電阻的數(shù)量較多，也增加了列車自重和投資。

另外，由于列車技術要求越來越高，導致車上電氣布局緊張，因而車載電阻的熱量散發(fā)容易對列車的安全運營造成一定影響；車載電阻方式對閘瓦的消耗也高于再生制動能量吸收裝置設置在車體外的方式，這使得洞內或沿線閘瓦灰塵較多，污染環(huán)境。

為減少車載設備、降低隧道內溫升、節(jié)約能源消耗、節(jié)省長期運行費用，將再生制動能量吸收裝置設置在車體外顯得尤為重要。

目前，再生制動能量吸收裝置設置在車體外的多種方案開始在國內外城市軌道交通工程中使用，國內如重慶輕軌、天津地鐵1號線、廣州地鐵4號線等，國外如日本多摩、東京、大阪輕軌和地鐵線路，加拿大多倫多輕軌，意大利米蘭地鐵3號線等。

1 再生制動能量吸收裝置方案介紹

目前，設置在車體外的再生制動能量吸收裝置主要有5種形式：電阻吸收型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變吸收型和逆變-電阻組合吸收型。

（1）電阻吸收型。電阻吸收型主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調節(jié)斬波器的導通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設定值的范圍內，并將制動能量消耗在吸收電阻上。該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、電動隔離開關、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機控制單元等。電網電壓變化由電壓傳感器 SV1檢測，牽引、制動工況的信號由母線電流信號SA10、SA11及電壓信號SV2及SV1傳感器檢測，送給微機控制系統(tǒng)HXMXZ，由微機控制系統(tǒng)HXMXZ綜合判斷得出牽引或制動狀況。其原理如圖1所示。

制動能量消耗在吸收電阻上產生的熱能可以采用風冷，將熱量排出洞外，也可以采用水冷，用循環(huán)水進行冷卻，熱水可以作為其他用途，但要解決好絕緣問題。

圖1 電阻吸收型裝置原理示意圖

目前，國內湘潭市恒信電氣有限公司已研制出電阻耗能型再生制動能量吸收裝置，并已在重慶輕軌較新線、天津地鐵1號線、北京首都機場線、廣州地鐵四號線工程中實施，目前運行效果良好。

（2）電容儲能型。電容儲能型主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中，當供電區(qū)間內有列車起動、加速需要取流時，該裝置將所儲存的電能釋放出去進行再利用。該裝置具有儲能（儲存車輛再生電能）和穩(wěn)壓（穩(wěn)定牽引網電壓）2種工作模式，并可以自動切換。

該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲能電容器組、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關、傳感器和微機控制單元等，其原理如圖2所示。

圖2 電容儲能型裝置原理示意圖

吸收裝置的啟動過程：啟動時，先由電站室遠程控制使控制電源合上，“綜合自動化系統(tǒng)”發(fā)出“啟動”命令給快開“S1”的合閘回路，然后合上快速斷路器（S1），此時完成吸收裝置投入工作前的準備。一旦列車處于再生制動狀態(tài)并使電網電壓抬高時，吸收電容開始吸收該部分能量，電容器所蓄電能為A=(1/2)×CUC2，電容吸收的電流與電容量、電壓增量有關，I=C×du/dt。當車輛再生制動完成后，吸收電容上的電能必須通過直流電網或其他耗電設備將其能量釋放掉，否則下一周期吸收電容無法吸收再生能量。

歐洲的法蘭克福和馬德里的軌道交通以及北京地鐵5號線都配置了該類裝置。

（3）飛輪儲能型。飛輪儲能型是利用飛輪的慣量將能量儲存起來。它通過對變電所直流空載電壓、母線電壓的跟蹤判斷，確定是否有列車在再生制動且再生制動電能不能完全被本車輔助設備和相鄰車輛吸收。當判斷變電所附近列車有再生制動電能需要吸收時，飛輪加速轉動，將電能轉換成動能儲存；當判斷變電所附近有列車啟動牽引用電時，飛輪轉速降低，飛輪吸收系統(tǒng)將飛輪電機轉換成發(fā)電機運行，把儲存的慣性動能轉成電能反饋至電網。該方式由于一個飛輪在一個制動時間內只能吸收200 kW的電能，如果要吸收近2 000 kW的電能，則所需飛輪將為10組，造成投資較大，該裝置除具有電能吸收功能外還具有穩(wěn)壓功能，通過設置運行狀態(tài)，可在牽引網電壓較高時吸收電能、在電壓較低時釋放電能，穩(wěn)定電壓。

該裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲能飛輪電機、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關、傳感器和微機控制單元等。該裝置直接接在變電所正負母線或牽引網和回流軌間，其核心技術是利用核物理工業(yè)的物質分離衍生技術制造飛輪，該裝置設置在真空殼體內，飛輪經過特殊材料和加工工藝制成的軸支撐在底部結構上，其原理如圖3所示。

圖3 飛輪儲能型裝置原理示意圖

目前，只有英國UPI公司有成熟的飛輪儲能型裝置產品，并在英國、香港電力系統(tǒng)、紐約部分地鐵、香港巴士公司有應用。德國西門子公司曾研制過該類裝置，但因飛輪關鍵技術不過關，壽命評估很低，目前已停止生產。國內某大學實驗室也曾研制出類似的小功率產品，但飛輪的壽命和轉速、功率均無法滿足工程應用需要。

（4）逆變吸收型。逆變吸收裝置則是利用電力電子器件構成逆變器，將直流電逆變成工頻交流電饋送交流電網。由于該交流電諧波分量較大，所以必須設置諧波抑制器和功率補償器，為了平衡再生制動時反饋到交流網的浪涌電流，交流電站需要設置電網分配自動平衡裝置。為了減小高次諧波對供電電網的污染，由車輛再生制動時的直流電逆變成工頻交流電不是直接饋送至10（35）kV供電電網，而是逆變成380 V交流電與車站內380 V電網并網，消耗在站內電梯、通風、照明等用電設施上。當車輛再生制動經判斷由吸收設備吸收其能量時，通過電子并網裝置與站內380 V電網并網；當車輛再生制動完畢，通過電子并網裝置與站內380 V電網自動切除。為了確保吸收效果，再生制動逆變吸收裝置不是設置在牽引變電所，而是在每個車站設置一套，車輛再生制動時的能量由最近的一套吸收裝置吸收。逆變吸收裝置原理如圖4。

圖4 逆變吸收型裝置原理示意圖

該產品在日本軌道交通中應用較多，日本日立和德國西門子公司均有生產該產品的業(yè)績。目前，國內廠家正在開發(fā)研制，但還沒有成熟產品，國內城市軌道交通尚無應用業(yè)績。

（5）逆變-電阻組合吸收型。逆變-電阻組合型裝置由IGBT斬波器、吸收電阻、續(xù)流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、電動隔離開關、避雷器、電磁接觸器、傳感器、晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流電壓變換器和微機控制單元等構成，其直流側與接觸網相連，交流側與車站低壓配電系統(tǒng)（0.4 kV）相連。

電路由3部分組成，開關及濾波環(huán)節(jié)、電阻吸收單元、逆變吸收單元；用電設備為各車站380 V系統(tǒng)用電裝置。

微機控制系統(tǒng)根據(jù)電網電壓的大小來判斷吸收裝置是否工作。微機控制系統(tǒng)首先合上 KM2、KM4充電接觸器，給濾波電容充電，然后合上線路接觸器（KM1、KM3），完成吸收裝置投入工作前的準備。此后微機控制系統(tǒng)將自動測定線網空載電壓值和吸收電壓值，或接收人工功率限制檔位信號，根據(jù)各個傳感器檢測信號綜合判斷線網上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)。一旦確認列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，系統(tǒng)設置了二級判斷基準值，當電網電壓升到第一級判斷電壓時，系統(tǒng)首先投入逆變吸收，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至車站低壓配電系統(tǒng)（0.4 kV），再生能量消耗在用電設備上，實現(xiàn)節(jié)能運行。一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網電壓進一步的上升，當電網電壓升到第二級判斷電壓時，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動能量消耗，穩(wěn)定電網電壓不再上升，確保列車充分有效利用電制動。該裝置原理如圖5。

圖5 逆變-電阻組合吸收型裝置原理示意圖

目前國內有些公司已研制出逆變-電阻組合吸收型裝置，并分別通過了鐵道科學研究院主持的產品型式試驗和掛網與車輛的配合試驗。目前已有2套裝置分別安裝在北京地鐵車輛廠和天津地鐵 1號線進行運營考核。

2 技術經濟綜合比較分析

（1）電阻吸收型裝置。該裝置是目前國內外普遍采用的吸收裝置，已經成功地應用在運營線上，其價格在幾種方案中最低（價格為 150萬元/套左右）。其功率組合方便、控制簡單、工作可靠、維護維修方便、使用壽命較長、應用成熟；采用斬波調阻控制系統(tǒng)實現(xiàn)對接觸網電壓的恒壓調節(jié)，可以有效控制列車再生制動時可能引起的過電壓，特別適用于間隙工作的情形。但再生制動能量在吸收電阻上集中發(fā)熱，需要相應的通風動力裝置將熱能排出，再生電能沒有有效利用。從長遠的角度看，不能代表再生制動電能吸收方案的技術發(fā)展方向。

（2）電容儲能型裝置。該裝置對列車再生制動能量利用率較高，節(jié)能效果好，再生制動電能直接在直流牽引系統(tǒng)內轉換，對交流系統(tǒng)不會造成影響；該裝置為靜態(tài)電容儲能裝置，維護和元器件更換較為方便。但由于短時吸收功率大，導致組合電容多、占地面積大。電容頻繁處于充、放電狀況，電容的使用壽命短（一般在5年左右），維護工作量較大，運營成本較高。該產品需要完全進口，設備價格較高（約650萬元/套）。該產品只適用于額定電壓不大于DC 825 V的牽引系統(tǒng)，目前的產品容量較小，對于運量較大的軌道交通線路，不能滿足完全吸收列車再生制動電能的需要。

（3）飛輪儲能型裝置。該裝置同樣具有再生制動能量利用率較高，節(jié)能效果好，再生電能直接在直流系統(tǒng)內轉換，對交流系統(tǒng)不會產生影響的特點。但飛輪裝置占地面積大；維護工作復雜、運營成本高；設備價格高（約600萬元/套）；該設備需要完全進口，但因為某些原因，目前英國UPI公司已停止向中國大陸推廣該產品。

（4）逆變吸收型裝置。該裝置有利于能源的綜合利用，實現(xiàn)了節(jié)能。但是目前，該裝置國內還處于研制階段，設備需要完全進口，價格高（約1 100萬元/套）；為了抑制諧波率，防止高次諧波對通信、監(jiān)控等弱電設施的干擾，吸收設備必須配備濾波和諧波抑制裝置；為了平衡再生制動時反饋到交流網的浪涌電流，交流電站需要設置電網分配自動平衡裝置；為了確保吸收效果，再生制動逆變吸收裝置不是設置在牽引變電所，而是在每個車站設置一套，設備投資大。

（5）逆變-電阻組合吸收型裝置。該裝置控制簡單，安全可靠，系統(tǒng)首先滿足逆變吸收，在逆變吸收不能完全吸收列車的再生能量時，再投入電阻進行吸收，對再生制動能量進行了較好的利用；該設備的國產技術處于國際先進水平，對后期的運營維護方便，設備價格低（約250萬元/套）。

綜合比較，在現(xiàn)階段，逆變-電阻組合吸收型裝置從技術的成熟性、經濟性、工程可實施性等方面都具有明顯優(yōu)勢。加之國內能夠生產，給今后的維護維修帶來很大的便利，提高了國產化率，同時也帶動了國內企業(yè)相關技術的發(fā)展。所以，現(xiàn)階段逆變-電阻組合吸收型裝置在城市軌道交通工程中值得推薦。

3 結束語

值得注意的是，逆變回饋型裝置不需要儲能元件，也不需要吸收電阻，直接將列車再生制動直流電能轉換為交流電能，由在線設備實施消耗，節(jié)能效果顯著，實現(xiàn)了列車再生制動能量的綜合利用，符合世界節(jié)能技術發(fā)展趨勢。雖然目前國外類似產品價格昂貴，但是筆者相信，隨著國內電力電子技術的不斷發(fā)展，通過科研院校、設計和制造廠商的共同努力，一定會在不遠的將來研制成功并運用于工程實踐。

[1]湖南恒信電氣有限責任公司.HXXS-NB/380V型電阻-逆變混合再生制動吸收裝置[R].湘潭，2008.

[2]中鐵二院工程集團有限責任公司.南昌地鐵1號線供電系統(tǒng)投標文件[G].成都，2009.

[3]中鐵二院工程集團有限責任公司.青島地鐵2號線一期工程供電系統(tǒng)投標文件[G].成都，2011.