城軌列車再生制動(dòng)能量吸收裝置的選擇

王繼鋒

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州　215004)

城市軌道交通列車采用的VVVF(變壓變頻)電動(dòng)車組，其制動(dòng)一般為電制動(dòng)(再生制動(dòng)、電阻制動(dòng))和空氣制動(dòng)兩級(jí)制動(dòng)，運(yùn)行中以再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔， 且電制動(dòng)與空氣制動(dòng)自動(dòng)協(xié)調(diào)配合。城軌列車運(yùn)行具有站間運(yùn)行距離短、運(yùn)行速度較高、起動(dòng)及制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)。

據(jù)調(diào)研，列車制動(dòng)能量可達(dá)到牽引能量的20%～40%，不能吸收的能量占制動(dòng)能量的40%左右。現(xiàn)代變流技術(shù)的發(fā)展使得這部分能量的充分利用成為可能，國家節(jié)能降耗政策及技術(shù)升級(jí)的要求使各地鐵公司對(duì)車輛制動(dòng)能量反饋利用的需求更加迫切。

1　車載制動(dòng)電阻吸收裝置

城軌牽引所整流設(shè)備大都采用二極管不可控整流器， 只能單向供電。當(dāng)列車處于再生電制動(dòng)時(shí)，若直流供電系統(tǒng)具備吸收能力，即此時(shí)另有其他車輛正處于牽引狀況，列車能穩(wěn)定地再生制動(dòng)，制動(dòng)電能被其他牽引列車吸收，車載制動(dòng)電阻不投入工作，如圖1所示。若不能被吸收，再生能量將向直流電網(wǎng)充電， 二極管整流器被反向阻斷， 導(dǎo)致直流電網(wǎng)電壓升高，當(dāng)直流網(wǎng)壓超過一定限制值時(shí)， 為了保護(hù)設(shè)備而使列車再生制動(dòng)失效，轉(zhuǎn)換為車載電阻消耗或空氣制動(dòng)機(jī)械消耗。

圖1　列車再生制動(dòng)能量吸收示意

隨著車輛與直流供電技術(shù)的發(fā)展，為減少利用車載電阻制動(dòng)引起的地鐵隧道內(nèi)溫度升高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，利用車載電阻耗能的列車制動(dòng)能量吸收方式已逐漸演變?yōu)橥ㄟ^牽引變電所實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換或儲(chǔ)存。

在國外，日本和歐洲的地鐵已率先在車下變電所內(nèi)設(shè)電阻、逆變、儲(chǔ)能等吸收裝置，將車載電阻由分散的動(dòng)荷載改為集中的靜荷載。在國內(nèi)，一些線路使用了直線電機(jī)車輛和單軌車輛，這些車輛要求將車載電阻移至地面。實(shí)踐證明，車載電阻移至地面有利于節(jié)能。

2　車載電阻吸收與地面吸收方式的比較

車載制動(dòng)電阻投入模式是一種主動(dòng)判斷模式，一旦給出制動(dòng)指令，再生電壓達(dá)到其判斷電壓時(shí)，制動(dòng)電阻立即投入吸收。地面吸收裝置投入模式是一種被動(dòng)判斷方式，只能根據(jù)牽引網(wǎng)電壓的變化進(jìn)行判斷，一旦車輛再生電壓達(dá)到其判斷電壓時(shí)，地面吸收裝置立即投入吸收，確保牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，兩者優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1　車載電阻吸收與地面吸收的對(duì)比

3　地面再生能量吸收裝置類型比較

目前技術(shù)較為成熟的地面再生制動(dòng)能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、逆變回饋型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型等方式。

3.1　電阻消耗型

電阻耗能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻，采用恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上(如圖2所示)。

圖2　電阻耗能型原理

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品成熟，維護(hù)方便，設(shè)備價(jià)格低，且已國產(chǎn)化；缺點(diǎn)是再生制動(dòng)能量較大部分消耗在吸收電阻上，并未真正完全節(jié)能。國內(nèi)線路采用該方案主要是由于采購車輛制式制約，車載電阻布置空間緊張，而將其移到車站變電所。如重慶2、3號(hào)線，廣州4、5、6號(hào)線，北京機(jī)場線等。

3.2　逆變回饋型

該裝置采用電力電子器件構(gòu)成大功率三相逆變器，當(dāng)再生制動(dòng)使直流電壓超過規(guī)定值時(shí)，逆變器啟動(dòng)并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電，回饋至交流電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)再生能量利用。目前有向0.4 kV低壓系統(tǒng)、向35 kV(10 kV)中壓系統(tǒng)和向整流變壓器低壓側(cè)逆變的三類。逆變至0.4 kV低壓系統(tǒng)：因受低壓系統(tǒng)的吸收能力和動(dòng)力變壓器的容量限制，需配置較大功率的電阻結(jié)合使用(逆變+電阻混合型)；逆變至中壓系統(tǒng)的或整流變壓器低壓側(cè)的(以下簡稱中壓逆變回饋型)：可以選擇較大功率的逆變器，為吸收制動(dòng)時(shí)的尖峰負(fù)荷，通常也配置一定功率的電阻(如圖3所示)。

圖3　中壓逆變回饋型原理

該裝置的優(yōu)點(diǎn)為：體積小、占地面積小，電能反送到電網(wǎng)，再利用效率高；對(duì)環(huán)境溫度影響??；國內(nèi)已有生產(chǎn)，價(jià)格相對(duì)較低，性價(jià)比高。缺點(diǎn)為：產(chǎn)生一定的諧波；目前中壓逆變回饋型仍處示范性應(yīng)用階段；有一定功率向電力系統(tǒng)返送。逆變+電阻混合型已在重慶1、3號(hào)線、北京地鐵10、14號(hào)線成功應(yīng)用。中壓逆變回饋型已在鄭州1號(hào)線和北京10號(hào)線、14號(hào)線進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)和示范性應(yīng)用。

3.3　電容儲(chǔ)能型

該裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量特種雙層電容器組中。當(dāng)有列車起動(dòng)、加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用，工作原理如圖4所示。

圖4　電容儲(chǔ)能型原理

該裝置具有儲(chǔ)能(儲(chǔ)存車輛再生能量)和穩(wěn)壓(穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓)兩種工作模式。該裝置的優(yōu)點(diǎn)為：能量直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對(duì)交流系統(tǒng)無影響；充電速度快，維護(hù)成本低，使用壽命長。缺點(diǎn)為：一次性投資高，大容量占地面積較大，尚未國產(chǎn)化，國內(nèi)尚未投入運(yùn)營。德國西門子公司SITRAS SES、日本明電舍的CAPAPOST、韓國宇進(jìn)公司的ESS電容儲(chǔ)能吸收裝置在本國軌道交通線路均有應(yīng)用。其中北京5號(hào)線引進(jìn)西門子的SES裝置，尚未投入運(yùn)營，日本明電舍的CAPAPOST將在香港地鐵南港島線兩座牽引所投入應(yīng)用。

3.4　飛輪儲(chǔ)能型

該裝置通過對(duì)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(dòng)且再生能量不能完全被本車輔助設(shè)備和相鄰車輛吸收，當(dāng)判斷變電所附近列車有再生能量需要吸收時(shí)，飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)存能量；當(dāng)判斷變電所附近有列車啟動(dòng)牽引用電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，作為發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)反饋電能。該類吸收裝置與電容儲(chǔ)能型類似，具有儲(chǔ)能和穩(wěn)壓功能。

英國UPT公司在2001年開發(fā)了該裝置，在英國、香港電力系統(tǒng)、紐約部分地鐵、香港巴士公司有應(yīng)用。該裝置優(yōu)點(diǎn)同電容儲(chǔ)能裝置，缺點(diǎn)為產(chǎn)品價(jià)格高，核心技術(shù)國內(nèi)目前無法掌握，使用壽命和運(yùn)營維護(hù)情況尚不清楚。

4　結(jié)論

電阻耗能型技術(shù)成熟，在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用，但并沒實(shí)現(xiàn)完全節(jié)能，新線建設(shè)不推薦采用。

電容儲(chǔ)能型因超級(jí)電容等核心部件需進(jìn)口，價(jià)格過高，其核心技術(shù)目前國內(nèi)尚未掌握，設(shè)備運(yùn)營中的檢修維護(hù)較為困難，目前仍暫不適于再生能量吸收技術(shù)選用。但是，在既有線路需提高穩(wěn)定網(wǎng)壓的擴(kuò)容改造工程中考慮選用。

飛輪儲(chǔ)能型因核心技術(shù)封鎖及價(jià)格因素所限，目前也無條件在城軌工程中應(yīng)用。

逆變回饋型在國內(nèi)正處于發(fā)展高峰，逆變+電阻型再生能量吸收設(shè)備已有成功運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，中壓逆變回饋型已有示范性應(yīng)用，節(jié)能效果明顯。

逆變回饋型和電容儲(chǔ)能型代表了地面再生電能利用技術(shù)的最新發(fā)展方向，今后需重點(diǎn)關(guān)注其技術(shù)發(fā)展和運(yùn)營效果。

[1]黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

[2]湖南恒信電氣有限公司.城市軌道交通HXXS系列再生制動(dòng)能量吸收裝置產(chǎn)品資料匯編[R].湘潭：湖南恒信電氣有限公司，2012