城市軌道交通制動(dòng)能量的回收方案

李國(guó)玉

李國(guó)玉，工程師，青島地鐵集團(tuán)有限公司，從事供電專業(yè)技術(shù)管理和工程建設(shè)工作。

介紹了目前城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量回收利用的幾種方法，即電阻耗能型、飛輪儲(chǔ)能型、電容儲(chǔ)能型和逆變回饋型四種方法，并分析比較了四種系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。重點(diǎn)分析了逆變回饋型再生制動(dòng)能量回收利用方案。采用逆變回饋型制動(dòng)能量回收裝置，不僅可以回收再利用制動(dòng)能量而且可以穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，是未來工程應(yīng)用的主要方向。

在21 世紀(jì)，城市軌道交通將是綠色的節(jié)能環(huán)保型交通方式。在軌道交通系統(tǒng)中，車輛的能耗占整個(gè)系統(tǒng)能耗的50%甚至更多，所以，減少車輛的能耗將符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展節(jié)約型社會(huì)，對(duì)軌道交通的可持續(xù)發(fā)展也產(chǎn)生重要影響。

目前，在國(guó)內(nèi)給機(jī)車供電的直流接觸網(wǎng)大多是采用二極管整流得來的，有12 脈波和24 脈波。當(dāng)機(jī)車制動(dòng)時(shí)，將再生制動(dòng)的能量回饋到直流牽引網(wǎng)，使直流電網(wǎng)的電位升高；當(dāng)直流電壓大于牽引網(wǎng)的電壓時(shí)，多余的這些再生制動(dòng)能量除了被其他相鄰的機(jī)車吸收使用外，剩余能量主要被車載制動(dòng)電阻消耗掉，以發(fā)熱的方式釋放出去。因此，再生制動(dòng)能量不能得到有效的利用。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，軌道交通機(jī)車制動(dòng)能量的回收方案也有很多種，機(jī)車的制動(dòng)能量可以轉(zhuǎn)換為電能回收再次利用，如果可以從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面著手，使機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)的二次電能得到充分利用，則軌道交通系統(tǒng)可以節(jié)約非常可觀的能源，對(duì)城市軌道交通的節(jié)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

機(jī)車制動(dòng)能量回收利用方法與原理

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)車制動(dòng)能量的回收方案均有一定的研究，主要的方法有：電阻消耗型、飛輪儲(chǔ)能型、電容儲(chǔ)能型、逆變回饋型。

電阻消耗型

電阻消耗型再生制動(dòng)能量回收裝置主要元件是IGBT斬波器和吸收電阻，通過它們之間的配合實(shí)現(xiàn)恒壓吸收，如圖1 所示，通過監(jiān)測(cè)直流接觸網(wǎng)上電壓的變化來實(shí)時(shí)控制IGBT 斬波器的導(dǎo)通比，從而改變電阻的消耗功率，將直流接觸網(wǎng)的電壓維持在某一設(shè)定的范圍內(nèi)，并將機(jī)車制動(dòng)的能量消耗在吸收電阻上。

飛輪儲(chǔ)能型

飛輪儲(chǔ)能型吸收裝置的主要功能元件是IGBT 斬波器、儲(chǔ)能飛輪電機(jī)、電動(dòng)隔離開關(guān)、直流快速斷路器、控制模塊和傳感器等。飛輪儲(chǔ)能型制動(dòng)能量吸收裝置主要是利用飛輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的慣性，通過電動(dòng)機(jī)將機(jī)車制動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為飛輪機(jī)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來。裝置通過檢測(cè)變電所的直流空載電壓和接觸網(wǎng)母線電壓，來判斷機(jī)車再生制動(dòng)的能量是否被本車的動(dòng)力設(shè)備或相鄰車輛吸收完。如果檢測(cè)測(cè)到變電所還有多余的制動(dòng)能量，飛輪機(jī)將加速旋轉(zhuǎn)，將電能儲(chǔ)存為動(dòng)能；如果檢測(cè)到附近本機(jī)車啟動(dòng)或附近有列車經(jīng)過，飛輪機(jī)將減少轉(zhuǎn)速，又將儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能釋放給直流接觸網(wǎng)。裝置示意圖如圖2 所示。

電容儲(chǔ)能型

超級(jí)電容的應(yīng)用比較廣泛，所以利用超級(jí)電容來回收機(jī)車的制動(dòng)能量是可取的，電容儲(chǔ)能裝置是將多個(gè)超級(jí)電容元件單體通過串、并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)滿足所需容量的電容器組，電容儲(chǔ)能裝置除了超級(jí)電容組之外還有直流快速斷路器、雙向DC/DC變換電路、控制電路和電壓電流傳感器等，用來控制電容器組的充、放電，其裝置原理圖如圖3 所示。電容儲(chǔ)能裝置的工作原理是通過檢測(cè)電壓傳感器測(cè)量到的直流接觸網(wǎng)的電壓信號(hào)，來決定電容器的充、放電模式，這兩種工作模式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，電容儲(chǔ)能裝置不僅可以充分回收機(jī)車的再生制動(dòng)能量能，同時(shí)還可以穩(wěn)定牽引網(wǎng)的電壓，從而改善接觸網(wǎng)供電效果。

逆變回饋型

圖1 電阻消耗裝置原理圖

圖3 電容儲(chǔ)能型裝置示意圖

圖4 逆變回饋型原理圖

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收方案采用PWM 逆變器，可以通過將原有的二極管整流電路改為可控硅整流電路，也可以在原有的整流支路兩端重新并聯(lián)一組可控硅整流電路來實(shí)現(xiàn)。該裝置主要部件有開關(guān)柜、隔離變壓器、PWM 逆變器。其中，PWM 逆變器主要由電力電子功率模塊、濾波器、控制單元等組成。逆變回饋型再生制動(dòng)能量回收裝置的原理圖如圖4 所示。

逆變回饋方案的比較與選擇

電阻消耗型再生制動(dòng)能量吸收裝置是通過IGBT 和電阻的相互配合配合的來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)機(jī)車制動(dòng)時(shí)直流牽引網(wǎng)的電壓來調(diào)節(jié)IGBT 的導(dǎo)通比，將制動(dòng)能量消耗在電阻上，從而將牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定在一定的范圍值內(nèi)。該裝置國(guó)內(nèi)已有比較成熟的產(chǎn)品制造經(jīng)驗(yàn)，價(jià)格較低。但是再生電能不能有效利用，消耗的熱能會(huì)帶來變電所環(huán)境溫升等問題。

電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要工作原理是通過DC/DC 變換器來控制超級(jí)電容器對(duì)再生制動(dòng)能量的吸收，如果在供電區(qū)間內(nèi)有機(jī)車啟動(dòng)，則超級(jí)電容將其所儲(chǔ)存的電能釋放到牽引網(wǎng)上，供需要取流的列車?yán)谩亩_(dá)到穩(wěn)定牽引網(wǎng)的電壓。該方案節(jié)能效果好，更換器件和維護(hù)方便。但由于技術(shù)國(guó)產(chǎn)化程度低，而且國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格又較高，體積大，儲(chǔ)能量有限，對(duì)于運(yùn)量較大的地鐵線路，如果儲(chǔ)能電容的容量較小，則列車再生制動(dòng)能量不能得到完全吸收。

飛輪儲(chǔ)能型是利用飛輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來儲(chǔ)存機(jī)車的制動(dòng)能量，節(jié)能效果良好，但是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究較少，達(dá)不到應(yīng)用水平，需要完全進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品，價(jià)格比較昂貴。

圖5 再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)原理框圖

逆變回饋型制動(dòng)能量吸收方案主要采用由IGBT 構(gòu)成的逆變器，逆變器的交流側(cè)接到整流變壓器35kV 或變電所0.4kV 動(dòng)力照明電網(wǎng)，直流側(cè)接到1500V 直流母線上。這樣不僅可以使再生制動(dòng)能量回收利用，而且穩(wěn)定了牽引網(wǎng)的電壓。隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)更高效、可靠的逆變回饋型再生制動(dòng)能量利用技術(shù)已成為熱點(diǎn)。因此從節(jié)約能源的角度綜合考慮，逆變回饋型是未來必然發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)相對(duì)有實(shí)力的研究機(jī)構(gòu)如許繼電氣、株洲時(shí)代等正在研發(fā)大功率逆變裝置，其中部分已掛網(wǎng)試驗(yàn)成功，為未來逆變回饋制動(dòng)能量回收裝置產(chǎn)品的生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)化和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

逆變回饋型再生制動(dòng)方案

逆變回饋裝置的原理

如圖5 所示再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)的原理圖，主電路主要由整流變壓器、隔離變壓器、LC 濾波器和PWM型逆變器組成。PWM 型逆變器電路是由六個(gè)IGBT 構(gòu)成，將牽引直流電逆變到交流電側(cè)。因?yàn)槟孀兤鞑捎玫氖? 脈波逆變，所以輸出的交流電中含有大量的諧波成分，因此在交流輸出側(cè)設(shè)置一個(gè)濾波電路進(jìn)行濾波。當(dāng)逆變器的某一橋臂發(fā)生故障時(shí)，為了防止直流側(cè)電流進(jìn)入交流側(cè)系統(tǒng)，所以在整流器與逆變器之間設(shè)置一臺(tái)隔離變壓器，確保直流側(cè)電流不會(huì)進(jìn)入交流側(cè)系統(tǒng)。

當(dāng)檢測(cè)到直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，通過逆變回饋裝置將直流電逆變回饋到交流側(cè)，逆變回饋裝置可以穩(wěn)定直流母線電壓在某一設(shè)定值。

設(shè)置逆變回饋裝置的原則

機(jī)車制動(dòng)能量的大小與線路條件、行車密度等密切相關(guān)，因此設(shè)置車輛再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置應(yīng)滿足以下兩個(gè)基本原則：

（1）應(yīng)能最大程度的吸收機(jī)車制動(dòng)能量，并將其逆變回饋到所連接的供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電能的回收利用，保證軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

（2）衡量該種回收裝置的節(jié)能效果與投資成本之間關(guān)系，不僅達(dá)到節(jié)能效果同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

結(jié)語

通過分析，在軌道交通系統(tǒng)中安裝車輛制動(dòng)能量吸收裝置是必不可少的，符合我國(guó)節(jié)約型社會(huì)的要求。使用逆變回饋型機(jī)車制動(dòng)能量回收裝置，在國(guó)產(chǎn)化水平、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)效益等方面均符合國(guó)內(nèi)軌道交通工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)的發(fā)展要求，是未來工程應(yīng)用的主要方向。機(jī)車制動(dòng)能量吸收裝置的設(shè)置應(yīng)根據(jù)供電方案、設(shè)備投資、車輛形式、行車組織、電費(fèi)水平等因素進(jìn)行綜合選擇，最終選擇的設(shè)置方案不僅要滿足機(jī)車牽引制動(dòng)節(jié)能效果好、投資少，而且使運(yùn)營(yíng)成本降低，滿足經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益并行。