軌道交通機車再生制動能量的回收利用

創新者：曾 清 張志兵

軌道交通機車再生制動能量的回收利用

創新者：曾 清 張志兵

分析了目前三種機車制動能量的回收方式，即消耗型、儲能型、逆變型。并對它們的經濟技術性進行比較，確定逆變型是未來地鐵吸收機車制動能量的最佳方式。然后對逆變型的獨立新增、部分替代、完全替代三種設置方式進行對比分析，從經濟性、技術性、可靠性等方面綜合考慮選擇一種性價比最高、對原有的供電系統影響最小的設置方式。最后對所選擇的設置方案進行控制策略設計。

進入21世紀以來，我國繼續保持國民經濟的高速發展，城鎮化的速度日漸加快。城鎮化在日益提高人民生活水平的同時，也帶來因大量的人口流向城市而導致城市交通系統負擔快速增加的問題，運力不足、耗能嚴重、環境污染等矛盾已經非常突出。城市軌道交通是城市公共交通體系中的重要組成部分，具有運量大、安全舒適、方便快捷等優點。

目前，地鐵機車再生制動能量回收主要有逆變回饋型、電容儲能型、飛輪儲能型和電阻消耗型四種方式。國內地鐵普遍采用電阻消耗型，使用制動電阻來吸收機車的制動能量，這種方法可靠、簡單易行，具有比較成熟的應用技術。但它的最大缺點是不能合理的回收機車制動能量，造成電能浪費。電容儲能型和飛輪儲能型可以有效的回收機車的制動能量，但國內技術不夠成熟且成本較高，不適合普遍推廣使用。逆變回饋型不僅可以高效的回收利用機車的制動能量，而且國內對逆變技術的研究技術比較成熟，因此該方法是未來研究應用于吸收機車制動能量的主要方法。

逆變回饋型的核心部件是PWM變流器，變流器可以四象限工作，根據側重點不同，逆變回饋裝置的設置可以采用三種方式：獨立新增、部分替代和完全替代。由于能饋式牽引供電裝置在城市軌道交通牽引供電系統中應用才剛剛起步，設備容量和過載能力暫時還難以滿足列車牽引供電需求，因此主要用于實現列車再生制動能量的回饋再利用，起到節能和減小列車間瓦磨損的作用，所以獨立新增方案是性價比最優的一種方案。

逆變回饋裝置可以直接將制動電能逆變回饋到交流中壓電網，以供其它設備使用，不存在電阻發熱問題，也不需要安裝大容量的儲能設備，國內研究技術成熟，便于檢修維護。為了減少逆變時對電網的影響，本文設計一種電壓、電流雙閉環控制方案。該控制方式不僅可以提高變流器的寬容度，還可以提高其動態響應速度及抗干擾能力，可以有效的降低交流側電壓的諧波含量。

機車制動能量回收方式對比分析

電阻消耗型

電阻型再生制動裝置安裝于地鐵牽引變電所母線上，當地鐵列車制動產生的能量不能被同一供電區間同時運行的列車或者本地鐵列車車載設備全部吸收時，吸收電阻便接入電路，吸收多余的再生制動能量。其原理示意圖如圖1所示。該種吸收設備大多用恒壓控制策略，通過監測母線網壓變化調節斬波器占空比調節制動電阻運行狀態，調整能量吸收功率，從而將電壓穩定在給定范圍內。該裝置易于控制，但能量全部以熱量消耗，造成浪費。同時造成周圍環境溫度升高，通風動力裝置的二次能源消耗。

圖1　電阻消耗型示意圖

電容儲能型

如圖2所示，地鐵牽引供電系統接入超級電容儲能設備。該設備通過直流開關設備與牽引變電所牽引正負母線或者牽引網接觸軌、走行軌相連。西門子的該項技術較為成熟，超級電容值一般在幾千法拉，其能量直接以電勢能儲存，可快速充放電，且壽命長，維護少，其速度只受限于變換器容量和電容器內阻，由于該裝置在牽引網壓低于給定值時，能夠向其供電，故該裝置對于穩定牽引網壓有積極的作用。

圖2　超級電容儲能示意圖

圖3　飛輪儲能示意圖

圖4　逆變回饋型示意圖

飛輪儲能型

飛輪儲能裝置的核心是一個高密度合成磁筒，筒內裝有永久性磁粉，提供磁介質。將磁內核按兩種方式磁化，一端形成半個無源磁軸承，另一部分形成永久磁極的轉子，同時與存在的三相定子構成一個完整電機。其原理圖如圖3所示，儲能原理是依靠飛輪的動能對制動能量進行儲存當地鐵列車制動時，飛輪轉速不斷加快以吸收制動能量；當列車啟動時，飛輪轉速逐漸降低，將存儲的能量轉化為列車動能。飛輪儲能裝置之間相互獨立，可以幾套裝置同時使用，但該項技術尚處于研究完善之中。

逆變回饋型

逆變回饋型再生制動利用方案其原理是通過傳感器實時檢測直流牽引網電壓，與逆變裝置設定的啟動工作閾值比較，從而對地鐵列車運行狀況進行判斷。其原理示意圖如圖4所示，當牽引網壓值高于給定值時，逆變器就進入工作狀態，將地鐵列車制動產生的能量逆變成交流電返回供電網。目前逆變回饋工頻交流電網主要有兩種方式：其一，逆變回饋于高壓交流電網（l0kV或35kV）；其二，逆變回饋于低壓交流電網400V負載側，供站內照明通風等設備使用。

通過分析可見電阻能耗型雖然控制簡單，使用壽命長，且技術較為成熟，但是制動能量全部浪費，不能起到節能效果，必然不能代表再生制動能量利用的發展方向。另外三種技術，國內外都在進行不斷研究，理論也在不斷完善，而且隨著大功率電子器件的快速發展，加速推動了逆變回饋型再生能量吸收技術的發展，國內新建地鐵己開始引入相關產品，國內相關機構如株洲時代等公司也在對該技術產品進行研發。業內普遍認為，該地鐵再生制動能量利用技術潛力無限，因此研究此項技術有著重要的意義。

逆變裝置設置方式

完全替代

完全替代足指兩套能饋式牽引供電裝置完全替代原有的兩套12脈波二極管整流機組。

優點是：無需額外增加設備安裝空間，總占地小。可充分利用能饋式牽引供電裝置的雙向變流能力，列車牽引時提供能量，列車制動時將多余再生制動能量反饋交流電網。此外，由于能饋式牽引供電裝置具有輸出電壓調節能力，因此直流網壓可以維持良好的平穩性，容量上也可以較好的滿足列車再生制動能量吸收要求。

缺點：為了滿足VI級負荷要求，設備的峰值容量大，要求過載能力強，在大功率TGBT半導體器件沒有規模化量產前，設備價格會比較昂貴。

部分替代

部分替代是指用一套能饋式牽引供電裝置代替一套12脈波二極管整流機組，保留一套原有的12脈波二極管整流機組。

優點：無需額外增加設備安裝空間，總占地面積小。兼具二極管整流機組結構簡單、可靠性高、價格低廉和能饋式牽引供電裝置能量雙向流動，輸出特性可控的優點，在實現列車再生制動能量回饋利用的同時，系統總體投資增加不多。

缺點是：采用12脈波整流后交流電流的諧波含量相對于原有的24脈波整流會有所增加。此外，一臺能饋式牽引供電裝置容量上也難以完全滿足列車特殊情況下再生制動能量吸收需求。

獨立新增

獨立新增是在完全保留傳統的24脈波整流機組的基礎上，額外新增一套獨立的能饋式牽引供電裝置。

優點是：在不改變既有供電機組的情況下，獨立新增了第三臺機組，增加了變電所牽引供電容量，實現了列車再生制動能量的有效回饋，同時不會對原有供電方式造成不利影響，系統可靠性高，推廣難度小。

缺點：需額外增加設備安裝空間，增加設備投資。

通過對這三種方式的分析比較，從牽引供電能力、經濟成本、回饋能力等方面考慮，可以得出獨立新增是一種性價比最優的設置方案。

圖5　逆變回饋系統控制方案設計

逆變裝置的控制方法設計

為了提高獨立新增逆變回饋裝置的工作效果，本文采用基于SVPWM的雙閉環PI控制方式。比例環節（P）能夠增大系統開環增益，提高系統響應速度和控制精度；積分環節（I）能夠減小系統穩態誤差，增強系統穩態性能。

能量回饋系統控制原理框圖如圖5所示，系統控制主要包括脈沖產生模塊和電流調節模塊兩部分。脈沖產生模塊產生SVPWM觸發脈沖控制逆變器中IGBT導通和關斷，實時調整逆變器輸出的電流；電流調節模塊采用PI雙閉環控制策略，電壓控制環是外環，電流控制環是內環。

具體的實現過程是將牽引網側實測直流電壓與牽引網給定電壓參考值進行比較，將比較送入積分PI調節器計算出參考電流值id，該電流與三相電流iabc經dq解耦后得到的d軸有功電流分量比較后，將其差值經PI調節器調整后與ed分量比較， 最后經過Park變換后驅動SVPWM模塊產生脈沖信號，控制逆變器IGBT導通和關斷，從而控制逆變器電流的輸出。當檢測到牽引網電壓大于電壓閾值時，逆變回饋裝置便從待機狀態進入工作狀態。牽引網壓低于該電壓閾值時逆變器再由工作狀態轉為待機狀態。

結束語

本文分析目前電阻消耗型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型四種機車再生制動能量回收，并對它們的優缺點進行比較，確定逆變回饋型吸收方案為本文的能量回收方案。對逆變回饋裝置的設置方式進行比較，選擇性價比最優的獨立新增方式，該方式在不影響原有的供電系統外，還可以有效的將機車制動能量回饋到交流電網，以供其他設備使用。最后對所選擇的獨立新增逆變回饋裝置進行控制設計，采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制方案，達到穩定直流側電壓和回收機車制動能量的雙重效果。采用逆變型吸收方案，不僅經濟可靠而且解決了能量浪費問題。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.027