城鐵車輛再生制動能量吸收裝置淺析

陳光東　劉麗雯　黃寧

摘要：城市軌道交通車輛電制動過程中會向線網反饋電能，當線網電壓過高無法繼續吸收時，利用車載制動電阻吸收電能。本文簡單介紹了電阻吸收性、電容或飛輪儲能型、逆變-電阻混合吸收性、逆變回饋型的車體外的再生制動能量吸收裝置，并對其各自的優缺點進行的簡要分析。

關鍵詞：再生制動 軌道交通 能量吸收裝置

一、前言

車輛在制動工況下優先利用電制動，電制動能力不足時，再將不足的制動力分配給空氣制動。再生制動和電阻制動為電制動的兩種形式。當供電線網的網壓高于限定值時。無法再吸收由再生制動反饋回來的能量，則利用電阻制動吸收線網未能吸收的能量。當再生制動觸發時，車輛的牽引電機轉換成發電機產生再生能量。并將電能通過整流裝置反饋給線網。由于采用二極管整流設備，僅能單向向電網傳輸，無法反饋到上級電網，只能被直流電網暫時存儲。因此若供電電網中無其他車輛吸收，將會導致直流供電網壓升高。

二、不同形式的車體外吸能裝置介紹與優缺點分析

車輛利用自身制動電阻進行能量吸收的方法是：當再生制動反饋給線網上的能量過多，線網無法繼續吸收時，列車利用制動電阻將未能吸收的能量轉化為熱能消耗。但車輛自帶制動電阻會增加列車的自重：并且制動電阻工作時散發的熱量易影響列車運營的安全性等。所以將再生制動多余的能量吸收裝置移至車輛外尤為必要。

目前，將再生制動的能量吸收裝置設置在車輛外的方案已應用在國內外軌道交通中，主要形式有：電阻吸收型；電容儲能型＼飛輪儲能型：逆變-電阻混合吸收型及逆變回饋型。下面對這4種裝置形式進行簡要介紹及優缺點的探討。

（一）電阻吸收型

電阻吸收型主要利用多相IGBT斬波器配合制動電阻的進行恒壓吸收，根據線網的電壓變化來控制斬波器的導通比，從而改變線網的吸收功率，將線網電壓維持在設定值的范圍內。能量消耗在電阻上。

目前。北京機場線、天津地鐵1號線等工程中均使用了該類裝置，其運行效果良好。該類裝置優點在于成本較低、易于控制、功率組合便捷、可靠性高、易于維修、長使用壽命。缺點是：吸收電阻在工作時熱量集中，若采用風冷時需要解決相應的通風動能裝置將熱能排出。若用水冷時需要解決好絕緣問題；并且再生制動能量未被利用，浪費了再生制動的電能。

（二）電容或飛輪儲能型。

電容儲能型或飛輪儲能型兩種裝置原理相似。均是利用大容量電容器組或飛輪電機將再生制動的能量儲存起來。當供電區間內有車輛進行加速或者啟動時，電容或飛輪的儲能器將存儲的電能釋放到供電線網上。

該類形式的優點是能量利用率高。再生制動能量可直接在直流牽引系統內轉換，對交流系統不會造成影響。缺點在于：電容儲能型裝置由于短時吸收功率大。需求較多的組合電容和設備存放空間：并且電容頻繁處于充放電工況，電容使用壽命縮短；維護量大運營成本高；該設備容量較小，當車輛進行再生制動時。電容存儲的電能必須通過線網或其他耗能設備進行釋放，否則由于容量的限制，下一周期吸收電容無法吸收再生能量，在運營量較大的線路上，無法達到完全吸收利用再生制動能量的要求。而飛輪儲能型裝置同樣存在占地面積大。維護工作復雜、運營成本高等問題。

（三）逆變.電阻混合吸收型

逆變-電阻混合吸收型裝置主要由吸收電阻和逆變組成。逆變-電阻混合吸收裝置裝于供電線網上。當再生制動的能量低于逆變器設定的吸收能力時，再生能量可以完全經過逆變器逆變成與交流電網電壓同頻、同相的交流電送回400V電網。供相關交流設備使用；當逆變器無法全部吸收再生制動的能量時，系統將會利用電阻部分消耗能量，當能量降至逆變器可吸收能力范圍內時，電阻消耗能量退出，完全由逆變部分進行吸收。

該類裝置的優點是：易于控制，可靠性高；既能滿足對再生制動能量的吸收。又能進行較好的能量利用：維護方便、設備低廉。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勢。

（四）逆變回饋型

逆變回饋型吸收能量裝置原理是利用大功率的三相逆變器將直流側與牽引變電所中的直流母線相連。交流側與交流電網相連：當車輛制動產生的再生制動的能量過多，使直流側的電壓超過限定值時，觸發三相逆變器工作，將直流側的母線吸收電流逆變成與交流電網同電壓、頻率、同相的交流電傳輸給交流電網。

逆變回饋型的優點在于充分利用了車輛的再生制動能量，提高了再生能量的利用率；其能量可直接傳輸到供電線網中，無需配置儲能元件及吸收電阻。

缺點是：直流經過逆變后的交流電的諧波分量較大，須增設功率補償器及諧波抑制器，防止高次諧波對通訊信號的干擾；交流電站需要增設電網分配自動平衡裝置，以平衡再生制動時輸送給交流線網的浪涌電流；增強能量回收效果，逆變回饋裝置應在車輛制動區域分段就近設置。目前該類裝置在國內還處于研制階段，技術難題尚未解決。設備尚需完全進口。

三、結語

本文對再生制動能量吸收的各類裝置進行了簡要的分析，其中，逆變-電阻混合吸收型、逆變回饋型這兩種裝置的利用率較其他兩種高。逆變回饋型裝置的再生制動能量的綜合利用率最高，符合世界節能技術發展趨勢。目前由于技術難題尚未完全攻破，建議先將逆變-電阻混合吸收裝置在我國廣泛推廣。待技術成熟后，逆變回饋裝置必將成為車輛再生制動能量吸收裝置的主流，從而達到將車輛再生制動能量的完全利用，以最大限度地達到節能減排的目的。