動車組再生制動的研究

文/樊晟姣

（蘇州智能交通信息科技股份有限公司 江蘇省蘇州市 215000）

動車組在運行過程中，速度很快，為了能在規定的距離內穩定降速或者停車，需要很大的制動力，而再生制動不僅能夠提供這個制動力，實現安全停車，而且還能將因制動產生的能量轉換為電能，并通過調壓整流等方式將電流反饋回了電網，實現了能源的再利用。再生制動是唯一一種能向電網反饋電能從而達到節能減排目的的制動方式，它不僅實現了動車的制動，還實現了能源的減耗，是未來發展的必然趨勢。

1 高速動車組再生制動工作原理

再生制動有著以下優勢：

（1）達到了動車的制動；

（2）通過把工作中產生的動能轉變為電能流向電網達到節約能源的作用；

（3）對零部件的損耗較小，節省了維護的時間和費用。

牽引電機按照類型可以劃分為直流牽引系統和交流牽引系統兩種。其中直流牽引系統首先產生于十九世紀，隨后交流牽引系統誕生。在二十世紀，這兩種牽引系統均得到了很大的發展，開始廣泛投入使用。在這個過程中，直流牽引系統占領了更大的市場，因為其較之交流牽引系統調速功能更佳，當時性能較高的傳動系統基本使用直流電動機。

圖1為動車組交流傳動系統能量流動圖。由圖可知，牽引工況時，受電弓由接觸網開始受電，以主斷路器為媒介，聯通到機車主變壓器上，變壓后輸出單相交流電供給脈沖整流器，再由脈沖整流器將單相交流電轉化為單相直流電，通過中間直流電路把直流電傳送到逆變器，逆變器給三相交流異步電動機輸送三相交流電；再生制動工況與牽引工況的作用過程相反，在這里牽引電機是發電機狀態，電流朝相反方向流動，整流器與逆變器發生轉變，交流電先經由兩電平逆變器進行整流，再通過中間直流，最后通過四象限脈沖整流器變換成交流電流回電網。

高速動車組使用的是異步牽引電動機，相對運動在轉子和旋轉磁場之間產生時，要想產生電磁轉矩，需要轉子繞組切割磁感線，這樣先產生感應電動勢與感應電流。因此同步轉速總是大于轉子轉速n，轉差率s指的是同步轉速n0與轉子轉速n的差與同步轉速n0之比：

在對異步電動機的工作情況進行研究時，轉差率是一項重要數據。堵轉指的是電動機即將開啟，剛開始連接電源，還沒有開始轉動的一種狀態，這種狀態下n=0，s=1；當理想空載時一種在現實操作中不可能實現的電動機的轉子轉速與同步轉速等同的情況，這種狀態下n=n0，s=0。由上述描述可知，異步電動機工作在電動狀態時，0

2 交流牽引傳動系統

2.1 PWM整流器

圖1：交流傳動系統能量流動圖

在整個電力牽引的交流傳動系統中，PWM整流器以在高速行駛的動車組中充當網側變流器的身份，而扮演著十分重要的角色。PWM整流器可以有效的降低電網中的諧波含量，效果顯著的提升電力網的功率因數，對于穩定中間環節一直流時的電壓也能發揮重要功效。在當代的電力電子的領域中，PWM整流器憑借著其可以降低對附近場地環境所造成的電磁干擾的特點與優勢，成為了一個主要的新興熱點，其作用原理是當處于幾乎沒有增加某些其它的元器件的狀態下，PWM整流器可以得到類似于單位功率因數，足以減少諧波含量，做到雙向流動的能量的一個功率因數。

2.2 中間直流環節

按照交直交變壓變頻系統的電源在直流環節使用濾波器不同而存在的差異，將其分成包括電壓源型，電流源型的兩種類型的系統。在交直交變壓變頻系統的兩種類型中，主要以電壓源型為首，因此，后續的討論主要以使用大電容濾波的電壓源型為主。

設PWM整流器的電壓變比為ku，則有：

上式中，PWM整流器在ab端的輸入電壓表示為uab，PWM整流器在輸出端的電壓表示為udc。

如果供電網中出現的是與交流電壓同相的，為純正弦形的交流電流，可得交流電流為：

根據上述分析可知，為了足以達到接近于單位功率因數的功率因數，從而滿足濾除二次諧波的要求，可以應用諧振電路與支撐電容發生并聯，其中諧振電路應選用電容器的諧振頻率為2倍電網頻率（100Hz），將其與電抗器進行串接，來完成這一條件。

2.3 逆變器

在中間直流環節和交流異步電機的環節之間，出現了可將兩環節銜接起來，并在交直交變壓變頻系統中扮演著重要角色的逆變器環節。逆變器可以按照輸出的電壓電平數之間存在的差異，而分為相異的拓撲結構，包括兩電平式以及三電平式。

定義理想開關函數SA、SB和SC，則：

兩電平逆變器具有3個橋臂，以及6個功率管(IGBT)，其中每個功率管都具有兩種開關狀態：0和1，需要滿足單獨橋臂上存在的兩個功率管不以相同的狀態出現，即上橋臂與下橋臂之間O或1不可同時存在。可以假設上橋臂與該橋臂的狀態為相同，可同為1，反之亦然。因此每個橋臂都有兩種開關狀態，相對應的兩電平逆變器應具有8種的開關狀態，主電路會有與之相對應的8種工作模式。可見圖2。

當工作模式為O時，開關管會出現如下狀況，即T2T4T6會導通，而T1T3T5會關斷。A、b、c端的相電壓分別表示為uaN=0,ubN=0,ucN=0；與之相對應的A、b、c端的線電壓則分別表示為uab=0,ubc=0,uca=0;這一模式對應著表示為的電壓空間矢量。

如圖2所示，從三相逆變電路來看，其開關組合共有8種方式，與之相對應的是8種方式的電壓輸出模式。

2.4 交流異步電動機

當前，從高速動車組應用來看，交流牽引傳動系統采用的普遍較多，而作為交流傳動系統中的重要關鍵的執行之一，兼具了耦合性強、階次較高而又兼具非線性的多變系統組合，而相較于直流電動機而言，在靜態和動態以及技術控制方面具有更大的復雜性。

3 再生制動的能量分析

當地鐵機車運用再生制動方式，直流供電網將有相關制動能量予以返回，相應的，假設其制動能量沒有能夠及時耗盡，都會促使直流電網的相應電壓很快提升，會造成用電設備的損壞，其后果極其嚴重。鑒于以上，出于電網的安全考慮，電阻制動裝置需要配套設立，同時將消耗掉再生制動能量，從而保持電網工作的穩定性，防止災害事故的產生。從電阻制動裝置分類來看，其分類為車載和地面兩類電阻制動裝置。這兩種方式比較分析如下：

（1）對于車載電阻制動裝置而言，其機構較為簡單、制動力相對穩定，受電網電壓以及制動負載吸收的影響相對較少，成熟度較高。雖然如此，但是其制動電阻消耗再生電能的處理方式，尤其相對于地鐵線路，一方面成本較高，能量得不到循環利用，另一方面，由于制動產生的能量轉化為熱能后，其外溢效果顯著，導致隧道和站臺的溫度急速上升，相應造成站內環控系統的負擔過重，對能量耗費嚴重，相應的增加了運營的成本。

（2）車載和地面的固定設置所采用的設備，相應的要求也是差別很大。對于車載設備而言，運行環境上看，通常要比地面情況要復雜的多，對其自身的大小、可靠程度和重量要求都是十分的嚴苛。而基于地面固定設置的設備看，其空間更大，一般講要求相對較低。那么針對地面設備的安裝，通過對電阻制動產生的熱量抑制，進一步降低隧道和站臺的溫升。

而且，車載設備的使用上看，受制于本車運用，其效率不高，浪費嚴重。綜上可以看出，在設備投資上、日常維護上，地面裝置相對要更加合理。

4 地面電阻制動

在電網接收再生電能時，線路電壓的不穩定以及直流電網和用電設備的非正常運行是不能被允許的，如果發生此類情況，將導致其他相關設備遭到破壞。

需要有一套裝置安置在直流電網上，進而消耗掉直流電網上消除不了的再生制動形成的電能，以規避直流供電電壓上升的問題，確保直流電網和相應設備的安全性。

目前，電阻制動技術已經非常成熟，利用地面裝置來消耗直流電網多余電能的方式比較簡單便捷，采用電氣開關是最為簡單便捷的方法，當直流供電網壓過高時，采用制動電阻，待恢復正常網壓時，再予以去除制動電阻。這種方式最大的好處就是比較簡便快捷，而究其不足，主要是電氣開關的操作頻繁，容易產生故障，再加上電阻的投入以及切除上容易形成較強烈的沖擊，將會對電網的穩定性造成較大影響。

電子固態開關（通常由IGBT構成）通常運用于高頻開關電阻制動裝置上，以導通和切斷時間比的改變，以實現等效電阻在大范圍內的改變。

斬波器往往也被高頻開關電阻所采用，正是采用了電子開關，使其開關次數比電氣開關更加優越，大大降低了電氣設備的故障率，能夠有效提升電阻制動設備的可靠程度，而從開關頻率來看，其提升幅度在幾kHz到十幾kHz，加上斬波器的應用，能夠實現對制動電阻上的能量隨意調節。基于以上，能夠進一步達成電網對直流電阻制動的較高要求，并且能夠較為穩定的調整制動電流，保障供電質量。

制動電阻特別是在消耗再生能量時，大量熱能迅速產生，要保障設備運行的穩定性，通風設備必須配備，以更好的解決電阻散熱的棘手問題。

由于電阻對地鐵車輛在制動時形成的脈沖式的再生能量有極強的消耗作用，所以在應用電阻進行制動時，不用另外再予以配備儲能設備，這樣來看，電阻制動方式投入低、成效明顯。