地鐵供電系統再生制動裝置應用

馬嘉輝

北京市地鐵運營有限公司，中國·北京100032

1 引言

隨著中國大力開展節能環保工作，北京地鐵也緊隨其后，在裝配再生能耗設備方面也更加重視，不光是在新建地鐵線路中使用再生能耗裝置，在既有線路改造計劃中，也加入了再生能耗裝置的安裝工作。這在實現北京地鐵公司努力建設節約型地鐵合創新型地鐵的道路上邁出堅實的一步。

在北京地鐵的建設初期，一般采用在地鐵列車上安裝大容量吸收電阻的方法來吸收再生能，但在車上安裝容量吸收電阻就會影響車內的空間，同時吸收電阻工作時會釋放大量熱量，造成車輛和洞體的溫度升高。如果北京地鐵公司在每條線路使用再生能耗吸收裝置的話，理論上可以節省12%～15%的電能。

2 再生能耗裝置工作原理

不同類型的再生能耗裝置是根據裝置的工作方式區分的，目前北京地鐵所使用的再生能裝置分為三種。

2.1 電阻型

電阻型能耗裝置是將再生能引入電阻回路從而使電阻發熱耗能的方式進行能量吸收。由于裝置工作時會產生噪音和散發出大量熱，一般將裝置安裝在地面。將電阻型能耗裝置安裝于直流牽引系統的正負母線之間，在地鐵列車進行制動時，再生電流將會從直流牽引系統正母線流入到電阻型能耗裝置的回路當中。回路是有二極管和電阻組成的回路，能有效單向導通，并采用多相IGBT斬波器（因普通開關動作時間較慢不能滿足直流母線電壓變化調節的要求）和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據直流母線電壓的變化狀態調節斬波器的導通比，改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設定的范圍內，通過吸收電阻將電能轉化為熱能耗散掉。

2.2 逆變型

逆變型再生能饋裝置是將地鐵列車電制動時產生的直流電通過逆變器后將交流電反饋到車站電網從而重復利用。逆變型再生能饋裝置又分成兩個類型：低壓回饋型和中壓回饋型。低壓回饋型再生能饋裝置是將地鐵列車制動產生的再生能回饋到400V低壓母線，供給車站內的其他低壓母線所帶設備使用。中壓回饋型是將地鐵列車制動產生的再生能回饋到10kV中壓母線中，從而使車站中的所有10kV中壓系統所帶設備都可以使用反饋電能。現在低壓回饋型再生能量吸收裝置在北京地鐵7號線、9號線投入使用，中壓回饋型再生能量吸收裝置在北京地鐵線10號線投入使用。低壓逆變型再生能量吸收裝置，是將地鐵列車制動產生的再生能逆變輸出至400V母線的再生能量利用裝置，因為收到400V電網容量的限制必須與電阻消耗型裝置相結合才能夠滿足使用條件，所以大多采用逆變器+電阻吸收裝置的形式。

為了解決低壓回饋型再生制動裝置在使用中對400V低壓網絡電壓的影響，在裝置中加裝400V低壓網絡電壓檢測，在網絡中的用電器消耗有限無法完全將返回的能量使用殆盡時，切入電阻吸收裝置將多余電能進行消耗，從而保證400V低壓網絡的穩定。

中壓回饋型再生制動裝置連接在容量較大的10kV中壓網絡中，所以大多不用考慮反饋能量無法消耗，導致中壓電網電壓上升的問題。但是中壓回饋型再生制動裝置工作時，回饋的電能會影響到10kV中壓系統所在電網的電壓，所以在設計使用階段，要提前與所在電力公司溝通設計方案，在滿足條件的情況下進行使用。

2.3 電容儲能型

在地鐵列車進行制動過程中，電容儲能型再生能裝置會吸收直流牽引網中的再生能并存貯，當供電區間有其他地鐵列車運行，存貯裝置會釋放電能供地鐵列車運行使用。

在運行中的地鐵列車進行電制動時，產生的再生能會使接觸網網壓升高，當電容儲能再生能裝置在系統中檢測到網壓升高，就會啟動IGBT將再生能儲存到電容儲能元件中，這樣就可以使接觸網的網壓處于正常范圍內。當供電區間中有地鐵列車啟動運行時，裝置將電容儲能元件中存儲的電能釋放供車輛使用。這樣既保證了供電系統的穩定運行，又能保證再生能的循環利用。

3 再生制動系統運行中存在的優缺點

3.1 電阻型

優點：技成熟，已經在北京地鐵投入運行十余年，該裝置原理簡單，易于安裝維護，操作便捷，裝置穩定。因裝置安裝在直流牽引系統內部，與其他電壓等級設備不連接，不會造成干擾。具有體積小、重量輕，施工簡便的優點。

缺點：只能將再生能轉化成熱能進行消耗，不能達到節能目的。由于該裝置在工作狀態下產生大量熱能，所以對設備的安裝位置有嚴格的要求，并且在車輛密集的線路會有設備元件超溫跳閘退出運行的情況。吸收電阻在運行過程中噪聲大，所以實際安裝位置都在距離住宅或公共場所較遠的地區。

3.2 逆變型

優點：有效減少電能的浪費，可將一部分機車再生能加以利用，在節能環保的同時也有利于車輛平穩運行，目前在地鐵建設中被廣泛使用。發熱量相對小，不會因過熱導致設備退出運行，所以裝置運行可靠性較高。因散熱少，噪音低所以對環境影響較小。低壓回饋型單套約210萬，中壓回饋型單套約340萬，價格適中，裝置體積與重量適中。

缺點：結構比純電阻型復雜。因低壓回饋型受AC400V電網容量限制，所以需要設計吸收電阻配合使用，降低了再生能源利用率，造成能源浪費同時也帶來電阻消耗型的缺點。根據實際計量電能數據，因負載與再生制動能量會產生瞬時不平衡（其反饋能量僅僅是被本站站內設備利用，因此回饋容量受限）造成再生制動電能流入城市電網，地鐵內部無法通過回饋型裝置完全利用再生能源。

3.3 儲能型（電容型）

優點：系統可在直流供電區間內無車，電網空載的狀態下自行充電，在車輛通過時進行釋放，從而達到穩定電網電壓的作用。再生能量直接在直流系統內轉換，與其它設備無接口，對地鐵供電系統其它部分不會產生電壓波動和諧波注入的影響。不需要逆變、變壓等能源轉換設備，從而更好的減少能耗，節能效果更好。

缺點：受技術條件的約束，要設置體積龐大的電容器組才能滿足地鐵設備的運行要求，設備運行時電容需頻繁處于充放電狀態所以導致使用壽命短，造價高，而且電容器對環境要求比較高，后期維護比較困難。電容儲能元件存在噪聲和溫升問題。

4 總結

根據以上設備的實際運行數據和理論分析，不難看出不同類型再生制動能量利用裝置都有著各自不同的優勢與特點如表1所示。

表1 優勢與特點

電阻耗能雖然在地鐵部分線路使用多年，但因不符合節能環保的特點，應盡早進行更新換代。中壓逆變回饋型，需要考慮對交流系統諧波和電壓波動的影響。儲能型要繼續提高儲能電容或飛輪的能力密度，在減小尺寸和整體重量同時還要增加容量，但因較好的滿足了節能環保的要求，所以儲能型是未來再生能量利用裝置的發展方向。

5 建議

①不應只根據理論結果衡量再生能量利用裝置的效率，應運用合理的方法進行實際檢測和計算，結合線路坡度、彎道、客運量、行車密度、電網容量等因素，合理配置線路再生能量利用裝置容量，提高節能效率。

②儲能型再生能量利用裝置，目前因儲能元件能量密度較低，占用空間大成本較高的原因，所以地鐵現只安裝有三套電容型再生制動裝置和一套飛輪型再生制動裝置，建議保留現四套儲能型再生制動裝置的同時，增加飛輪型再生制動裝置在地鐵的測試，積累數據，為今后大規模應用打下良好基礎。

綜上所述，經過多年的實際應用，再生能耗制動裝置解決了車輛在制動時，向電網反輸電能造成網壓過高，危害設備的問題。列車不再使用車載制動電阻，減小了列車的負載，同時也降低了牽引網的負荷，在降低負荷的同時還能對再生能加以利用，從某種意義上講再生制動系統的使用，不但降低了能耗也節約了能源。在國家大力倡導節能減排，打造節約型社會的今天，儲能型及反饋型再生能耗系統更加適應時代的發展需求。為節約能源并減少車輛機械制動帶來的環境污染，在未來地鐵軌道交通的建設中，如果能合理的解決儲能型系統自身存在的技術和成本問題，儲能型及反饋型再生能耗系統在打造節約型地鐵的征程中將會發揮重要作用。