基于TRIZ 理論的城市軌道交通再生制動能回收利用系統(tǒng)研究

江雨澤

（哈爾濱科學技術(shù)職業(yè)學院，黑龍江 哈爾濱 150300）

1 前言

如今城市發(fā)展迅速，城市人口增長量大，經(jīng)常會出現(xiàn)交通堵塞的狀況，不但影響人們的生活質(zhì)量，還會制約經(jīng)濟的發(fā)展。而城市軌道交通由于其運行在地下或?qū)Ｓ密壍纼?nèi)，具備全天候、大運載、快捷舒適的特點成為重要的公共交通工具。目前，大多數(shù)牽引變電所不具備局域網(wǎng)壓調(diào)節(jié)能力，當機車采取電制動時，如果將電能反饋給電網(wǎng)，輕則造成牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高，重則會造成再生電能制動失效。所以無法將產(chǎn)生再生制動電動能回饋到電網(wǎng)，通常會在列車底部安裝制動電阻，將機車電制動能產(chǎn)生的能量通過電阻消耗殆盡。這種方法不僅是能源的浪費，還會影響機車散熱。所以，對軌道機車供電系統(tǒng)再生制動電能技術(shù)的研究具有重要意義。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，我國軌道交通技術(shù)已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，軌道交通運輸發(fā)展迅猛，城市軌道交通的覆蓋率逐年能加，目前，上海和北京的城市軌道交通運營總里程數(shù)分居世界第一位和第二位。據(jù)中國交通運輸部統(tǒng)計，我國城市軌道交通運營數(shù)據(jù)：截至2022 年12 月31 日，31 個省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團共有53 個城市開通運營城市軌道交通線路290 條，運營里程9584 公里，車站5609 座。如此龐大的軌道交通系統(tǒng)，車輛設(shè)備頻繁的剎車制動所產(chǎn)生的能量不可小視。在能源緊張的當今社會，依托智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，利用合適的儲能裝置吸收利用再生制動能量必將會成為研究的熱點。軌道機車制動方式分為空氣閘瓦制動和電阻制動兩種方式。當機車速度比較高時，為了減輕機械系統(tǒng)壓力減少磨損，列車先采取電制動，通過發(fā)電機將列車的動能轉(zhuǎn)換為電能，電能再通過制動電阻消耗掉。當列車即將進站低速度行駛時，利用閘瓦進行傳統(tǒng)的機械式摩擦制動，最終使得列車停下來。

2 發(fā)明問題初始形勢

再生制動方式是一種較為先進的利機車制動方式，主要的工作原理是，當列車制動時動能通過車輪傳遞給發(fā)電機，如此時發(fā)電機不能夠?qū)⒛芰枯敵龌蛘呦模敲矗鶕?jù)能量守恒關(guān)系，車輪的動能就不會減少，失去了剎車的效果。發(fā)電機的能量通過受電弓回饋給電網(wǎng)，如果周圍沒有其他列車吸收這部分多余的能量，就會造成牽引網(wǎng)壓升高脫網(wǎng)故障，當網(wǎng)壓超過了列車制動發(fā)電機的電壓時，發(fā)電機就變成電動機，造成了電制動失效。所以，牽引網(wǎng)的電壓一定要控制在合理范圍內(nèi)，避免事故。如果這部分再生制動電能可以被其他列車有效使用，將有效節(jié)約能源，為企業(yè)提升經(jīng)濟效益。

最簡單最早的儲能方式是蓄電池，蓄電池的原理是將化學能與電能之間相互轉(zhuǎn)換，通過變壓器、交流直流轉(zhuǎn)換器對蓄電池進行充放電。但是，蓄電池由于其充放電速度和電池容量的問題不適于電網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)節(jié)。軌道交通牽引網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)節(jié)要求迅速吸收電能和迅速釋放電能，單單這一點以化學原理為基礎(chǔ)的蓄電池是做不到的。還可以通過超級電容或者其他機械能轉(zhuǎn)換等方式完成，如飛輪等裝置進行電能回收和釋放。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市軌道交通的覆蓋率逐年能加，隨著設(shè)備維修地鐵運營商的成本也在增加，車輛設(shè)備頻繁的剎車制動所產(chǎn)生的能量不可小視，如果能夠合理利用，將會給企業(yè)節(jié)約很大一部分成本。

3 TRIZ 理論解決問題

TRIZ 意譯為發(fā)明問題的解決理論。是由前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究團隊，歷經(jīng)多年，通過對上萬份專利和創(chuàng)新案例進行分析總結(jié)，最終提出的一種解決問題的方法。TRIZ 理論成功地揭示了創(chuàng)新的內(nèi)在規(guī)律和發(fā)明制作方法，主要包括矛盾矩陣、因果分析法、九屏分析法、最終理想解，無償模型、科學效應(yīng)、功能模型分析，40個發(fā)明原理、39個工程技術(shù)特性，化學、物理、數(shù)學幾何等工程學原理知識庫等。

3.1 因果分析法

通過因果分析圖可知，對城市軌道交通設(shè)備再生制動能利用問題從方法、設(shè)備、物料、環(huán)境等4 個方面參數(shù)進行分析。從制動方法、車輛、電網(wǎng)、環(huán)境4 個方面進行因果分析，通過圖1 可知，最終影響能量回收再利用的主要原因是機車設(shè)備存儲能量的能力弱和牽引供電網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)節(jié)能力差，能量分配不足，所以通過此方法進行下一步研究車輛的能量存儲和電網(wǎng)能量分配。

圖1 因果鏈分析圖

3.2 九屏幕分析法（圖2）

圖2 九屏幕分析法

當我們在解決問題、發(fā)明創(chuàng)新時，最大的問題就是沒有頭緒。原因在于，我們收集的信息材料不足，且混亂。九屏幕思維模型可以解決這個問題。橫向為時間軸，從左到右依次為當前系統(tǒng)的過去時、現(xiàn)在時和將來時。縱向從下到上分別為子系統(tǒng)、當前系統(tǒng)和超系統(tǒng)。通過九屏幕分析，對比當前系統(tǒng)的子系統(tǒng)和當前系統(tǒng)未來系統(tǒng)的子系統(tǒng)，找到解決能量存儲的方法，有超級電動、超級鋰電池、機械飛輪儲能等設(shè)備。尋找能量的調(diào)節(jié)方式。

3.3 生命曲線

技術(shù)系統(tǒng)的進化一般按照生命曲線進行，隨著社會的不斷發(fā)展進步，城市軌道的發(fā)展進程日益加快，由于地鐵站間距較小，使得地鐵機車頻繁啟動和制動，在這個過程中浪費了巨大的能量，所以對地鐵的制動能的回收再利用技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，此項技術(shù)處于成長期，專利等級較高、專利數(shù)量較少、經(jīng)濟收益較高，成為社會關(guān)注的焦點，在目前提倡節(jié)能減排的大背景下，此項技術(shù)有很好的發(fā)展前景，和提升空間。

3.4 最終理想解

通過最終理想解分析，本系統(tǒng)設(shè)計的最終目標是可以有效將制動能量轉(zhuǎn)換為電能，不但可以供給自身設(shè)備使用，多余能量時還可以反饋給供電網(wǎng)，由供電網(wǎng)智能分配給線路上臨近的其他車輛使用（表1）。

表1

通過以上方法分析，依托智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，利用合適的儲能裝置吸收利用再生制動能量必將會成為研究的熱點。飛輪儲能是指外部能量系統(tǒng)提供電能驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，從而形成能量儲存。當需要能量時，飛輪帶動電機旋轉(zhuǎn)，機械能轉(zhuǎn)化為電能，形成發(fā)電機，對外進行電能輸出。本文為自主設(shè)計研發(fā)，以哈爾濱地鐵一號線車輛運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建模仿真，提出了飛輪儲能電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，以永磁同步電機為儲能電機，通過飛輪機械能釋放和吸收調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。具體控制思路為以牽引電壓值為控制參數(shù)，通過磁鏈定向的方式完成電機功率的交換。最終要到達的控制目標是，通過這樣的方式來緩沖能量變化，合理地利用制動時產(chǎn)生的電能，達到穩(wěn)定牽引網(wǎng)網(wǎng)壓的目的。

4 最終設(shè)計方案與仿真

4.1 設(shè)計方案

經(jīng)過綜合比較考慮，由于飛輪儲能機械結(jié)構(gòu)原理簡單，在高頻使用過程中故障率比較低，可以迅速地釋放和吸收電能。所以，本設(shè)計在牽引局域電網(wǎng)內(nèi)利用飛輪儲來調(diào)節(jié)網(wǎng)壓，其特點就是能量轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、連續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)能力強、機械運行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定壽命較長、不產(chǎn)生有害物質(zhì)、后續(xù)維護成本低等特點。

最終利用TRIZ 原理設(shè)計一個可以提高城市軌道交通供電系統(tǒng)再生電能利用系統(tǒng)。在牽引變電所安裝飛輪儲能設(shè)備，調(diào)節(jié)供電網(wǎng)和機車之間電能輸送，功率調(diào)整。從而在機車電能低時飛輪向機車提供電能輸送，在機車回收大量制動能后，將過剩的電能再反饋給飛輪，飛輪將其存儲的能量根據(jù)需要，分配給同一電網(wǎng)的其他機車設(shè)備使用，形成電能智能分配。采用該種方式調(diào)節(jié)，可以很好地利用軌道機車在制動過程產(chǎn)生的制動電能，達到能源的有效回收和二次利用。通過飛輪能量調(diào)節(jié)方式，還可在列車運行高峰期，為電網(wǎng)提供能量支持，保障網(wǎng)壓穩(wěn)定等優(yōu)點，有效地提高了再生制動能量的利用。

4.2 仿真驗證

通過MATLAB 搭建系統(tǒng)仿真模型如圖3，通過給定電動機模型，模擬列車制動時產(chǎn)生的電能，分別采用電阻耗能和飛輪電機儲能調(diào)節(jié)來控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓。通過觀測牽引變電所母線電壓、機車受電弓電壓、儲能電機功率和轉(zhuǎn)速等來驗證系統(tǒng)的可行性。

圖3 仿真電氣接線原理圖

具體仿真設(shè)計為，當機車2 制動時，多余的制動電能量使牽引網(wǎng)壓逐漸升高，達到一定警戒值時，控制系統(tǒng)接入飛輪儲能裝置吸收電網(wǎng)多余電能；而當機車1 經(jīng)過該區(qū)段時，消耗電能牽引網(wǎng)電壓下降時，立即釋放飛輪中的能量回饋電網(wǎng)，保證電網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定。其他工況下，飛輪則是出于空轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。

由于飛輪儲能裝置的作用，牽引機車受電弓段電壓波動較小，在120V 以內(nèi)，如圖4 所示。在此過程中，由于機車1 處于向電網(wǎng)吸收恒定功率，牽引電動機以恒定轉(zhuǎn)矩進行加速階段，這時機車1 的受電弓電壓變化情況與牽引變電所A 幾乎相同。將飛輪儲能裝置安裝在牽引變電所B 中，當機車2 減速制動時釋放了大量的制動電能，為了讓飛輪能夠穩(wěn)定工作，關(guān)鍵在于合理控制飛輪裝置何時控制電能，以便下一次吸收多余電能，仿真設(shè)定網(wǎng)壓跌落2%時，利用飛輪釋放電能，支撐網(wǎng)壓。設(shè)定牽引變電所B 的母線電壓為1.6KV。如圖5 所示飛輪儲能裝置對比電阻制動方式如圖6，不論是機車受電弓端電壓，還是牽引變電所母線電壓，都能得到快速調(diào)節(jié)穩(wěn)定在1.6KV 左右。飛輪儲能裝置很好地抑制了電壓的波動，有效地限制了電壓上升幅值，使得牽引電網(wǎng)正常工作，效能合理利用分配。

圖4 牽引機車端電壓

圖5 儲能飛輪作用下牽引變電所電壓

圖6 制動電阻作用下牽引變電站母線電壓

5 結(jié)語

通過仿真驗證基于飛輪儲能系統(tǒng)的軌道機車制動能再生利用系統(tǒng)，設(shè)計合理，可以很好地調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)的能量，實現(xiàn)電能二次利用。本設(shè)計以機車牽引網(wǎng)的電壓值為控制目標，通過上述飛輪儲能電機磁鏈定向控制功率的交換方式，可以有效地調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)壓，當制動電能過剩時，通過機械能存儲起來，當牽引網(wǎng)壓電壓過低，負荷過大時，又能釋放電能，支撐電網(wǎng)網(wǎng)壓，形成了一種快速穩(wěn)定的自我調(diào)節(jié)方法。通過軟件仿真驗證該方法的正確性和可行性，提高了地鐵機車設(shè)備的電能利用率，不但為企業(yè)節(jié)省了成本，還響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號召，建設(shè)節(jié)約型社會。