地铁车辆再生制动能量吸收装置设置的分析

潘卫国

摘要：随着国内各城市轨道交通建设的发展，节能减排需求日趋明显，本文从目前国内外轨道交通再生制动能量吸收装置使用情况出发，分析了各类装置的优缺点，着重介绍了逆变至中压型再生制动能量吸收装置，并讨论了成都市地铁10号线一期工程再生制动能量吸收装置设置、经济性等，最后展望逆变至中压型再生制动能量吸收装置在轨道交通行业的应用前景，作为今后轨道交通节能减排的参考。

Abstract：

With the development of urban rail transit construction， the requirements of energy conservation and emission reduction have been increased. In terms of the service conditions for regenerative braking energy absorbing devices at home and abroad， this paper analyses the advantages and shortcomings of different kinds of these devices. It also highlights a type of regenerative braking energy absorption device， which inverting feedback to medium voltage， and discuss the setting and economy of regenerative braking energy absorbing device in Chengdu Metro Line 10. Finally， it looks forward to the application prospects for regenerative braking energy absorption device in the industry of metro rail， the effective energy-saving measures will as a reference for the future rail transit.

關键词：再生制动；逆变至中压型；轨道交通；节能减排

1.概述

轨道交通作为一种大运量、高密度的交通工具，它在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色，其列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等特点。目前轨道交通普遍采用的VVVF动车组列车，其制动一般为电制动（再生制动、电阻制动）和空气制动两级制动，运行中以再生制动和电阻制动为主，空气制动为辅。

传统的列车电阻制动做法是将制动电阻装设在车辆底部，当再生电阻不再起作用时采用空气制动。传统的列车电阻制动产生的大量热量散发在地铁隧道内，在大运量、高密度的运行条件下，使地铁洞体的温升加剧，增加了环控系统的压力。

随着科技的进步和技术的发展，人们在节约能源、减少排放、环境保护方面意识逐渐增强，在全球倡导节能、低碳的今天，城市轨道交通中的再生制动能量回收利用问题得到了全世界轨道交通界的广泛关注。在城市轨道交通系统中，对有效利用城市轨道电动车组再生制动所产生的电能以减少城市轨道交通运营的用电量，同时改善城市轨道交通公共场所的环境以消除对城市环境和人民身体的影响是非常重要的。因此在牵引供电系统中装设电能吸收装置对再生制动所产生的电能进行吸收、储存和再利用是必要的，人们在这方面进行了有益的探索。

2.再生制动能量吸收装置技术发展现状

目前再生制动能量吸收装置类型主要分三大类，即消耗型（主要包括电阻耗能型）、储能型（主要包括电容、电池、飞轮）和回馈型（低压回馈型和中压回馈型）。较常用的有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。其主要工作原理是：当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。几种再生制动能量吸收装置接线方式如下：

2.1电阻耗能型

电阻耗能型再生能量吸收装置主要采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的占空比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。该装置控制简单和直观，可以取消（或减少）列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；能够降低隧道温度、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗和闸瓦制动粉尘、净化隧道环境，国内有比较成熟产品制造，价格较低；判断是否有再生能量需要吸收的判断条件完善，不会引起误判，造成电能的额外消耗。

但是该装置对再生能量不能有效利用；电阻散热导致环境温度上升，设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，需设置相应的通风动力装置，增加相应的投资。

2.2电容储能型

电容储能型再生能量吸收装置主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。

电容储能装置具有储能（储存车辆再生能量）和稳压（稳定牵引网电压）两种工作模式。两种工作模式可以相互切换。该技术有效利用了列车制动时再生能量，节能效益好；直接接在牵引网或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响；该装置为静态电容储能装置，维护和元器件更换较为方便。装置的缺点是目前国内无成功的运行经验，国外产品价格较高；电容发生故障时，装置无法继续正常工作。

2.3飞轮储能型

该产品对变电所直流空载电压、母线电压的跟踪判断，确定是否有列车在再生制动且再生能量不能完全被本车辅助设备和相邻车辆吸收，当判断变电所附近列车有再生能量需要吸收时，飞轮加速转动，储存能量；当判断变电所附近有列车启动牵引用电时，飞轮转速降低，作为发电设備向牵引网反馈电能。该产品除具有电能吸收功能外还具有稳压功能，该技术有效利用了列车制动时再生能量，具有节能效益；直接接在牵引网与回流轨间或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响。但是飞轮毕竟是高速转动机械产品，尽管采用了真空环境和特殊轴类制造技术，但难免担心其使用寿命是否能满足要求，维护维修是否方便。国内外成熟产品极少，投资经济性差。

2.4逆变回馈型

逆变回馈型再生能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上；当再生制动使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。

逆变回馈型装置与其他类型装置相比，其充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好；其能量直接回馈到中压环网或车站AC 0.4kV电网，不需要配置储能元件；对环境温度影响小，在室内安装的情况下采用此方案有较大的优势。

目前逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要有两种类型：逆变+电阻型、逆变至中压网络型，

逆变至中压网络型装置从节能、电能质量、环控投资的角度而言均较逆变+电阻型更优。

2.5 几种再生制动能量吸收装置方案比较

目前在国内地铁上应用的较多的几种方案为电阻耗能型、逆变+电阻型和逆变至中压网络型几种，超级电容和飞轮储能型因技术上不成熟基本上没应用实例，几种再生装置的优缺点如下表所示

从上表可以看出，采用逆变至中压型再生制动能量吸收装置从节能效果、技术成熟度上均有明显的优势，是地铁供电系统节能的发展趋势。

3. 成都市地铁10号线一期工程再生制动能量吸收装置设置

成都市地铁10号线一期线路长 ，全为地下线。共设地下车站6座，平均站间距 ，最大站间距 （华兴站～金花站）；最小站间距 （空港一站～空港二站）。在华兴站附近设置控制中心及主变点所各一处，在金花站设置线上检修库一座。

10号线一期工程采用标准A型车，4M2T，初、近、远期均采用6辆编组，设计最高行车速度 。

初期一个交路，太平园站—空港二站；近、远期开行太平园站—花桥站小交路、全线大交路套跑。

成都轨道交通10号线一期工程供电系统采用集中 两级供电方式；全线共设置华兴主变电所1座、牵引降压混合变电所5座、车站降压变电所1座、区间跟随式变电所2座、线上检修库跟随式变电所1座、控制中心降压变电所1座；轨道交通车辆采用 架空接触网受电方式。

3.1制动能量估算

3.1.1基础条件

车辆型号：A型车

车辆编组：初、近、远期采用6辆编组

最高速度：

旅行速度：初期大站快车 ；站站停列车 ；近远期站站停列车

车辆重量：4M2T AW0下228T、AW2下310T、AW3下340T

制动加速度：

辅助电源容量：

辅助电源功率因素：0.85

齿轮效率：0.975

电机效率：0.93

逆变器效率： 0.98

3.1.2机车特性

机车处于电制动模式时，机车系统控制牵引逆变器提供电制动力，此时牵引电机工作与发电机模式，将制动能量转变为电能回馈给直流接触网，如不能被相邻机车完全吸收，则会造成直流接触网电压升高，可能会影响到牵引系统正常运行。

机车在实际运行时，可以控制电机运转于恒转矩模式、恒功率模式及自然特性模式。各模式下制动力的大小可以根据牵引电机的制动曲线得出。

图3.1-1牵引电机制动示意图

图中从最高速度 实施制动开始到 范围为自然特性， 到 内为恒功率控制， 到制动停止速度内为恒力矩控制。可以看到在恒力矩及恒功率模式下制动力最大且恒定，在自然特性下制动力随速度增加逐渐减小，整个速度下在恒功率状态电制动功率最大。

3.1.3电制动功率

以上述资料为例，在最恶劣情况下，即在坡度处制动时，为保证制动加速度恒定，此时电制动力还需克服坡度重力分量，可得这种工况下最大电制动力（AW3）：

电制动功率：

式中各项符号含义如下：

为列车齿轮、牵引电机及牵引逆变器回馈效率，取三部分效率之积。即 ；

为电制动力；

为列车制动瞬时速度；

为常态消耗，包含机车运行阻力及辅助变流器消耗等，即 。

从列车制动特性来看，在 恒功率特性区间内制动功率最大，可得最大电制动功率为

考虑30‰的坡度影响，车辆的附加阻力为：

此时最大电制动功率为：

从以上计算分析可得知，列车制动时产生很大的回馈能量，这些能量除去被后续车辆吸收外，还残留在供电系统中，造成接触网网压升高，影响供电系统绝缘性能，并造成极大的浪费，从节能和供电系统运行安全的角度出发，设置再生制动能量吸收装置是十分必要的。

3.2再生制动能量吸收装置容量选择

3.2.1线路传输功率

各站点能量被再生制动能量吸收装置吸收的多少，主要取决于线路阻抗，即线路距离。成都市地铁10号线一期工程的线路阻抗为：

接触网电阻为： （刚性）；

走行轨电阻为： 。

因此，可得出线路阻抗为 ，全线路共设6个车站，其中两个为端头站，4个为中间站，各站站间距和线路电阻如下表所示：

再生制动能量吸收装置的吸收阈值可设为 ，考虑气动抱闸阈值 ，确保裕量，设为 ，因此可得出机车制动能量传送的压降为 ，则根据站间距不同能量传送情况如表3.2-2所示。

3.2.2各站点吸收功率

根据上述数据，按初期各区间同时开行一辆列车考虑，各站点吸收功率情况如下：

1）太平园站制动

机车在太平园站制动，太平园站位于10号线一期的起始站，因此制动能量只能往单方向流动，相比机车在中间站制动能量吸收会更严酷，相邻簇锦站距离为 。机车制动时能量为 ，其将被太平园站和簇锦站所设的再生制动能量吸收装置吸收，根据线路电阻，在压降 下，可计算出传输至相邻站簇锦站的最大电流以及最大功率分别为 和 ，假设设置的再生制动能量吸收装置容量为 ，则两站可吸收的最大功率为 ，大于机车制动能量，能够将制动能量全部吸收，如下图3.2-1所示。

图3.2-1 太平园站制动能量走向图

2）簇锦站制动

机车在簇锦站制动，相邻太平园站，距离为 ，另一方向相邻华兴站，相距 。

由于机车在非线路两端制动，其能量将被本站和相邻的其它两站再生制动能量吸收装置吸收。

根據线路电阻，在压降 下，可计算出能量传输至太平园站的最大电流 以及最大功率 ，传输至华兴站的最大电流 以及最大功率 。

机车制动时能量为 ，在簇锦站制动时，能量同时可被簇锦站以及相邻两站的再生制动能量吸收装置吸收，同样考虑再生制动能量吸收装置容量为 ，可吸收总的功率为 ，大于机车制动能量，能够将制动能量全部吸收，如下图3.2-2所示。

图3.2-2簇锦站制动能量走向图

（3）华兴站制动

机车在华兴站制动，相邻簇锦站，距离为 ，另一方向相邻金花站，相距 。

由于机车在非线路两端制动，其能量将被本站和相邻的其它两站再生制动能量吸收装置吸收。

根据线路电阻，在压降 下，可计算出能量传输至簇锦站的最大电流 以及最大功率 ，传输至金花站的最大电流 以及最大功率 。

机车制动时能量为 ，在华兴站制动时，能量同时可被华兴站以及相邻两站的再生制动能量吸收装置吸收，同样考虑再生制动能量吸收装置容量为 ，可吸收总的功率为 ，大于机车制动能量，能够将制动能量全部吸收，如下图3.2-3所示。

图3.2-3华兴站制动能量走向图

（4）金花站制动

机车在金花站制动，相邻华兴站，距离为 ，另一方向相邻空港一站，相距 。

由于机车在非线路两端制动，其能量将被本站和相邻的其它两站再生制动能量吸收装置吸收。

根据线路电阻，在压降 下，可计算出能量传输至华兴站的最大电流 以及最大功率 ，传输至空港一站的最大电流 以及最大功率 。

机车制动时能量为 ，在金花站制动时，能量同时可被金花站以及相邻两站的再生制动能量吸收装置吸收，同样考虑再生制动能量吸收装置容量为 ，可吸收总的功率为 ，大于机车制动能量，能够将制动能量全部吸收，如下图3.2-4所示。

图3.2-4金花站制动能量走向图

（5）空港一站制动

机车在空港一站制动，空港一站虽然是线路中间站，但是相邻空港二站站无再生制动能量吸收装置，因此制动能量只能往单方向流动，相比机车在中间站制动能量吸收会更严酷，相邻金花站距离为 。

根据线路电阻，在压降 下，可计算出能量传输至金花站的最大电流 以及最大功率 。

机车制动时能量为 ，在空港一站制动时，能量同时可被空港一站以及相邻的金花站的再生制动能量吸收装置吸收，同样考虑再生制动能量吸收装置容量为 ，可吸收总的功率为 ，大于机车制动能量，能够将制动能量全部吸收，如下图3.2-5所示。

图3.2-5空港一站制动能量走向图

（6）空港二站制动

机车在空港二站制动，空港二站不但为起始站而且无再生制动能量吸收装置，因此制动能量只能往单方向流动，相比机车在太平园站制动能量吸收会更严酷，相邻空港一站距离为 ，其能量只能被空港一站吸收。

根据线路电阻，在压降 下，可计算出能量传输至空港一站的最大电流 以及最大功率 。

机车制动时能量为 ，在空港二站制动时，能量部分被空港一站的再生制动能量吸收装置吸收，考虑再生制动能量吸收装置容量为 ，可吸收总的功率为 ，空港一站将不能完全吸收列车在空港二站制动时产生的再生能量，此时空港二站的直流电压可达 。因此，机车在空港二站制动时，制动站点的电压会略高于气动抱闸阈值，气动抱闸会轻微启动。如下图3.2-6所示。

图3.2-6空港二站制动能量走向图

各站制动情况下各站再生制动能量吸收装置吸收的制动能量汇总如下：

3.2.3各站点再生制动能量吸收装置容量选择

考虑到投资和近远期列车开行对数，根据以上计算和分析，各站点再生制动能量吸收装置容量选择如下表：

注：目前国内再生制动能量吸收装置均具一定的过载能力。

（1）线路条件的影响

1）平直线路

若轨道交通线路为平直线路段，以上选择容量完全满足。

2）有坡度的线路

考虑坡度影响时尚应增加坡度影响带来的制动力，则制动力为：

由式中可知：除去正常制动力外。列车尚需克服坡度影响所需的制动力为 。则列车制动时反馈的能量需增加 。

考虑到再生制动能量吸收装置具备一定的过载能力，在线路坡度不大的情况下上述选择的容量是能满足要求的，对于坡度较大的情况下，端头站会带有闸瓦制动作为辅助手段。

（2）行车密度的影响

在线路投运的初期，列车密度不是很大，可忽略邻近列车对再生制动能量吸收装置的吸收，认为再生制动能量吸收装置吸收了全部能量。

全线并网后，机车制动能量能被线路上其余机车相互吸收，并且随着发车密度增加，机车间相互吸收作用逐渐增强，因此无需按单车最恶劣制动情况考虑。

从各地地铁公司调研数据来看，线路正式运营后，随着发车密度增加，僅 能量无法被相邻机车吸收。从而得出回馈的再生制动能量为： 。那么以上所选容量完全满足要求。

3.2.4经济性

根据牵引供电计算，每对车从太平园站至空港二站方向行驶产生的再生制动能量被装置吸收的能量约为 ，从空港二站至太平园站方向行驶产生的再生制动能量被装置吸收的能量约为 。按成都市地铁10号线一期工程初近期列车开行对数（初期为运行12小时/天， 5对车/h；近期运行14h/天，12对/h）。按制动时间内装置自身损耗能量20.25 kW/h考虑，初期每年节约电能约146.73万度，节约电费约117.4万元，近期每年节约电能约410.84万度，节约电费约328.67万元（电费按0.8元/度考虑）。按每套装置340万（含辅助设施）的单价考虑，设备成本回收年限约为 年。大约7～8年能收回成本。若取消车载制动电阻（6节4动2拖A型车，车载电阻造价约60万），那么6年左右就能收回成本。

4.结论与展望

随着国内各城市轨道交通建设的大规模推进，轨道交通牵引供电系统的节能减排日益重要，从保障轨道交通安全运行和节能减排的要求出发，结合上述分析，随着技术上的成熟，使用再生制动能量吸收装置无疑是符合国家节能减排政策的。另外回馈至中压型再生制动能量吸收装置除去节电效果外，在闲暇时段还能实现SVG功能，并能对钢轨电位起到降低的功效。因此在轨道交通牵引供电系统设置再生制动能量吸收装置有着明显的节能减排的效能和发展前景。

参考文献

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3. 2105中国城市轨道交通高层论坛·分论坛二-“创新·节能”与城市轨道交通发展技术交流资料；2015年6月