再生制动能量回馈装置在地铁中的研究及应用

杜金辉

【摘 要】再生制动能量回馈装置是实现地铁供电系统节能、低碳的重要技术创新，回馈装置在实现地铁车辆能量回馈的同时，也向供电系统提供无功功率补偿。本文针对再生制动能量回馈方式的各种不同类型进行了分析，并提出继电保护装置、供电系统电压在回馈装置运行过程中所产生的不利因素的解决方案。

【关键词】再生制动能量回馈装置；并网方式；分类和应用

城市轨道交通相对于其他交通方式而言，具有安全、舒适、快速、运量大和节能环保等特点，但是伴随路网规模的扩大和客运量的剧增，城市轨道交通能源消耗总量也大幅增长，尤其是牵引供电所消耗的能源占到总消耗量的30%-40%。在国家节能减排政策的推动下，如何提高供电系统电能利用效率、降低供电总能耗成为研究的热点。

1 能量回馈装置的分类和应用

由于轨道交通站距短，车辆频繁起停，车辆制动时有大量的动能以再生制动方式转换为电能返送到直流接触网上，为了充分利用这部分制动能量，国内外提出了许多再生制动能量利用方案，大致分为三类：

1.1 能耗型

能耗型再生制动能量利用装置采用DC/DC斩波器和能耗电阻，将不能被相邻车辆吸收利用的多余制动能量消耗到电阻上，从而维持直流电压的稳定。

1.2 逆变回馈型

逆变回馈型采用DC/AC逆变器和隔离变压器将车辆制动产生的直流电能转换为交流电能，馈入交流电网达到再次利用的目的。逆变回馈型再生制动能量利用装置能够最大程度实现车辆制动能量的再利用，可作为无功补偿设备和牵引整流器来使用，提高设备的利用效率。

1.3 储能型

储能型再生制动能量利用装置采用双向DC/DC变流器和超级电容（或者飞轮）将车辆制动时的能量存储起来，待车辆牵引时释放出来。根据储能介质不同可分为超级电容储能型和飞轮储能型，飞轮储能型技术难度大、功率小、成本高。超级电容储能型再生制动能量利用装置仅与直流系统相连，不存在电能倒送问题，得到了国内外广泛研究和应用。

2 并网方式对能量回馈的影响和分析

目前，国内外对于DC1500/DC750V制式地铁供电系统，根据逆变回馈系统并网电压等级不同，可分为中压并网（35kV/10 kV）和低压并网（400V）两种方案。

2.1 独立回路中压并网（35kV/10 kV）

独立回路中压并网整套系统包括回馈变流器、隔离变压器和开关柜。地铁制动时供电系统直流母线上的制动能量经过回馈变压器、隔离变压器转换为交流电馈入AC35 kV/10 kV电网，达到节能目的。这种方式适用于中压采用集中供电方式的地铁线路，由于集中供电方式中压网络的容量大，有能力消耗掉回馈产生的瞬时功率，容易解决电能倒送的问题。回馈能量的冲击不会对中压电网造成重大影响，还可以使这部分能量在自己的中压网络中重新优化分布使用，这种并网方式可以最大程度的回馈机车制动能量。

2.2 共用整流变压器并网（1180V/590V）

共用整流变压器并网方案采用地铁制动能量经回馈变流器、隔离变压器转换为AC1.18 kV/0.59 kV，再通过整流变压器将制动能量回馈至中压网络。该方案将制动能量直接回馈至整流变压器1180V侧，间接回馈至35kV电网。这种方式也适用于中压采用集中供电方式的地铁线路。该方式中回馈系统与牵引系统共用整流变压器，由于整流变压器支持一侧低压绕组和高压绕组单独运行，且过载能力达300%/1min，因此这种方案也可以较大程度的回馈制动能量，并且无需采用昂贵的中压变压器及中压开关柜，投资成本低。

2.3 低压并网（400V）

低压并网方案通过回馈变流器和变压器的转换，将制动能量回馈至400V低压配电系统，供车站动力与照明系统使用，剩余能量通过400V配电变压器回馈至中压电网。该方案可在一定范围内利用制动回馈能量，且回馈电压等级低，变压器和开关柜实现相对简单，成本低。但400V低压配电网容量远小于回馈能量的尖峰潮流，这将抬高低压系统电压至非正常值，甚至使得低压系统停止工作。因此在低压系统电压被抬高到一定程度后，就必须启动地面电阻消耗多余能量。

3 再生制动能量回馈装置在地铁中的应用

3.1 工作原理及工作过程

为了尽量减少再生能馈装置对既有线路运行的影响，将车辆再生制动电能的回馈通路与既有牵引变电所整流通路分离，再生能馈装置交流侧通过中压开关柜接入轨道交通供电系统的中压交流供电网络，直流侧通过直流开关柜连接直流牵引网正极、通过能馈直流柜连接直流牵引网负极。

在列车正常发车起动及运行时，再生能馈装置不工作，二极管整流机组工作，向直流牵引电网馈能，给车辆提供牵引电能，此时电能转化为车辆的动能。当车辆采用电制动时，列车的动能转化为电能，回馈到直流牵引电网，这些能量将引起直流电网电压升高。再生制动电能利用系统检测到直流网压升高到设定值，确定列车处于制动状态时，回馈功能开始启动，将这部分制动能量回馈到中压交流电网中，此过程中二极管整流机组反向截止，停止工作。当制动能量回馈完毕，直流网压降到设定值时，再生制动电能利用系统停止回馈功能转入待机态，等待执行下一次回馈任务。

3.2 能量回馈系统不影响继电保护装置的实施方案

装置设置单独的回馈通路，与既有牵引变电所内的整流通路分离，回馈通路的继电保护基本独立于其他供电系统，设备正常运行时，依靠封锁脉冲、自身内部断路器、能量回馈支路上中压开关柜及直流开关柜实现能量回馈支路的保护，不影响其他继保装置的工作；当再生能馈装置故障时，通过装置自身输出分闸信号，依据故障级别分断中压能馈支路或直流开关柜，从而切除能量回馈支路，在此过程中不联跳其他中压开关和直流开关、也不影响其他继保工作；当再生能馈装置对应开关柜分断或母线失压时，装置采用同步信号检测、判断母线侧频率、幅值变化，能够在200ms内响应故障，并封锁脉冲，退出运行，不影响母联备自投（国标在2s内）及其他继保装置的正常工作。装置在投入时间的涌流变化率因直流侧限流电抗器及控制器中的di/dt控制，不大于正常机车启动时的电流变化率。

3.3 能量回馈系统不影响供电系统电压升高的实施方

针对直流母线系统，再生能馈装置在正常运营时，采用电压外环控制，可在装置功率范围内稳定直流母线电压，不会引起直流母线电压升高。电压外环作为控制外环，通过测量逆变器实际输出的直流电压，与设定的稳定电压值比较，进行闭环控制，并给出电流内环的有功电流给定值，使得整套装置能够按照设定的稳压值进行输出，在额定功率范围内，达到稳定直流母线电压的目的。装置在直流侧设置较大的支撑电容，能够稳定直流输出电压，并设置有直流侧过压保护的硬件电路及软件保护，在自身产生过压时，能快速断开直流侧的快速断路器，不会引起供电系统电压升高，不会影响车辆正常运行及系统正常工作。

4 结语

目前国内外均已开展了地铁再生制动能量回馈吸收装置的研究，并且已经将该技术和产品应用到了实际工况。随着国内对地铁节能、环保要求，以及回馈装置产品的逐步应用，地铁能量回馈技术以及其带来的经济效益和作用效果必将逐步得到验证和显现。

【参考文献】

[1]GB/T10411-2005 城市轨道交通直流牵引供电系统[S].

[2]何瑞金.飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究[J].2004.

[3]夏景辉，郑宁，左广杰.地铁车辆逆变型再生制动能量回馈方案与装置的研究[J].城市轨道交通研究，2013.

[责任编辑：田吉捷]