新型轨道交通再生制动能量吸收装置研究

喻奇

新型轨道交通再生制动能量吸收装置研究

喻奇

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉//高级工程师）

城市轨道交通具有站间距离短、车辆运行密度高等特点，列车在频繁的起动与制动过程中会产生数量可观的制动能量。目前再生制动能量回收较多采用电阻吸收或逆变回馈加电阻的形式，能量回收率和利用率都较低。根据逆变回馈和电容储能的特点，组成逆变+储能的新型再生制动能量吸收装置：直流母线制动电能通过逆变器接入400 V车站低压配电系统，超级电容通过DC/DC双向变换器并联在直流母线上，较平稳的制动功率直接经逆变器给车站负荷供电，较大的尖峰功率由超级电容吸收，再供负荷或车辆起动加速用。根据列车的制动特性，以某地铁线路实际数据为例,计算了列车实际的制动功率和能量，给出了逆变器和储能的功率及容量配置方案。所提方案能够完全吸收利用再生制动能量，且所需储能容量较小。

城市轨道交通；再生制动；能量吸收装置

Author′s addressChina Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

城市轨道交通（以下简为“城轨”）具有站间距离短、行车密度高、列车起动制动频繁等特点，列车在整个运行过程中会产生数量可观的制动能量。当列车发生再生制动时，产生的制动能量通过牵引电机转换为电能，其中很小的一部分用于自身动力照明负荷的供能，大部分返送回牵引网。传统牵引供电系统使用二极管不可控整流，能量只能单向流动，再生制动时二极管反向阻断，若此时同线路上另有其它列车正处于牵引状况，吸收了制动能量，则列车能稳定地再生制动；如果该时刻线路上无其它牵引列车或牵引列车不足以全部吸收再生能量，再生能量将向直流电网充电，导致牵引网电压升高，影响供电系统安全运行。目前我国城轨列车大多采用车载电阻方式吸收这部分再生制动能量，然而，车载电阻方式带来的车体质量增加、隧道温度升高等问题日见突出，其不仅不能有效利用回收能量，反而使地下段车站和区间的环控负荷增加。

据统计，城市轨道交通制动能量可达到牵引能量的20%～40%以上。中国快速的城市化进程，使城轨系统的节能降耗空间十分巨大，而节能降耗的政策及技术升级的要求使各地铁公司对于将车辆制动能量反馈利用的需求更加迫切。因此，研究合适的能量吸收方式，解决再生制动能量的回收和利用问题，对推动城轨列车制动能量的回收进入商业化推广应用具有实际意义。

1 再生制动能量吸收装置发展现状

目前，国内外采用的技术较为成熟的列车再生制动能量吸收装置方案主要包括电阻耗能型、器件储能型、逆变回馈型和逆变+电阻混合型等4种方式。当处于再生制动工况的列车产生的制动电能不能完全被其它列车和本车的用电设备吸收时，牵引变电所中设置的再生制动能量吸收装置立即投入工作，吸收掉多余的再生电能，使列车再生电流持续稳定，以最大限度地发挥电制动性能。

1.1电阻耗能型

制动电阻吸收装置采用多相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导通比，从而改变吸收功率，将直流电压保持在某一设定范围，使制动能量消耗在吸收电阻上。常规车载制动电阻采用“制动电阻+制动斩波器”的方式，分散安装在各动车内。再生制动时，若转化的电能未被其他运行列车吸收，则导致牵引网电压升高，当网压升至上限时，牵引系统启动制动斩波器，将过量电能消耗在车载制动电阻上。

电阻耗能型吸收装置的优点为：控制简单和直观；一次性投资较小。缺点为：再生制动能量消耗在吸收电阻上，并未真正实现电能的再利用，而仅仅是热能的集中处理；电阻散热导致环境温度上升，因此该装置一般设置在地面，需占一定的用地；若其设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，且房间内为保证有足够的通风量，需要相应的通风动力装置，也增加了相应的电能消耗。

1.2器件储能型

器件储能型再生制动能量吸收装置主要采用大容量储能装置将列车再生制动能量吸收储存起来，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。其主要有静态储能装置（如电容储能）和动态储能装置（如飞轮储能）两种。动态储能装置结构过于复杂，且维护难度大、成本高，较少采用。电容储能型目前采用的较多，其电气系统主要包括储能电容器组、斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等。

电容储能型能量吸收装置的优点为：充放电速度快；瞬时功率大；维护成本低；使用寿命长；当牵引网电压较低时，装置也可投入稳压工作状态，从而提高牵引网供电质量。缺点为：储能较小，不能完全吸收存储制动能量；发热量较大，宜采用独立安装空间和安装环控通风系统。

1.3逆变回馈型

逆变回馈型再生制动能量吸收装置有中压逆变回馈型和低压逆变回馈型两种。

中压逆变回馈型：直接采用四象限运行的PWM（脉宽调制）牵引整流逆变装置，将可控整流和可控逆变结合在一起，能量可双向流动。列车起动加速时，装置工作在整流状态，将交流电转换成直流电给列车供电；列车再生制动时，装置工作在逆变状态，将直流电转换成交流电，通过牵引变压器回馈至35 kV中压环网。该方式不需要额外增加其他装置，体积小、占地面积小；电能反送到电网，再利用效率高；对环境没有污染；价格较低，性价比高。其缺点为：工作在调制状态，产生一定的谐波；由于兼顾了列车的牵引用电，一旦设备故障，将影响列车的正常运行。

低压逆变回馈型：在已采用不可控整流供电的线路上，在车站牵引母线上并联逆变装置，将制动电能逆变成交流电回馈至低压400 V配电系统。能量回馈至低压配电系统时，回馈距离短，且低压配电设备多为耗能设备，能量可及时利用，同时逆变装置可辅助谐波抑制和无功补偿，因此该回馈方式具有一定的优势。但是，由于单个车站内用电负荷较小，站用变压器容量通常小于1 MW，当列车初始制动功率较大时，将产生较大的功率冲击，列车的初始制动功率可能会超出变压器额定容量，给低压配电系统的安全运行带来隐患。

1.4逆变+电阻混合型

逆变+电阻混合型再生制动能量吸收装置由逆变装置和电阻吸收装置组成。当再生制动使直流电压超过规定值时，首先逆变到车站400 V低压配电系统，由车站动力、照明设备吸收；当吸收功率不够时，投入电阻，多余的能量由电阻吸收。

该装置综合了逆变和电阻的优点，且逆变到低压400 V配电系统可在一定程度上避免对系统的谐波影响。但车站400 V低压负荷功率较少，只需一小部分制动能量就能满足供电需求，当制动功率很大时，直流母线电压仍会被抬高，有较大一部分能量需要消耗在吸收电阻上，能量没有得到有效利用。此外，电阻的发热、占地、通风等问题仍然存在。

2 新型再生制动能量吸收装置

2.1系统方案

考虑车辆特性、国家节能减排政策，以及目前各种再生制动能量吸收装置的应用情况和技术发展方向，采用逆变（400 V）+储能混合式的能量吸收装置。装置组成结构如图1所示。牵引直流母线上并联DC/AC逆变器，经隔离变压器接入车站400 V低压配电系统；超级电容储能装置经双向DC/DC变换器并联在直流侧。该装置中逆变能量回馈至低压配电系统的回馈距离短，能量可及时利用；同时DC/ DC双向变换器具备能量双向流动功能，在列车制动时给超级电容充电，利用超级电容储能装置吸收短时冲击功率，在需要时让超级电容放电，将储存的能量释放出来。此外，它还可辅助谐波抑制和无功补偿，改善供电系统电能质量。

图1 逆变+储能混合式能量吸收装置

方案中，DC/AC逆变器采用恒压限流控制方式，双向DC/DC变换器采用恒压控制方式。当列车再生制动使直流电压超过规定值时，首先逆变到车站400 V低压配电系统，由车站动力、照明设备吸收；当制动能量较大、吸收功率不够时，逆变器电流超过限值，无法维持直流母线电压稳定，则双向DC/ DC变换器通过恒压控制给电容充电。列车制动完成后，超级电容储存的能量既可通过逆变器输出供给车站负荷用，也可在列车起动或加速时为其提供能量。

逆变+储能混合型吸收装置安装在牵引变电所内。该装置结合了器件储能和逆变回馈的优点，一部分稳定的功率通过逆变直接回馈，使其比单独采用器件储能所需的储能容量小，既可解决超级电容不能大容量储能的局限，又充分利用其充放电速度快、吸收尖峰脉冲功率的优点，解决逆变回馈的冲击功率及谐波问题。

2.2列车制动能量计算

定义列车运行的4种工况：空载（AW 0），座位载客（AW 1），额定载客（AW 2），超员载客（AW 3）。

常规的列车制动包括电制动和空气制动。列车电制动由再生制动和电阻制动组成，以再生制动优先；再生制动能平滑地转到电阻制动。电粘着力允许情况下，电制动转换采用下列控制策略：

（1）电制动与空气制动协调配合，以电制动优先；当不能实现电制动时，所需总制动力必须由空气制动来提供。电制动与空气制动起始转换点速度为5 km/h。

（2）电制动能在AW 2负载下在5～90 km/h之间（大于90 km/h时，空气制动补充）单独满足全常用制动的要求。

（3）在网压上升到约DC 1 800 V，电网不能再接受多余的能量时，再生制动能平滑过渡到电阻制动。

（4）列车在最高速度（AW 3载荷）行驶时，全部电制动加补偿的机械制动能够达到所需的最大减速度。

列车制动特性曲线一般设计为两个特性区域，如图2所示。图2中，f为制动力，fc为列车恒制动力，P为制动功率；AB段为列车初始制动区，制动力不断增大，速度区间为v1-v2；BC段为恒转矩区，制动力趋于恒定，速度区间为v2-v3，C0段为空气制动代替电制动。

图2 列车制动特性曲线

列车制动能量计算过程如下：根据列车在AW 2时的质量及制动速度变化，计算列车制动能量及功率，再以城轨列车制动特性曲线为依据计算再生制动电流的大小，从而推导出逆变器和储能器件的功率和容量。

根据能量方程式，列车在整个制动过程中产生的制动能量为：

式中：

m——列车质量；

v1——列车制动初始速度。

列车总制动能量一部分为电制动，一部分为空气阻力制动，故：

式中：

P电——列车的电制动功率；

P气——空气阻力制动功率；

t——列车总制动时间。

又知：

式中：

P——制动功率；

f——制动力；

v——列车行驶速度；

a——制动加速度。

将式（3）、（4）代入式（2）可得：

式中：

f电——列车的电制动力；

f气——空气阻力；

a1——电制动过程的制动加速度；

a2——空气阻力制动过程的制动加速度。

在电制动过程中，电制动功率又为：

式中：

I——制动反馈电流；

U——制动电压。

2.3逆变器和储能配置

依据上述公式计算出列车的电制动功率和能量，即可配置逆变器和储能装置。DC/AC逆变器的额定功率按不超过站用变压器容量配置。DC/DC储能变换器的额定功率按最大制动电功率减去逆变功率配置，并考虑能量损耗及储能充电效率。即：

式中：

PDC/DC，N——储能变换器额定功率；

PDC/AC,N——逆变器额定功率；

η1——制动电能扣除损耗后的转换效率；

η2——储能变换器的转换效率。

为保证向低压系统反馈的功率平稳，DC/AC逆变器的逆变控制限制在定值，尖峰功率由储能变换器吸收，超过该定值的由储能变换器吸收，协调控制策略如下：

2.4逆变器和储能装置方案

2.4.1 DC/AC逆变器

DC/AC逆变器采用三相电压源性逆变器，如图3所示。直流侧接牵引直流母线，交流侧经隔离变压器接400 V站内母线。系统根据交、直流电压的变化（如直流母线电压高于1 680 V（动作值可设定）），并经直流侧电流的极性进行综合判断，确定在线列车已处于再生制动状况后，投入逆变回馈型装置。随后，根据电网再生反馈电流的大小，自动调节逆变回馈型装置通过电流，实现电网电压稳定。逆变回馈型装置将列车再生电能通过隔离变压器回馈到0.4 kV电网，当再生电能被吸收，电压回到设定的整定电压值以下，或当列车由再生制动转为其它工况运行时，经系统判断，逆变回馈型装置将停止电能回馈。

式中：

PDC/AC——逆变器实时功率参考值；

PDC/DC——储能变换器实时功率参考值。

依据储能变换器实时功率参考值，即可积分计算储能变换器所需容量：

2.4.2 双向DC/DC变换器

DC/DC变换器采用半桥型Boost/Buck电路，具备升降压双向变换功能，其等效电路如图4所示。图中，L为斩波电感，C1为直流母线电容，C2为储能侧滤波电容，S1、S2为储能系统的升降压斩波IGBT（绝缘栅双极晶体管），D1、D2为续流二极管，UC为储能本体电压，Ud为直流母线电压。

图4 双向DC/DC变换器等效电路

当列车制动时，储能系统吸收回馈到直流母线的能量，防止母线电压上升，此时DC/DC变换器工作在Buck降压模式，S1和D2构成降压电路。当S1导通时，由直流母线向储能装置充电，电感电流按指数曲线上升；当S1关断时，电感L中电流通过D2续流，电感电流呈指数曲线下降。为了使电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。

当列车起动和加速时，需要较大功率，储能系统放电提供功率支撑，防止母线电压下降，此时DC/ DC变换器工作在Boost升压模式，S2和D1构成升压电路。当S2处于导通状态时，储能装置向L放电，同时C1上的电压向直流母线供电，因其电容值很大，可基本保持母线电压为恒值；当S2处于关断状态时，储能装置和L共同向C1放电，以维持母线电压恒定。

3 计算实例

以南京某地铁线路及列车参数为例进行计算。列车为4动2拖6节编组，每节动车上有4个牵引电机。列车在AW 3、AW 2、AW 0情况下的总质量分别为326 t、290 t和202 t，转动惯量为29 t。列车再生制动曲线如图5～7所示。

列车常规制动时速度一般从80 km/h降到0，以AW 2为例，由式（1）计算出列车的总制动能量为19.89 kWh。

图5 AW 2/AW 3情况下列车电制动特性曲线

图7 制动工况下AW 2/AW 3时的速度-电流曲线

由图5可知，列车速度为80 km/h时，整车的制动力约为320 kN，则由式（3）可得整车制动功率P总=7.1MW。

由图6可知，列车速度为80 km/h时，单个牵引电机的功率约为350 kW，则列车的电制动功率P电= P单·n=350 kW×16=5.6MW。由图7可知，列车速度为80 km/h时，列车制动反馈电流约为3 100 A，电压为1 800 V，则由式（6）可得列车的电制动功率P电=I·U=3 100 A×1 800 V≈5.58MW。可见两种方法求出的电制动功率基本相同。

列车从80km/h制动到0的平均加速度a= f/m=320 kN/290 t≈1.1m/s2，则由式（5）可得列车的电制动能量为15.65 kWh。由此可得列车电制动能量占总制动能量的比为姿=79%。可见，电制动能量所占比例非常大，若都采用电阻消耗，将造成很大的能量浪费。

根据计算的电制动功率，结合400 V站用变压器容量，配置DC/AC逆变器额定功率为1MW。由图7可求得速度为70 km/h时最大电制动功率P电，max= 3 300 A×1 800 V=5.94MW。

取η1=0.85，η2=0.95，由式（7）可得变换器额定功率PDC/DC，N=（5.94MW-1MW）×0.85×0.95= 3.99MW，所以取储能变换器额定功率为4MW。

由式（4），列车的总制动时间t≈20.2 s。

根据控制策略，在全制动过程中优先进行逆变。设全程以最大功率逆变，可求得逆变回馈的能量为：EDC/AC=1MW×20.2 s≈5.6 kWh，因此储能容量配置为：E=E电-EDC/AC≈10 kWh=4MW×10 s。

4 结语

本文通过分析城轨列车再生制动能量吸收装置的现状及各种装置的优缺点，结合再生制动的特点，提出了逆变+储能的新型再生制动能量吸收装置及配置方法，并以南京某地铁线路实际数据为例进行了计算。采用逆变+储能混合型再生制动能量吸收装置，直流母线制动电能通过逆变器接入400 V车站低压配电系统，超级电容通过DC/DC双向变换器并联在直流母线上，较平稳的制动功率直接经逆变器给车站负荷供电，较大的尖峰功率由超级电容吸收，再供负荷或车辆起动加速用。该装置有如下优点：

（1）可完全吸收利用列车制动过程中的能量，并利用储能提供备用电源，提高能量的回收利用率；

（2）不需要消耗电阻，减少辅助能量消耗单元的设计成本；

（3）在储能技术日益成熟和成本下降的趋势下，其为城轨再生制动能量回收利用提供了新型解决方案，并具有实用化前景。

本文注重提供一种解决方案和计算方法，计算案例的功率和容量为根据一列列车制动曲线求出的理想数据。实际过程中列车的制动能量有可能被相邻牵引状态的列车吸收，所需配置的功率和容量会更小，应根据列车运行规律及一段周期内的平均数据进行计算，这是下一步要研究的内容。

［1］杨俭，李发扬，宋瑞刚，等.城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展［J］.铁道学报，2011，33（2）：26-32.

［2］陈勇，罗锐鑫.城市轨道交通再生制动能量吸收方式的研究［J］.城市轨道交通研究，2012（8）：157-159.

［3］高喆，袁登科，项安，等.基于车载超级电容的地铁列车节能策略研究［J］.城市轨道交通研究，2013（11）：75-79.

［4］许爱国，谢少军，姚远，等.基于超级电容的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统［J］.电工技术学报，2010，25（3）：117-122.

［5］黄小红.城市轨道交通车辆再生制动能量回馈系统PWM整流器容量计算方法［J］.城市轨道交通研究，2014（1）：83-85.

［6］李娜，杨俭，方宇，等.城市轨道交通车辆制动能量回收系统的储能装置与辅助电源控制研究［J］.城市轨道交通研究，2011（2）：64-66.

［7］聂晶鑫，郭育华，夏猛.超级电容储能装置在城市轨道交通中的应用［J］.电气化铁道，2011（2）：48-50.

［8］胡婧娴,林仕立,宋文吉，等.城市轨道交通储能系统及其应用进展［J］.储能科学与技术，2014，3（2）：603-611.

［9 ］方汉学，胡桂苓.再生制动能量吸收逆变系统设计及应用［J］.城市轨道交通研究，2015（2）：62-65.

Research on the Regenerative Braking Energy Absorption Device for New Urban Rail Transit

YU Qi

Urban rail transit produces considerable braking energy in the processof frequent starting and braking due to short station distance and high running density.Currently，resistance or inverter feedback w ith resistance is themain way to recycle the breaking energy，butshows low rate of energy recovery and utilization.In this paper，according to the characteristics of the inverter feedback and capacitor energy storage，a new type of regenerative braking absorption device is composed w ith inverter and energy storage，in which the DC bus braking energy is connected to 400 V low voltage power distribution system through the inverter，the super capacitor is in parallel to the DC bus through bi-directional DC/DC converter，thus directly supplies relatively smooth braking power to the station load by the inverter power，while the large peak power is absorbed by the super capacitor，and used again for load or vehicle starting and accelerating.Based on the characteristics of the braking of the train，the data of an actual subway line are taken as the example to calculate the actual braking power and energy，the power and energy storage capacity of inverter scheme is given.The proposed scheme can fully absorb the regenerative braking energy,while the required storage capacity is smaller.

urban rail transit；regenerative braking；energy absorption device

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.07.004

2015-08-03）