再生制动能量吸收装置配置方案对比分析

陈苏南++李鹏

摘 要：本文分析了目前国际和国内轨道交通领域主要的再生制动设置方案，并将各种配置方案进行了全方面对比分析。

关键词：再生制动；IGBT；电容储能；逆变回馈；电阻能耗

中图分类号：U231 文献标识码：A

地铁系统设备及机电设备中，车辆牵引用电占地铁用电总负荷的一半左右，因此列车再生制动是地铁节能工作的重要研究和发展方向之一。城市轨道交通系统的制动能量可达到牵引能量的1/3～1/2，再生制动的能量部分可以被相邻车辆和本车辅助设备吸收，不能被吸收的则被转换为车载电阻消耗或空气制动机械消耗，然而目前有多种再生制动技术同时发展，到底哪一种是未来列车再生制动发展的主要方向是本文的主要研究内容。

1.再生制动的原理及类型

再生制动能量吸收装置的主要工作原理是，当制动工况下的列车组生成的制动能量被相邻车辆和用电设备消化不了时，接触轨电压将很快上升，电压上升到一定程度后，变电所中设置的再生制动装置进入工作状态，多余的电能被消耗，使车辆制动。为了能够充分利用制动电能，世界各主要轨道交通发达国家，都在不断研究制动能量的回收利用模式，主要包括以下几种形式：电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型（包括逆变至中压和逆变至低压）等多种方式。

1.1电阻耗能型

电阻能耗再生制动吸收装置，是把制动电阻从车辆上移至地面，主要由IGBT进行控制，将产生的制动能量在电阻上以热能的形式进行消耗。装置主要由隔离开关柜、制动控制柜和制动电阻柜组成，通过直流开关柜挂接在牵引变电所直流母线上。

该类型装置国内技术已比较成熟，在国内地铁线路中应用较多

1.2电容储能型

电容储能型利用IGBT逆变器把列车的再生制动能量收集到大容量电容器组中，当有列车起动、加速需要引流时，该装置将电能释放，进行回收再利用。系统组成主要由IGBT充电器、储能电容器和控制器构成，电容器通过充电器挂接在牵引变电所直流母线上。

目前该产品主要是德国西门子、欧洲的法兰克福和马德里轨道交通中有应用，青岛地铁3号线、2号线设置了3套超级电容，主要设在牵引供电区间较长和坡度较大区间的牵引变电所内。

1.3飞轮储能型

飞轮储能型再生电能吸收装置，针对变电所直流空载电压和母线电压进行跟踪判断，判断再生能量能否被邻车和辅助设备吸收。当判断邻车有再生能量要吸收时，飞轮快速转动，将能量进行储存；当判断邻车启动牵引用电时，飞轮降低速度，将电能反馈至牵引网。该设备同时具有稳压和电能储存功能。主要构成设备：IGBT变流器、旋转电机和控制器。

1.4逆变回馈型

逆变回馈型再生电能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。

根据回馈路径和电压等级的不同，逆变回馈型方式又分为低压逆变型（0.4kV）和中压逆变型（10kV和35kV）两类。

1.4.1低压逆变型

低压逆变型再生电能吸收装置逆变后的电能仅用于本车站的低压设备，制动能量不能被完全吸收，因此往往采用逆变+电阻混合型。主电路由隔离开关、接触器、滤波器、IGBT电阻吸收装置、IGBT逆变回馈装置、隔离变压器、传感器，控制电源、微机控制系统等构成。

该类型装置目前国内重庆地铁1号线、6号线，成都地铁7号线、11号线均采用逆变+电阻型装置。

1.4.2中压逆变型

中压逆变型再生能量吸收装置，将直流侧的机车制动电能转化为交流侧电能送回中压交流电网中。利用了35kV系统较大的供电系统负荷容量为支撑，提高列车再生制动能量的利用率，节能效果好。装置的系统构成主要包括能馈变压器、变流器柜、直流柜等。

目前国内该类型装置应用处于初始阶段，在2011年3月，该类型装置于广州地铁四号线新造车辆段进行了对系统影响测试、功能验证等实验。同时在2012年底北京地铁10号线二期和14号线各选取了两座牵引变电所进行示范性应用，节能效果优良。

2.再生制动能量吸收的优缺点分析

2.1电阻能耗型

优点：控制简化且直接，取消列车电阻制动配置，投资较之前减少，列车动力性能得到提高；隧道温度得到降低、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗和闸瓦制动粉尘、改善隧道环境，目前国内产品制造较成熟，价格低。

缺点：电能转化为热能集中在制动电阻上，再生能量以熱量的形式被消耗；环境温度上升，由于发热较高，需放置于地面，涉及与地方规划部门的协调征地问题。声音刺耳，易引起周围居民投诉。从技术发展角度，电阻耗能型电能吸收装置不是再生能量制动的发展方向之一。

2.2飞轮储能型

优点：该装置有效利用列车制动的再生能量，节能效益好；装置接在中压网与回流轨间也可以接在牵引变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，不影响交流系统；能够稳定接触网电压。

缺点：飞轮毕竟是高速转动机械产品，技术要求较高，厂家约定使用时间可达20年，但尚没有工程应用的先例，目前尚不明确寿命是否能满足要求，人员维护和维修是否方便。对于运量较大的地铁线路，目前的产品单体容量较小，不能满足完全吸收列车再生能量的需要；若采用几套装置并联工作的形式使容量满足要求，设备价格将成倍增加。

2.3电容储能型

优点：可减小或取消列车制动电阻，高效利用列车制动时再生能量，节能效果好；再生能量只在直流系统内进行转换，不会影响交流系统；稳定接触网电压；维护简单和元器件更换方便。

缺点：采用电容作为存储介质，一直存在寿命短的质疑；容量小、造价高。

2.4逆变回馈型

优点：部分利用了列车再生制动能量，具有一定的节能作用；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。

缺点：技术上属于电阻耗能型和全逆变型的过渡产品；受限于低压侧负荷容量，再生电能得不到充分利用；将电能逆变至低压侧，系统容量小，供电质量易受影响。

结语

经比较，电阻耗能型吸收装置，再生制动电能不能被利用，不代表技术发展方向，不推荐使用；电容储能型吸收装置现阶段国内应用及运营维护经验不足，且电容容量小，费用高；飞轮储能型吸收装置国内单体容量较小，费用高，无工程应用；低压逆变型回馈方式属于电阻耗能型与中压逆变型中间的过渡型产品，不能将再生电能充分利用，需要加装电阻消耗，也不推荐使用；中压逆变型节能效果好，技术成熟，应用较为广泛。

参考文献

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