城轨车辆再生制动超级电容储能与并网回馈技术研究

李华柏 李建忠 胡扬

摘 要：城轨车辆由于站间运行距离短，需要采取频繁的电气制动，产生大量制动能量。为了有效吸收城轨车辆电气制动产生的能量，本文在综合比较几种制动能量回收方案的基础上，采用超级电容器组吸收与并网逆变器将制动能量回馈电网的方案，以实现能量的再利用，同时保持牵引网电压的稳定。

关键词：城轨车辆;再生制动;超级电容器;并网逆变器

中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0124-03

Abstract： Due to the short running distance between station and station， urban rail vehicles need take frequent electric braking， and produce a large amount of braking energy. In order to effectively absorb the energy generated by electric braking of urban rail vehicles， based on the comprehensive comparison of several braking energy recovery schemes， this paper used supercapacitor banks to absorb and grid-connected inverters to feed the braking energy back to the power grid， in order to achieve energy reuse， while maintaining the stability of the traction network voltage.

Keywords： urban rail vehicles;regenerative braking;super capacitor;grid-connected inverter

1 制动能量并网回馈型吸收方案结构

城市轨道交通车辆由于站间运行距离较短，启动与停止频繁，因此采用电气制动为主、机械制动为辅的联合制动方式。

根据[E=12mv2]可知，城轨列车制动时，会在短时期内将机械能转化为电能，从而产生巨大的制动能量。

电气制动产生的能量吸收方案主要有储能型、逆变回馈型、电阻能耗型等。对比分析几种能量吸收方案的优缺点，结合城轨列车制动频繁且制动能量大的特点，本文提出一种制动能量混合利用方案，采用超级电容器组储能系统与并网逆变器回馈制动能量给电网相结合的方案，确保高效吸收制动能量，同时保持直流牵引网电压稳定。系统结构图如图1所示。图1中，C1为滤波电容，C2为超级电容器组，L1、L2和L3为滤波器，T1与T2为开关器件IGBT[1，2]。

R1为电容的预充电电阻，防止电路接通瞬间电容C1的充电电流过大而损坏电容，电容充电至接近额定电压后，交流接触器KM主触点闭合，短接R1。C1一般采用多组电容串联而成，R2为各串联电容组两端并联的均压电阻，实现串联电容组的电压均衡。

2 牵引电机制动模式的实现

牵引电机的转速为：

转差率是感应电机中一个很重要的参数，决定了感应电机工作在电动工况还是发电工况，通过改变其转差率的极性可以实现牵引工况/制动工况的转换。

①当[s]>0时，感应电机工作于电动机模式，转子转速会低于磁场转速，牵引逆变器工作于牵引工况。

②当[s]<0时，感应电机工作于发电机模式，转子转速会高于磁场转速，牵引逆变器工作于再生制动工况。

在城轨列车制动时，需要控制逆变器工作于再生制动工况，实时调节牵引逆变器输出的频率，使牵引电机的同步转速小于实时转速，牵引电机工作于发电制动模式。

3 超级电容器吸收再生制动能量储能系统

超级电容的优点是容量大，可以反复快速大功率充放电，充放电效率高，循环寿命长，所以能适应地铁机车频繁制动的特点。超级电容高效、快速充电的特点使得其制动能量回收率高达到80%以上[3]。

当列车制动时，牵引电机处于发电状态，机械能转化为电能通过牵引逆变器回馈至直流牵引网。此时，控制双向变换器工作于BUCK状态，如图2所示。通过T1对超级电容器组充电，储存制动能量，将牵引网电压稳定在允许范围内。通过调节T1的PWM信号的占空比，就可以对超级电容器组的充电电流进行控制，防止超级电容端电压上升过快导致击穿。

当列车启动时，由于牵引电机的启动电流远大于正常的运行电流，将导致直流供电网电压降低。此时，控制T2导通，双向变换器工作于BOOST状态，如图3所示，超级电容器组储存的能量通过双向变换器释放，调节T2的占空比，可以调节放电功率，以稳定直流牵引母线的电压。

4 并网逆变回馈原理分析

城轨车辆制动时能量集中、制动能量很大。而超级电容器组由于容量的限制，难以完全吸收再生制动产生的能量，此时并网逆变器投入工作，将多余的制动能量通过逆变器转变化交流电，并入电网，避免对直流牵引电网的冲击。

列车制动时，当超级电容器组快速吸收制动能量，其端电压达到某一预设电压时，表明超级电容器组储能已满，无法继續吸收能量。为避免直流电网电压上升过高，控制并网逆变器投入工作，使直流牵引网中的再生制动能量快速回馈给交流电网，实现能量的循环利用，从而达到节能的目的。同时，保证直流牵引网压稳定在设定值范围内，确保列车直流供电系统的安全稳定，防止列车再生制动失效[1，4]。并网逆变原理如图4所示。

并网逆变器通过T1～T6把直流电转变成三相交流电，将制动能量理回馈电网。控制T1、 T2、T3、T4、T5、T6的逻辑导通顺序，经过正弦交流调制，使其以某个频率导通，就会输出一个对称的三相交流电源。逆变器件的导通逻辑与顺序如图5所示。通过控制并网逆变器中的开关器件IGBT的占空比，可以调节交流电压的幅值、频率和相位与电网一致，实现单位功率因数并网并网逆变器串联滤波电抗器接入电网的作用是阻尼过电流和滤除纹波[5]。

为了对牵引逆变器的逆变器件IGBT进行保护，给每个逆变器件分别并联了一个续流二极管，当电动机进入制动运行状态后，产生的制动能量可以经过续流二极管将电能返回直流环节。每个逆变器件两端还需要并联R-C-VD缓冲保护回路，可以对器件开通与关断过种中产生的过电压进行缓冲与吸收。

5 结论

电容储能系统能够高效快速吸收与储存制动电能，稳定牵引网电压。采用超级电容储能系统与并网逆变器结合吸收制动能量，超级电容器组的容量不需要按照最大制动电能来配置，降低成本。并网逆变器可以将超级电容器组未能吸收的制动电能回馈电网，实现能量的循环利用。

参考文献：

[1]张秋瑞.城市轨道交通再生制动能量利用技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2]边宏超.地铁牵引系统混合型再生制动能量吸收及利用方案的研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3]肖大帅.基于超级电容的城轨车辆再生能量存储利用系统研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[4]薛扬禹.地铁再生制动能量利用方案研究[D].成都：西南交通大学，2017.

[5]曹成琦.城轨车载超级电容储能系统研究[D].株洲：湖南工业大学，2016.