再生能量吸收装置在轨道交通中的应用与配置优化

0 引言

近几年，我国城市轨道交通建设发展迅速，再生能量吸收技术也逐渐被广泛应用[1]。为了使再生能量吸收装置在城市轨道交通中发挥更大作用，并体现经济性，有必要对其进行优化配置，而优化配置的重点在于设备容量的选择[2]。因此，研究再生能量吸收技术及装置容量优化配置方法具有重要意义。

1 再生能量吸收技术与应用现状

目前，城市轨道交通再生能量吸收装置主要包括电阻耗能型、超级电容储能型和逆变能馈型[3]。

1.1 电阻耗能型

电阻耗能型装置主要为地面安装，采用多相IGBT斩波器与吸收电阻配合的恒压吸收方式。根据列车再生制动时直流网压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流网压恒定在某一区间范围内，并将再生电能消耗在吸收电阻上[4，5]。

目前，采用电阻耗能型吸收方式的国外工程包括日本多摩、东京、大阪的单轨、轻轨和地铁线路，以及加拿大多伦多地铁、意大利米兰地铁等[6]。国内工程包括重庆单轨2号线，广州地铁4号线，天津地铁1号线，北京机场线、亦庄线等。

该方式控制简单、性能可靠，国内外应用比较普遍。但该方式大量制动能量被转换为热能排掉，不具备节能效果，同时电阻散热导致隧道内温度上升，需通风设备降温，增加额外运营成本。因此，在车辆安装制动电阻困难的情况下才考虑采用电阻耗能装置。

1.2 逆变能馈型

逆变能馈型装置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直流母线相连，交流进线接至交流电网。当列车处于再生制动状态时，若直流母线电压超过设定值，装置将从直流母线吸收电能，并将其逆变成工频交流电回馈至交流电网。当再生电能吸收完毕，促使电压回到整定值以下或当列车由再生制动转为其他工况时，逆变能馈装置停止电能回馈。根据回馈交流电网的不同电压等级，该方式分为低压能馈（0.4 kV）和中压能馈（35 kV/10 kV）2种类型[7]。

低压能馈技术在北京地铁9号线、重庆1号线和3号线已有运行实例。北京地铁9号线采用“逆变+电阻”的方式[8]，用以吸收大部分的回馈能量，该方式能克服运营低峰、高速制动等特定环境下引发的脉冲尖峰，但由于电阻的投入，会降低节能效果。相对于低压能馈装置，35 kV母线负荷容量较大，能够吸收大部分或全部再生电能。当线路上可配置足够数量的装置并具备足够的总容量时，则可以取消车载电阻。

新加坡MRT线路、日本京都市营地铁、札幌市营地铁、大阪单轨等线路的部分变电所采用了中压能馈装置。在国内，中压能馈技术已在北京、成都、广州、南京、长沙等地的城市轨道交通实现了工程应用，其中已投运的有北京地铁10号线、14号线以及15号线。

1.3 超级电容储能型

超级电容以其功率密度高、循环寿命长等优点，成为城市轨道交通再生能量吸收的理想储能装置[12]。利用超级电容储能装置吸收剩余再生能量，可有效抑制直流母线电压升高。在列车加速时，超级电容向直流母线释放能量，不仅可有效利用再生能量，还可防止直流电压偏低，同时具备储能和稳压功能。

美国、日本、俄罗斯、德国、韩国等国家先后对超级电容再生能量吸收技术展开研究，其中德国西门子和加拿大庞巴迪是世界上较早进行该领域产品研制的公司。近几年来，在西班牙马德里、德国波鸿和科隆、美国波特兰等城市的轨道交通中，都有其储能设备的试验性使用[13]。北京地铁5号线也采用了德国西门子公司研制的SITRAS SES型电容储能装置，是国内首次采用超级电容再生能量吸收方式的地铁线路[14]。此后北京地铁10号线万柳车辆段、北京八通线以及广州地铁相继开始应用超级电容储能装置。

1.4 再生能量吸收装置对比

电阻耗能型装置由于不节能不适合在轨道交通中应用；通过中压能馈装置吸能是目前节能效果最好，性价比最高的再生能量吸收技术；超级电容储能装置具备很多优异特性，而且国内也已有多家企业完成了电容储能装置的样机研制，并开展挂网试验，应用前景较为广阔[13，15]。3种再生能量吸收装置的特点对比如表1所示。

表1 再生能量吸收装置的比较

2 再生能量吸收装置的容量优化配置研究

通过对不同再生能量吸收技术的比较，下文重点对逆变能馈装置和超级电容储能装置的容量优化配置进行研究。

2.1 逆变能馈装置容量配置

2.1.1 依靠经验值统一配置容量

目前，国内地铁线路普遍采用对全线各个牵引变电所统一配置相同容量能馈装置的方案。中压能馈装置在市场上的主流容量配置是2 MW，北京地铁14号线是国内首条全线采用2 MW容量中压能馈装置的地铁线路。受各种因素的影响，该线路每个牵引变电所能馈装置的工作功率范围不尽相同，总体来看，其工作功率均在2 MW以下，同时各牵引变电所能馈装置吸收的电能也存在较大差异[2]。因此，统一配置2 MW容量的装置可满足大多数供电区间列车再生制动的需求，但需要对个别车站能馈装置容量重新进行计算。

2.1.2 选择不同参数计算容量

上述仅凭经验值统一配置能馈装置的容量无法保证能馈装置的合理利用，若容量偏大，会造成设备容量的浪费，若容量偏小，则无法满足直流母线电压的要求，因此有必要对能馈装置容量进行合理的计算。目前能馈装置的容量选择方法主要有以下几种[2]：

（1）按平均功率选择。列车制动过程的特性曲线一般设计为恒转矩区与恒功率区，除了可用于计算能馈装置的最大功率外，还可对列车制动时不同工作区域的平均功率以及整个再生制动周期内的平均功率进行估算[16]，在此基础上确定容量配置方案。

（2）按短时平均最大功率选择。短时平均最大功率考虑了装置工作时间内的功率值，以固定时长为一个窗口，对单个仿真周期内的结果进行逐秒推移，计算每一个固定时长窗口内所有回馈功率的平均值，选取其中的最大值作为每个能馈装置的容量配置参考值之一[15]。

（3）综合多个参数选择。按单一参数选择再生能馈装置容量是不全面的，对于不同的发车间隔，牵引变电所可能出现峰值再生功率很大，而平均再生功率却很小的情况，反之亦然。因此，需综合考虑不同发车间隔的峰值功率、平均功率、不同功率段的回馈时间及装置过载能力等，给出全线逆变能馈装置的容量值。

2.1.3 考虑不同运行方式和影响因素优化容量

城市轨道交通牵引供电系统是一个动态耦合的复杂网络，同一供电区间线路上可能出现多列车同时运行，同时启动、制动或启动、制动交叉进行的情况。当本站能馈装置无法完全吸收再生能量时，多余能量可以被其他正在牵引的车辆或相邻变电所的能馈装置吸收；另一方面，列车制动会受到区间长度、限速等因素的影响。因此，能馈装置容量应考虑运行列车的数量、相邻车站能馈装置对当前牵引变电所能馈装置的影响[15]，并结合其他不同影响因素进行优化。

2.1.4 结合装置选址方案设计容量

大多数文献涉及的能馈装置的容量配置仅考虑了装置设置于地铁全线所有牵引变电所该单一情况，并未考虑能馈装置的安装位置及其容量选择对节能稳压和投资成本的影响。

根据几种常见发车间隔下能馈装置每小时能量回馈情况分别选取能馈装置，有3种不同的选址安装方案：全所安装、个别所安装以及隔所安装。在不同安装方案下，计算列车全日运行的再生制动失效率、短时平均功率、峰值功率及各功率段工作时间等参量，给出容量配置建议[15]。

2.2 超级电容储能装置容量配置

2.2.1 基于剩余再生能量的基本容量配置

超级电容储能装置的初始容量配置主要依据剩余再生能量。文献[18]以德黑兰地铁3号线为例，通过地铁供电系统仿真模型计算各牵引变电所的最大再生制动能量求解储能装置的容量；文献[19]中首尔地铁2号线的储能装置最初也采用了该方法，通过对实际线路各牵引变电所输出电压和电流进行测量，统计出变电所再生能量约占牵引能量的39%，并以此为参考进行容量计算。

但该方法存在几点不足：（1）仅按剩余再生能量进行容量配置可能造成容量不足或容量浪费；（2）根据当前牵引变电所再生能量确定装置容量的方案未考虑相邻储能装置的吸收作用；（3）未考虑超级电容的安装位置及其容量选择对节能稳压的影响，缺少对不同配置方案的比选。

2.2.2 基于评价体系的容量优化配置

超级电容容量配置优化目标是以尽可能少的经济成本实现最佳的节能稳压效果。针对该目标，可以建立优化函数模型，实现对容量配置方案的量化评估。目前最常见的目标函数包含再生失效率、节能效果、经济效益、稳压效果等[21～26]。另外，容量配置优化设计还需满足一些约束条件，如直流网压水平、牵引变电所输出电流以及超级电容充放电状态等[12，20]。

2.2.3 基于智能算法的容量优化求解

在容量配置评价系统基础上，结合某种优化算法可以进一步优化容量配置。较常用的优化方法有神经网络、遗传算法以及模拟退火算法等[12]。但由于传统智能算法在求解速度和精度方面均存在不足之处，因此很多学者都提出了各种改进型算法以获取全局最优解。文献[12]在传统遗传算法的基础上融合了模拟退火算法，得到了超级电容安装位置与容量配置的全局最优解，通过对优化后的方案进行成本效益评估，验证了方案的合理性；文献[20]提出了一种基于混合粒子群算法的容量配置优化方案，针对不同地铁线路以及优化目标函数，得到了较优的能量管理策略参数和容量配置方案；文献[28]以提高节能稳压效果，降低投资成本为目标，结合神经网络与遗传算法，实现了不同发车间隔下装置安装位置与容量配置的优化求解。

3 再生能量吸收装置容量优化配置框架

逆变能馈装置和超级电容储能装置在容量优化问题上存在很多共性，结合2种装置容量配置方法，本文提出一套适用于大多数城市轨道交通再生能量吸收装置的容量优化配置方案，如图1所示。首先，需要建立直流牵引供电系统仿真模型，确定再生能量吸收装置的安装方案，针对每种选址方案计算列车运行时的最大功率、平均功率等电气量，并以此为依据初选各方案下的装置容量。然后结合不同运行情况和影响因素对各种方案下的容量进行修正。最后，建立评价系统对各方案进行对比评估，也可以采用优化算法获得全局最优化的容量配置方案。

上述方案具有一定的可扩展性，但对于不同的地铁线路，则应根据其自身特点和目标进行分析，容量选择也需要与线路实际运营情况相匹配。

图1 再生能量吸收装置容量优化配置方案

4 结论与展望

综上所述，逆变能馈装置和超级电容储能装置是未来城市轨道交通再生能量吸收应用领域的发展方向，其容量优化配置研究也取得了一些成果，但在有些方面还需进一步完善，主要是：

（1）多数城轨供电系统仿真模型采用简化模型，且再生能量吸收装置等效模型也不尽相同。为了提高系统潮流计算的准确性，并为容量选择提供可靠数据，有必要建立完善的含再生能量吸收装置的城轨供电系统仿真模型；

（2）目前再生能量吸收装置的容量配置大多基于设定的控制策略，如超级电容的充放电阈值、能馈装置的启动电压等，考虑到不同的控制策略对列车再生制动能量的利用效果不同[12，29]，基于控制策略研究装置容量优化配置是该领域未来研究的方向；

（3）目前大多数研究并未涉及“节能-稳压-经济”的综合评估分析，因此，如何最大程度发挥吸收装置节能稳压效果的同时使经济效益最大化，还有待进一步研究；

（4）随着储能装置投资成本的下降及超级电容技术的飞速提升与国产化，结合逆变能馈和电容储能的特点，组成全新的再生能量吸收装置将成为必然趋势，因此“逆变+储能”型再生能量吸收装置是未来研究和发展的方向。

参考文献：

[1]XIN Yang,XIANG Li,BIN Ning.A Surveyon Energy-Efficient Train Operation for Urban Rail Transit[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2016,vol.17,no.1,pp.2-13.

[2]卫巍.再生能馈装置在城市轨道交通供电系统中的优化配置研究[D].北京交通大学，2016.

[3]王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生电能的吸收与利用分析[J].城市轨道交通研究，2007，10（6）：42-45.

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

[5]曾之煜.地铁逆变回馈型再生制动能量吸收装置仿真研究[D].西南交通大学，2012.

[6]许爱国.城市轨道交通再生制动能量利用技术研究[D].南京航空航天大学，2009.

[7]李力鹏，盛家川.轨道交通牵引系统再生能量利用方案研究[J].铁道工程学报，2014，31（9）：121-124.

[8]鲁玉桐，赵小皓，赵叶辉.再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通，2014，27（4）：105-108.

[9]陈德胜，刘志刚，张钢.能馈式牵引供电装置在轨道交通领域的应用[J].都市快轨交通，2014，27（1）：111-114.

[10]陈哲.北京地铁10号线中压能馈型再生制动电能利用装置[J].现代城市轨道交通，2015（1）：5-7.

[11]李焱，张钢，等.中压能馈装置应用效果评估[C].Proceedings of the 2015 International Conference on Electrical and Information Technologies for Rail Transportation,2015,pp.25-29.

[12]王彬.城轨交通地面式超级电容储能系统容量配置优化方法研究[D].北京交通大学，2015.

[13]张一，成建国，吴松荣，等.基于超级电容的地铁列车再生制动能量利用分析[J].城市轨道交通研究，2016，19（9）：56-60.

[14]刘伟.基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究[D].西南交通大学，2011.

[15]许伶俐.城市轨道逆变回馈装置的系统优化设计[D].西南交通大学，2017.

[16]霍长龙.城市轨道交通逆变型再生制动能量利用装置容量的分析与计算[J].自动化技术与应用，2016，35（9）：75-78.

[17]李义国，赵勤，王军平，等.城轨列车地面再生能量吸收装置容量的选择[J].机车电传动，2017（3）：81-86.

[18]Teymourfar,R;Asaei,B.;Iman-Eini,H.Stationary super capacitor energy storage system to save regenerative braking energy in a mrtro line.Energy Convers,Manag.2010,56,206-214.

[19]Bae,Chang-Hwan Han;Jang,Dong-Uk;Kim,Yong-gi;Chang,Se-ky;Mok;Jai-Kyun Calculation of regenerative energy in DC 1500V electric railway substations[C].7th International Conference on Power Electronis, 2007,pp.801-805.

[20]陈怀鑫.基于混合粒子群算法的城轨交通超级电容储能系统能量管理和容量配置优化研究[D].北京交通大学，2016.

[21]Gildong Kim,Hanmin Lee.A Study on the Application of ESS on Seoul Metro line 2[C].International Conference on Information and Multimedia Technology,2009,pp.28-32.

[22]R.Barrero,X.Tackoen,and J,Van Mterlo,Improving Energy efficiency in Public Transport: Stationary supercapacitor based energy storage systems for a metro-network[C],Vehicle Power and propulsion Conference VPPC’08,2008,pp.1-8.

[23]Teymourfar,R;Farivar,G;Iman-Eini,H;Asaei,B.Optimal stationary super-capacitor energy storage system in a metro line[C].Electric Powerand Energy Conversion Systems(EPECS),2011,pp.1-5.

[24]Iannuzzi,D.;Lauria,D.;Tricoli,P.Optimal design of stationary supercapacitors storage devices for light electrical transporatation systems.Optim.Eng.2012,13,689-704.

[25]Iannuzzi,D.;Ciccarelli,F.;Lauria,D.Stationary ultracapacitors storage device for improving energy saving and voltage profile of light transpiration networks.Transp,Res.Part C2012,21,321-337.

[26]陈静.基于超级电容的地面式地铁再生制动能量回收技术研究[D].西南交通大学，2015.

[27]王彬，杨中平，林飞，等.基于节能稳压的地面式超级电容储能系统容量配置优化研究[J].铁道学报，2016，38（6）：45-52.

[28]XIA,Huan.;CHEN Huaixin.;YANG,Zhongping.;LIN,Fei.Optimal Energy Management,Location and Size for Stationary Energy Storage System in a Metro Line based on GeneticAlgorithm.Energies 2015,8,11618-11640.

[29]陈磊，胡文斌，孙其升，等.网压上限值对地铁列车再生制动能量利用影响[J].电气化铁道，2014，25（5）：47-50.

[30]张秋瑞，葛宝明，毕大强.超级电容在地铁铁动能量回收中的应用研究[J].电气化铁道，2012，23（2）：40-43.