试析城市轨道交通制动能量回馈用并联变流器控制策略

摘    要：为了建设更加立体的城市交通系统，务必要重点发展城市的轨道交通网。城市的有轨电车将为城市居民的通勤带来更多的选择，在缓解城市交流压力的同时又能提高城市居民的生活方式。城市轨道交通在运行中产生的巨大能量若以回收利用将会为我国的绿色节能发展带来更多的利益。本文将对城市轨道交通制动能量回收利用问题进行分析，讨论并联变流器控制的可行性。

关键词：城市轨道交通;制动能量回馈;用并联变流器控制策略

1  发展城市轨道交通的意义

城市化的快速发展导致城市人口越来越密集，需要通过城市的交通网络加强各区域之间的联系。除了地铁公交等传统的公共交通系统已经无法承担城市人口的通勤压力这就需要建立新的轨道交通系统来分担城市的通勤压力。

2  城市轨道交通制动能量再生制动系统

城市的轨道交通每天会消耗大量的能源，根据能量守恒定律我们可以得知有一部分的能源并没有用于城市轨道交通的正常运行中去，甚至城市轨道交通在运行的时候会产生一些多余的热量，这些热量可以进行回收再利用。城市轨道交通为满足通勤需要，往往站间距小，需要列车频繁启动与制动。城市有轨电车一般是两种类型电制动与机械制动。前者一般在正常运行转为低速行驶时电车的电动机转换为发电机动能转化为电能再作用于整个电车的电力运行上来，实现电能的能量回收。后者则多用于电车的低速行驶到停止，速度一般在每小时8km左右。

在通过电制动进行电能回收利用时，如果没有电车可继续回收利用这部分电能，则再生能量会造成电网电压上升。为了抑制电网电压升高，一般采取的办法是利用电阻耗能型制动能量吸收装置让机车车载制动电阻吸收电力能量进而用于实际的运行之中。从数据统计中可得知城市轨道交通列车运行时所产生的能量通常占牵引能量的20%～40%左右。该部分能量除了按一定比例，通常是20%～80%之间被其它相列车吸收利用之外，余下能量通常是被车载制动电阻吸收。如果列车发车密度较低它产生的再生能量被其他的相邻电车吸收利用的可能性就会减少，根据相关调查研究显示，一旦列车的发车时间间隔为6分钟的时候再生的能量被相邻电车吸收的可能性几乎为零。所产生的多余热量被电阻吸收进一步导致城市区间隧道和车站站内部的温度升高这样就需要开设大量的制冷通风设施。从长远方案来看也不符合国家的绿色环保发展的特点因此针对城市有轨交通的再生能源利用符合国家的需要。

2.1  整流模块

整流模块是指轨道车辆再生制动系统中的整流站。整流站存在的意义是把变电站所输送的交流电压转为直流电压进而为轨道车辆的运行提供动力支持。

2.2  车辆模块

车辆模块则对应的是轻轨机车本身，是整个轨道交通运行部分的主体他的核心电机的构成主要是由磁链闭环矢量控制系统以及转速控制系统共同组成的。

2.3  吸收模块

车站旁边的吸收站对应的是吸收模块，在获得母线电压的变化数据之后对整个IGBT部分工作进行控制。吸收轨道交通运行制动时产生的能量进而克服其对母线电压所产生的有害影响。

3  制动回馈能量控制处理

3.1  车外电阻吸收控制

车外电阻吸收控制装置一般安放在地铁站内部利用多相IGBT斩波器同收电阻联合工作控制电压的工作方式。依据再生制动时的产生的直流母线电压的波动变化情况调节整个斩波器的导通比。把直流电压维持在恒定的规定数值之内在改变吸收功率的同时将制动能量消耗掉。可以利用循环水让电阻热能冷却下来，之后得到的热水进一步循环利用。

车外电阻吸收控制是在目前国内外普遍使用的再生制动能量回收利用设备，他自身具有成本低廉组合方便操作简单系统稳定运行可靠后期维护便利使用寿命长等一系列优点。再生的制动能量吸收电阻进而热量升高，这样不利于设备的运行和维护需要进行降温散热处理，这是车外电阻吸收控制器技术未来发展主要需要攻克的难题。目前来看车外电阻吸收控制系统的能量回收利用效率低，从长远角度看并不能代表整个技术领域的发展水平。

3.2  电容储能型

电容储能以IGBT逆变器为主体进而让城市轨道交通的再生制动能量吸收储存在大容量电容器组里。在有轨电车的工作期间的列车启动以及加速需要电力供应的时候，电容储能器就可以将储存的电能释放出去得到应用。这种解决方式主要是将电车产生的再生的制动能量直接在牵引系统内进行转换他对整个交流系统不会产生负担。电容储能器的再生能量利用率高整体的环保效果十分高效。电容储能器是一种静态储能元件，他的后期维护和更换维修元件是十分便捷轻松的。但是由于城市轨道交通运行需要回收大量的能量，相应的需要准备高容量的超级电容储存器。一般需要配备的电容储存器的电压一般在2.5V～3V之间。同时会一齐配备DC1500V牵引系统，为了防止电容过压击穿发生意外事故，需要加强串并联技术的应用进一步研究充放电的电压电流控制技术。这就要求电容储能器在释放掉一部分能量之后才能开始能量的回收利用。未来精进电容储能器的设计方案需要扩大的设计容量缩小他的占地面积，延长电容储能器在频繁充放电状态下电容储能器的使用寿命，降低整体的电容储能器的应用成本。

3.3  飞轮储能

飞轮储能工作原理是把飞轮惯性应用于能量储存。飞轮加速转动时可以把电能转换为动能储存以满足直流母线提高的情况所需要的再生制动能量。飞轮转速减少情况对应直流母线降低时输出能量的效果降低。这种操作方案主要的操作原理类似于将飞轮电机转换成发电机。把飞轮惯性储存的惯性动能转化成电能重新利用到整个轨道交通系统的运营当中去。但是飞轮储能再生制动能量的效率高，但是这种装置后期维护复杂零部件磨损快消耗大整体的维护费用高占用场地面积大。

3.4  逆变回馈

逆变回馈装置的主要构成零件部分是电力电子器件构成逆变器。他的工作原理是将直流电逆变成工频交流电整体回馈到35kV中压或400V系统电网当中。逆变回馈装置会自动检测该直流母线电压的变化，实时监控。当电压升高处于危险之中时立即启动PWM的脉冲信号，诱发控制功率器件IGBT进行调节电流的工作，保证回收的制动能量迅速恢复正常工作反馈在电网之中。主要工作原理是监控直流母线电压，使其使直流母线电压稳定在规定的安全数值（约1705V）之内以实现整个地铁直流系统供电系统的稳定运行。逆变回馈装置不用吸收电阻及准备相应的储能元件。整个再生制动能量系统的利用效率高占地面积小机械零件的损耗程度低，他对于整个环境的温度的要求不高不会额外产生不需要的热量。是一种理想的轨道交通制动能量回收利用方式，这符合我国的环保节能绿色发展要求，又不会造成成本负担这在整个軌道交通能源回收利用项目中都是值得肯定的一种方案，目前该方案已经在国内一些城市轨道交通逐渐推广。

4  结语

为在分担城市交通压力的同时减少资源的浪费，发展城市有轨交通的制动能源回收技术很有必要。既降低了成本又符合绿色环保需要。整个再生制动能量系统的利用效率高占地面积小机械零件的损耗程度低，对整个环境温要求不高不会额外产生不需要的热量，这是我们需要的一种理想轨道交通制动能量回收利用方式。希望未来科研人员可以向这个方向不断努力进步改善人们生活。

参考文献：

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[2] 何煜晗.试析城市轨道交通建筑节能设计的相关措施[J].工程建设与设计，2018（17）：296～297+302.

[3] 韩冰玉.试析城市轨道交通安全管理[J].城市建设理论研究（电子版），2017（18）：63.

作者简介：

杨晓东，助理工程师，研究方向为轨道交通供电。