城市轨道交通再生制动能量利用技术研究

◎张海彬

随着时代的发展和社会的进步，科技也不断在创新进步中，并在不同行业中得到广泛应用。在城市交通公共工具发展中，传统的公交车交通工具转变为城市轨道交通工具，随着轨道交通工具的广泛应用，轨道交通技术也在革新和进步发展中，同时也带动着车辆制造、车站建设、制动系统等技术和自动化技术的发展和进步。随着城市交通行业中广泛建设轨道交通系统，人们对轨道交通的自动化和舒适化程度要求更高，在此背景下，城市轨道交通在实际运行中也需要做好节能环保工作，合理应用再生制动能量，否则车辆在行驶过程中很容易对我们的生活环境造成污染和负面影响。本文主要就城市轨道交通再生制动能量利用技术进行分析和研究。

自从英国在20世纪80年代开创了第一条地下城市轨道开始，人们的出行方式发生了巨大的变化，不仅发达国家广泛建设城市轨道交通，同时发展中国家也在摸索建设城市轨道。相较于其他城市公共交通系统，城市轨道交通在运行中具有更加安全、舒适、方便、准时、快速等优点，同时不会产生污染，发展前景十分广阔，同时将城市轨道交通与周边相关领域联合，可以达到1+1>2的效果。城市轨道交通在实际运行的过程中，因为车站之间的直线距离比较短，车辆的运行速度较快，很容易导致车辆频繁制动，其中车辆制动产生部分能量可以被回收利用，其他大部分能量会被车辆消耗浪费，若是在城市轨道交通运行中大量回收利用车辆的制动再生能量，将会减少维护和运行轨道交通的成本，同时达到节能环保的效果。

一、城市轨道交通再生制动能量的概述

城市轨道交通在实际运行的过程中，相邻车站之间具有较短的距离，列车具有较快的运行速度，因此启动和制动比较频繁，其中产生的制动能量庞大，根据相关的研究发现，车辆在制动过程中能够产生车辆牵引能量的30%左右能量，车辆在实际制动的过程中，通过牵引机车可以将再生制动能量向电能进行转换，借助相关设备向电网中进行这些电能输入，可以升高传输网的电压，其中附近列车能够吸收并利用部分能量，而车辆在实际制动中产生的电阻以及在发热过程中会吸收消耗大部分能量，这些能量无法被回收利用。

二、城市轨道交通再生制动能量吸收的意义

相较于其他城市交通工具，轨道交通工具更加环保、速度较快、更加安全舒适，同时能够消耗较少的能量产生较大的动力，因此在城市交通发展中得到快速推广。在城市公共交通的发展中，轨道交通方式更受欢迎，更有利于进行环境友好型、资源节约型社会的见色。虽然按照相同的动力分析和比较不同城市交通工具，轨道交通工具能够消耗较小的能量，然而由于动量较大，轨道交通也会产生较大的总耗能量，因此，轨道交通也是耗能大户。为了能够对地铁运行中产生的能耗进行降低，在城市轨道交通发展中需要对该问题进行解决。

当前我国城市轨道交通主要是VVVF动车组列车，其制动方式主要是空气制动以及再生制动和电阻制动等电制动方式，在实际列车运行中，主要通过电阻和再生制动，空气制动作为辅助。在传统的列车运行中主要是在车辆底部安装制动电阻，通过电阻制动进行运行，若是再生电阻无法发挥作用，列车将进行空气制动。在列车运行中，若是再生制动能量大量不被吸收，在没有进行再生制动装置设置的情况下，不被吸收的能量将会通过热能的形式在地铁隧道中散发，从而产生两个弊端，分别是：首先是该部分能量通过车载制动电阻发热或空气制动等方式被消耗，从而造成电能的大量浪费；其次是隧道中散发的热量导致隧道温度升高，从而增加了设备运行环控的能耗。另外，我国很多地铁轨道线路大多数采用独轨系统和直线电机系统，这样就很难将电阻制动装置布置在车辆上。若是在线路沿线考虑进行再生能量吸收装置的设置，将会不仅能够阻止隧道温度升高，同时还能够二次利用能源，综合提高经济效益。因此，在城市轨道交通建设中研究再生制动能能量利用技术是非常有意义的。

三、回收利用城市轨道交通再生制动能量

随着城市轨道交通的发展和创新改革中，当前我国城市轨道交通再生制动方式主要是两种类型，分别是消耗类和再利用类两种形式，这两种城市轨道交通再生制动方式被广泛应用，两者具有各自的优缺点，在实际运行中不断优化和改善城市轨道交通再生制动方式。目前对城市轨道交通再生制动能量进行回收利用的方式主要有以下几点：

1.设置电阻能耗型吸收装置。

电阻能耗型吸收装置通过电阻吸收形成发热现象，进而消耗再生制动能量。具体分析电阻能耗型吸收装置在车辆进站制动时，当处于再生制动工况下的车辆产生的制动电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，电阻型再生制动能量吸收装置立即投入工作，吸收多余的再生能量并变成热量，散发到外界空气中。该装置主要采用多相IGBT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的导通比，从而调整吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。避免列车产生的再生制动能量失效，确保列车运行更加稳定、安全。

目前国内外普遍应用电阻能耗型吸收装置进行再生制动能量的回收利用，相关技术已经非常成熟，比如说我国生产的HXXS4型电阻吸收装置，其中电阻吸收和斩波器通过多支并联的方式进行再生制动功率的吸收，同时通过多重斩波的方式对斩波器对电网造成的谐波影响进行抑制。电阻能耗型吸收装置在吸收再生制动能量的过程中主要表现的优势有：相关技术比较成熟，具有可靠的性能，前期投资少，设备和系统维护和保养的成本低，同时简单控制，缺点主要是吸收电阻通过集中发热的方式消耗大量制动能量，无法有效利用再生制动能量，同时也会严重影响到环境，使温度升高。若该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而且该房间需要相应的通风动力装置，也增加了相应的二次能源消耗。因此，目前北京地铁大部分线路将电阻柜放置于地面单独房间内，有利于电阻散热。运行中，连续两个站的再生制动能量装置退出运行时会对电动列车的电制动距离产生影响。当前国外的日本东京、多摩和大阪的轻轨和单轨系统以及地铁线路、加拿大多伦多的地铁线路、意大利米兰的部分地铁线路，国内的北京地铁的部分线路以及重庆轻轨和广州的部分地铁线路中广泛应用电阻能耗型吸收装置，进而对城市轨道交通再生制动能量进行回收利用。

2.应用并网型吸收装置。

并网型吸收装置在回收利用再生制动能量的过程中工作原理主要是当列车产生再生制动能量的过程中，借助并网逆变器向交流电网进行电能回馈，其中的交流电网主要是指高压10kV或35kV交流电网、中压1180V交流电压或者低压380V交流电网。当直流牵引网中输入再生制动能量之后电压比预设值更高，内部的控制系统将会判断列车处于制动再生能量的状态下，此时并网逆变器开始工作，并通过直流电将再生制动能量逆变成工频交流电，并向交流电网进行回馈。

并网型吸收装置在吸收利用再生制动能量的过程中向交流电网进行逆变后的再生制动能量的回馈，可以循环利用能量，起到能源节约的作用，同时能量直接回馈到城市轨道交通内部电网，确保直流牵引网具有稳定的电压，也不需要配置储能元件，这种方案在北京地铁新建线路广泛使用。运行中，连续两个站的再生制动能量装置退出运行时会对电动列车的电制动距离产生影响。

目前北京地铁大部分线路使用了并网型再生制动能量吸收系统，国外主要是巴西的圣保罗地铁、日本札幌、韩国釜山、南非的地铁线路中应用并网型吸收装置，进而通过相关技术将再生制动能量进行回收利用。

3.器件储能型能量吸收装置。

器件储能型能量吸收装置中含有一个备用系统，该备用系统一般是电阻能耗型吸收装置，然后变换器是双向的，能够在车辆制动过程中将产生的能量进行吸收，并传递到储能器件中，当车站车辆有供电需求时，该装置能够释放电能，因此，器件储能型吸收装置内部储能器具有的电能吸收和储存能力较强，需要符合相关要求。然而考虑到城市地下轨道交通所处的地理环境比较特殊，所以该装置内部的储能器件体积不能太大，同时具有较强的耐用性。目前储能器件的开发和研究朝着更加多元化和小型化方向发展，并保障提高回收车辆再生制动能量的效果。器件储能型吸收装置主要包括飞轮储能、蓄电池储能以及电容储能三种类型的装置。

飞轮储能型吸收装置运行原理主要是飞轮在实际运转中，通过转速的高低控制对能量进行储存，列车在制动的过程中，电动机通过转动轮子储存能量，当启动列车的过程中，对轮子的转速进行降低，同时将轮子储存的能量进行释放，然后飞轮储能装置对制动产生的再生能量进行吸收，同时确保车辆电压更加稳定，若是车辆出现过高的电压，飞轮在实际转动中能够对能量进行吸收，反之，飞轮降低转动的速度，并对电压进行释放。飞轮储能型吸收装置具有良好的节能效果，然而该装置比较复杂，同时设备占用的面积较大，维护工作也比较复杂，飞轮在实际运转中会产生较大的摩擦，进而导致飞轮储能型设备没有较长的使用寿命。

蓄电池储能型装置在实际运行过程中主要是将蓄电池作为储能的原件，并在蓄电池中储存车辆制动时产生的再生能量，当启动车辆时，通过照明等用电方式释放能量。蓄电池储能型装置在实际技术应用操作简单、便捷，然而这种装置在实际应用需要花费大量的资金采购设备，维护比较复杂，设备没有较长的使用期限。当前主要是在汽车应用中广泛应用蓄电池储能型装置，很少会在城市轨道交通中应用该装置和技术，部分小型列车中偶尔会应用蓄电池储能型装置吸收利用再生制动能量。

电容储能型装置实际工作原理主要是借助电容器件储存列车制动产生的再生能量，当列车实际运行的过程中，电容器件会将能量进行释放。电容储能型装置中使用的电容器件主要有两种，分别是有较大电容量和较小电压的电容原件以及有较小电容量和较大电压的电容原件，根据实际需求选择不同的电容储能器件吸收利用再生制动能量。电容储能型装置具有良好的节能效果，而且体积小，不用占用较大的面积，使用方便，然而电容器件原件的成本较高，维护工作比较复杂，因此该装置和技术也仅在规模小的城市轨道交通中应用回收再生制动能量。

4.逆变供能型吸收装置。

逆变供能型吸收装置包括晶闸管等电子器件，这些电子器件在实际运行中形成功率较大的三相逆变器，进而将再生制动能量转变为电流，根据逆变器形成的电流走向和实际用途可以将逆变供能型吸收装置分为逆变回馈型和逆变负载型两种能量吸收利用装置。

车辆进站制动时，首先车辆进行再生电制动，车辆的再生制动装置将车辆的动能转变为电能反馈给牵引网，并使牵引网电压升高，超过电容储能装置设定的电压限值时，电容储能装置快速存储再生制动电能，当车辆出站启动或加速时，牵引网电压下降，当低于电容储能装置设定的电压值时，电容储能装置快速释放存储的能量，提供给需要能量的列车，在保证列车运行的情况下，降低牵引供电系统的能量消耗；另一种是稳压模式，由于电容储能装置能够在牵引网电压低于某一限定值时，向牵引网提供能源，因此对稳定牵引网电压具有一定作用。行中需要的电流，该装置没有较高的成本，同时使用更加方便，然而该装置在实际运行中会将电流逆变回电网，因此很容易导致电压出现不稳定的状态，致使电网出现短路现象，实际运行中存在安全隐患。

逆变负载型吸收装置的工作原理主要是：车辆在制动过程中，该装置能够直接吸收制动产生的电流，并将其转变为车站车辆运行中用到的电压。该装置在实际应用中简单、方便，然而考虑到车辆制动过程时间是间隔的，因此，逆变负载型装置在吸收并转变能量为电流的过程中很容易导致电流出现不稳定的现象，因此在城市轨道再生制动能量实际的吸收利用过程中很少使用该装置和技术。

四、城市轨道交通再生制动能量利用技术的未来发展分析

1.再生制动能量利用装置的对比分析。

通过各种再生制动能量吸收装置的介绍，不难发现电阻能耗型制动装置技术已经非常成熟，同时相关的产品价格低廉，在我国的多条轨道线路中得到广泛使用，有效地对隧道温度进行降低，辅助列车制动，然而这种方式会对再生电能进行集中消耗，无法起到良好的节能效果。储能型制动能量吸收装置虽然在国外已经开发研究并投入是用了成熟的产品，但是我国对该装置还处于研究阶段，由于部分关键技术的原因，目前相关装置的研究和成品还在试验阶段，无法形成工程化的应用。通过对储能型制动能量吸收装置的分析，发现该装置前期的投资成本和后期的运维成本较高，然而该装置能够对尖峰负荷进行周期性平衡，能够对牵引网稳定的电压进行有效维持，因此，加强储能型制动能量吸收装置的研究是有良好的发展前景。

2.城市轨道交通再生制动能量利用技术的发展建议。

随着社会经济的快速发展和科技的进步，在城市轨道交通发展中，不断推广研发新的能源和环保节能型技术，其中回收利用再生制动能量的技术也不断在发展和改善中，在城市轨道交通系统、火车、汽车以及电梯等领域中广泛应用再生制动能量利用技术，能够推动相关领域的可持续发展。在城市轨道交通再生能量利用技术的发展前景分析，不难发现，相关单位还需要进一步对列车的运行方案进行改进，可以有效地提高回收利用再生制动能量的效率，同时结合汽车等行业发展，联合周边的电能系统和相关装置，对利用再生制动能量的技术进行联合研发，联合城市用电网系统，直接将回收的列车再生制动能量向周边的用电设备进行供给，从而形成统一的、完整的供电系统，确保能量回收利用更加稳定、安全。最大化地研发城市轨道交通再生制动能量回收和利用技术，通过与周边相关的领域发展进行联合研发，可以推动城市轨道交通的可持续发展。

五、结语

总之，随着科技的发展，城市轨道交通在实际发展和运行中，需要重视列车再生制动能量的回收利用。同时根据不断研发的新技术和新能源，结合城市轨道交通车辆的实际运行方案和路线，同时配合周边列车的运行规律，结合实际的城市轨道交通系统发展情况，选择合适的回收利用再生制动能量装置和技术，合理利用再生制动能量，对城市轨道交通的运营成本进行降低和控制，提高城市轨道交通运行的经济效益。