高速动车组再生制动的研究与分析

孙活，李杰

（四川铁道职业学院西南铁道文化研究中心，四川成都 610074）

一、制动发展背景

在电气时代中，“电”能将电能转换为机械能并充分利用各种电能来控制机械动作以代替人力。这种新方式在流水线工程的改进和代步工具的升级中表现尤为明显。尤其引人注目的是，人们在传统空气制动机的基础上进行了改进，并引入了智能化电气控制的核心技术。这项技术利用单片机控制电磁阀的运作，通过改变能量的吸收和释放达到PWM脉冲变化，以此来控制各阀门实现车辆上空气制动机的制动和缓解动作。无论是蒸汽时代的蒸汽制动方式还是电气时代的电制动方式，其最终目的都是通过踏面或制动盘与闸瓦之间的直接摩擦来实现制动。然而，在列车高速运行时，这两种制动方式会产生高热量和低制动效率，对大型动力器械的运作不利，且在日常工作中，无论是机车制动盘还是踏面磨损都会造成严重影响。电气制动的发展改进了这些低效能问题，其中电阻制动方式是电气制动的标志性改革。

以重载货运列车的经典线路大秦线为例，铁路机车在满载货物且需满足下坡要求的线路上运行时，制动力性能的作用尤为重要。满载煤炭的重联机车在长大下坡行进时，依靠闸瓦压在车轮上产生足够的摩擦力制动。在长时间施加制动力直至机车完全停下来的过程中，车轮对闸瓦的挤压与钢轨产生的高温和严重磨损会降低运输效率。同时，电机在高速运转时会产生大量再生电能。如果这部分电能不及时消耗，变频器就会受损，对电机构成潜在隐患。电阻制动基本解决了这一问题。现今，机车制动系统正逐步优化，机车制动从能量合理利用和环保角度考虑，逐步采用再生制动方案。过去无论是电阻制动还是机械制动，都会将机械能转化为热能，这部分能量完全流失于大气中而无法得到有效利用，从而造成浪费。因此，如果能在电阻制动的基础上回收利用制动产生的电能，不仅减少闸瓦磨损，保证安全运输，而且能大幅节约能源。

二、研究目的与意义

近年来，我国电气化铁路运营里程迅速增长，由此引发的能耗问题日益严峻。根据我国铁路局的最新数据统计，2021年全国18个铁路局的总用电量高达755.84亿千瓦小时，相较于2020年的711亿千瓦小时，增长了6.3%。随着我国电气化铁路网络化的高质量建设，“一所多馈线多供电区间”的枢纽型牵引变电所（简称枢纽所），其具有交通密度大、线路多、能耗高的问题。这些问题成为电气化铁路高速发展过程中亟需解决的主要问题。新型动车组/动车组在制动过程中，优先使用再生制动方式，产生大量的再生制动能量[1]。通常情况下，当再生制动产生的电能被同臂机车或动车组完全耗尽后，仍有约50%的再生制动电能通过牵引变压器传递至外部电网供电。

动车组的再生制动技术不仅打破了传统的空气制动方式，而且实现了制动能量的循环利用。在启动时，动车组能将动能转化为电能输送至电网，减少部件磨损。这种技术的最大优势在于能源节约，符合当前对能源新型利用的趋势。

三、国内外动车组发展综述

随着20世纪70年代世界面临的石油危机及其带来的环境污染，全球气候变暖现象已严重破坏了人类赖以生存的家园，并在一定程度上影响了人类的发展。在这样的背景下，传统的机车制动主要依赖电制动，其电能转换过程也是能源消耗的过程。因此，为了实现资源节约和尽可能减少环境污染，再生制动技术逐渐进入人们的视野。自从日本东海道新干线最早开始高速运营以来，我国的干线铁路和世界上大多数国家一样，采用单相25kV、50Hz的工频单相交流电。这种单相交流供电方式能有效解决偏远地区供电难题，既减少了工程投资，又提高了电能质量。然而，这种方式也会引起电力系统三相不平衡，并产生负序电流。因此，在高压网络需要大电量、负载多的情况下，为了减少三相不平衡的影响，我们采取了三相交流电接入电力系统的措施。这一问题通过电分相技术得到了有效解决，且随着技术的不断革新，铁路运输速度也在不断提升。在这样的历史背景下，铁路运输得到了飞速发展。因此，再生制动作为一种绿色环保的节能方式，响应了节约能源的号召，在机车制动的变革过程中起着举足轻重的作用。

四、再生制动原理

再生制动是从能耗制动演变而来的一种制动方式。再生制动原理示意图如图1所示。它解决了能耗制动中的一个问题，即随着动能转化和转速下降，制动转矩也会减小，从而导致能源消耗。再生制动能量传动框图如图2所示。再生制动在制动时，将牵引电机产生的动能转换为电能，再通过变流器转变为直流电，输送到牵引电网。这样，不仅本列车的辅助系统可以使用这些电能，而且其他列车也能利用。因此，再生制动过程与反馈制动有相似之处，也可被视为反馈制动的一种形式。在再生制动时，与牵引运行的过程正好相反。首先，电机从电动机转变为发电机，整流器和逆变器也相应地逆向工作。整流器利用二极管的单向导电特性，将电机产生的三相交流电转换为直流电[2]。其次，低压的逆变器中的晶闸管通过改变频率，将直流电转变为与电网频率相同的单相交流电。最后，主变压器将逆变器转换后的交流电升压，使其能够适配电子设备，并反馈回电网。这样的设计不仅大幅提高了机车运行效率，而且实现了能源的节约。

图1 再生制动原理示意图

图2 再生制动能量传动框图

（一）PWM 整流器

在机车上，我们采用的是以正弦信号为调制波的正弦脉宽调制（简称SPWM）。这种整流器的主要作用是平衡电压、支撑无功功率，并储存能量。PWM整流器控制电路图如图3所示。

图3 PWM 整流器控制电路图

（二）中间直流环节

中间直流环节在交流传动系统中扮演着关键角色，其电气原理图如图4所示，特别是在电压高、功率大的应用场景中。它是决定整个系统工作效率及寿命的重要组件之一。

中间直流环节主要由母线支撑电容、二次谐振滤波电路、过压保护电路等部分构成，其功能包括将直流电压稳定在规定的范围内、向牵引电机提供无功功率，以及降低谐波含量。

图4 中间直流环节电气原理图

（三）逆变器

逆变器是变压变频装置中直接与交流电机相连的环节，其电路图如图5所示。它的作用是改变直流电压的频率和电压，通过调制转换成可供牵引电动机使用的三相交流电。

逆变器还可以在一定程度上控制速度。如果将反馈给受电弓的电能直接在同一供电臂下由牵引电机使用，则无需增加任何额外设备。这样不仅节约了成本，而且能高效地提供电能。

图5 逆变器电路原理图

五、制动方式

（一）绕组串联制动

在串联制动系统中，其显著特点是当再生制动力达到最大值时，牵引电动机转变为发电机。其控制原理图如图6所示。这一转变发生时，直流电源会连接到定子的两相绕组上，使电动机的转子切割直流磁通，进而产生感应电流。制动力矩限制了转子的转动，导致电机转速急剧下降。随后，由发电机产生的电流被储存在储能装置中，并最终回馈至电网和变电所。然而，在此情况下，如果再生的制动力不足以使机车完全停止，机械摩擦制动将介入以满足制动需求。这种方式不仅充分利用了电动机的制动力矩，而且提高了制动能量的回收效率。这是串联制动系统的重要特点。

图6 绕组串联制动控制原理图

（二）绕组并联制动

在绕组并联制动系统中，直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间存在并联关系。在这种系统中，启动时产生的转矩与电枢电流正相关，因此，励磁电流相对稳定，仅在一定范围内波动。在这种情况下，启动电流大致可估算为额定电流的2.5倍。随着转矩和电流的增加，转速会略有下降。当负载增加时，可能会造成过载，但短时间内的过载是被允许的，此时的过载转矩可达到额定转矩的1.5倍。因此，在绕组并联制动系统中，转速在额定功率的5%～15%范围内波动，其影响不甚明显。通过削弱磁场的恒定功率调节也是一种可行的方法。然而，并联制动系统无法充分利用电动机的制动转矩，因此回收的制动能量相对较低[3]。其电路图如图7所示。

图7 绕组并联制动控制原理图

六、再生制动工作特点分析

当动车组进行再生制动时，与能耗制动方式相似，将牵引电动机变为发电机，并将直流电源接入定子的两相绕组。此过程中，电动机的转子切割直流磁通，生成感应电流，产生限制转子转动的制动力矩，从而导致电动机转速急剧下降。而发电机产生的电流随后被导向储能装置进行储存，最终反馈到电网，回到变电所。

再生制动具有如下优势：“绿色环保、节能”“节约能源”“对零部件的损耗较小”“节约维护的时间和费用”等。

（一）再生制动电能回收的影响因素

1.驱动形式

动车组的驱动方式有两种：热力和电力。热力驱动既可以通过齿轮传动或液体压力产生足够的机械力满足驱动需求，也可以将其输出至发电机进行电力驱动。电力驱动相对简单，直接通过集电设备和变电设备转为驱动转向架上的电机。

无论哪种驱动形式，都会造成大量能量损耗。在能源匮乏的环境下，我们首先考虑的是节约资源。因此，能量回收是必要的。不同的驱动形式产生不同的速度，反馈回电网的能量也因此不同，从而提高电能的回收效率，并储存在存储设备中，供其他列车和再生制动时使用。

2.电机性能

电机性能对再生制动能量回收的影响较小。电机的额定转速较低，当制动接近结束时，电机转速降低[4]，线圈中的感应电流和感应电动势几乎为零，此时无能量回收。

3.储能方式

（1）蓄电池储能

由于蓄电池的特性，其充放电电流较小，在瞬间不能进行大功率充放电。因此，容量较大的动力电池在不断充放电状态下，其使用寿命会受到严重影响，储能容量也相对较低。

（2）超级电容储能

当具备制动能力的列车通过变电站或能量储存体系附近时，如果释放能量，牵引网电流将上升。此时，能量储存体系中的电流调节器能够监测到这一现象，并将牵引网或供电系统中暂时过剩的能量存储到电容器内。当需要制动时，可直接使用电容器内储存的电能进行制动。

4.开关频率

交直交型动车组在牵引状态或再生制动状态时，与四象限变流器的控制过程相似，都会产生谐波。为减少对电能的削弱，开关频率从GTO的200Hz～500Hz提高到IGBT的1KHz～2KHz，提高了5～10倍。

（二）再生制动谐波分析

1.网侧谐波危害

图8 牵引工况时电流谐波

电阻烧损的主要原因是高次谐波中网侧电路（变压器绕组）呈感性，几乎全部通过阻容支路就会导致列车在此情况下阻容支路电流明显增大。再生制动工况下，谐波幅值较牵引工况时明显增大，总谐波误差率也更高[5]。牵引工况时电流谐波如图8所示，制动工况电流谐波如图9所示。

图9 制动工况电流谐波

电流谐波频谱分布中，其谐波含有率幅值随再生制动功率增大而减小，谐波次数则与功率无关，各次谐波幅值与相应的载波倍数的贝塞尔函数有关（注：P为再生制动功率）。

谐波次数、谐波含有率、制动功率、总谐波畸变率等参数均作为非常重要的相互影响因素[5]。高速动车组在再生制动过程中，通过选择合理的操作方式[6]，可以有效地减少谐波问题。不同再生制动功率时谐波变化情况比较如表1所示。

表1 不同再生制动功率时谐波变化情况比较

2.网侧谐波解决方案

在电气化铁路的谐波控制中，解决方案可分为两种。第一种是从源头上降低谐波，通过在机车上安装滤波装置实现。第二种是在牵引网上加装滤波补偿装置。

传统的无源滤波设备投资少，结构简单，维修方便，但其滤波特性受系统参数影响较大，通常可能导致与系统共振或谐波放大。有源滤波技术也有其局限性，其补偿容量受到电力电子器件的电压、容量、开关频率及动态补偿性能的限制，并且初期投资和运行成本较高，电磁干扰也较大。在线路上，可以采用无源与有源滤波相结合的方法，互相取长补短，以发挥各自的优势。

七、再生制动应用与实现

（一）再生制动在交流机车上的实现

交流异步电机实现电能和机械能的相互转换。PWM变流器采用IGBT或GTO来控制能量的双向流动，并保证网侧输入和输出电能的功率因数几乎能达到1[7]，从而实现降低能耗和改善电网电压质量。交流机车再生制动工作原理示意图如图10所示，PWM变流器具备整流和逆变功能，能根据机车的两种工况发挥整流器与逆变器的功能。

图10 交流机车再生制动工作原理

1.机车处于牵引工况时

变压器将从受电弓传输的单相交流高电压转换为较低的电压等级，然后输入到变流器[7]，经整流器整流形成稳定的直流电压，再通过逆变器变压变频，将其转换为机车可使用的电压频率。最后，牵引电动机将电能转化为机械能，以驱动列车行驶。牵引工况能量流向示意图如图11所示。

图11 牵引工况能量流向

2.机车在制动工况时

牵引电机输出的转矩与电机的实际转速方向相反，转变为发电机，将机车制动产生的动能转化为电能[7]，通过整流器整流成平稳的直流电压，再通过逆变器逆变，最终通过机车变压器返送回受电弓供其他机车使用。制动工况能量流向示意图如图12所示。

图12 制动工况能量流向

（二）再生制动在直流传动机车上的实现

直流传动机车采用交一直型调速系统，一般采用晶闸管整流电路为电源[7]，通过晶闸管的导通角控制机车出力。韶山5型、韶山7型在再生制动时采用全控桥式变为逆变装置。而韶山4型、韶山6型、韶山8型、韶山9型，不含全控桥，因此，无法实现再生制动。

八、结束语

在实施“双碳”战略的过程中，加快降低碳排放的步伐对于引导绿色技术创新和提升产业及经济的全球竞争力至关重要[8]。中国正持续推动产业结构和能源结构的调整，并积极发展可再生能源，能源再利用成为一个重点关注的领域。高速动车组高速运行时，不仅需要保证乘客的安全与舒适，而且需具备高效的制动性能。此外，动车组利用牵引电机产生的再生制动能量供其他列车使用，不仅提升了能效，而且体现了“绿色出行、低碳生活”的环保理念。