再生制动设备在轨道交通中的应用

再生制动吸收装置在城市轨道交通工程的应用

1.再生制动吸收装置的作用

2.吸收装置原理及特点

3.吸收方式及产品应用

4.节能效果

5.应用展望

引言

列车制动方式主要有两种：

空气制动：列车的基础制动或紧急制动，通过闸瓦或制动盘摩擦，将机械能转换为热能。有磨耗成本。

电制动：列车的常用制动，在接触网电压低于一定的限值条件下，将列车动能转换成电能回馈至直流接触网，通过能量的转换可实现电能的再利用。

今天我们主要讨论的是电制动方式及应用情况。

1.再生制动吸收装置的作用

在城市轨道交通系统中，再生制动吸收装置是一种为电客车再生制动提供电能吸收的设备，一般安装于牵引变电所，与直流母线并联。

城市轨道交通车辆采用750VDC、1500VDC两种电压制式供电，当车辆进行再生制动时，会向直流电网反馈能量，若此时接触网上不能提供与制动列车回馈的电能相匹配的电流通道，则会造成接触网母线电压的抬升，影响列车电制动性能的发挥。由于整流机组是单向导电的，回馈电流不能通过整流器回馈至交流电网，因此再生制动电能的吸收通道只能有如下几种：

制动列车自身消耗（车载电阻）；

接触网上的邻近牵引列车消耗；

变电所再生制动吸收装置。

再生制动吸收装置的作用就是为列车电制动回馈的电能提供功率相匹配的通道，当吸收装置的功率大于列车制动功率时，直流网压下降，可能会消耗整流器提供的电能，当吸收装置的功率小于列车制动功率时，直流网压上升，可能造成列车过压保护，切除电制动。

2.吸收装置原理及特点

在供电区间内，当车辆进行再生制动时，如果在线有其他车辆运行，其再生能量被牵引车消耗，稳定了电网电压。如果线路不具备吸收条件，电网电压将被抬高，此时吸收装置经判断自动投入，将再生能量吸收，确保电网电压的稳定。

2.1车载电阻吸收方式

车载电阻吸收方式主电路示意图如图1所示，在正负母线之间并联了斩波回路，当车辆制动母线电压升高时Sb1开通，电能通过Rb电阻释放。

图1：车载电阻吸收方式主电路示意图

车载电阻吸收方式的缺点：

⏹增加车辆重量。列车运营时消耗更多的电能，不环保；降低车辆启动加速性

能；

⏹车载制动电阻以及相应的斩波控制，提高了车辆采购成本；

⏹制动电阻工作时发热量较大，带来隧道和站台内的温升问题；车辆上制动电

阻周围的布线要求高；

⏹制动电阻设置于车上容易受到灰尘、油污的侵染，且运行时的振动冲击使其

容易受损，经常维修费用高；

⏹制动电能没有得到二次利用；

2.2地面吸收方式

2.2.1电阻耗能型吸收方式

电阻耗能型吸收方式主电路示意图如图2所示，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，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将再生制动能量消耗在吸收电阻上。

图2：电阻耗能型吸收方式主电路示意图

电阻能耗型再生制动能量吸收装置技术成熟；斩波单元、电阻单元已实现模块化，维护维修方便；缺点是再生能量以发热的方式消耗，能量没有得到充分利用，电阻柜安装需要一定的散热条件。

2.2.2逆变回馈型吸收方式

逆变回馈型吸收方式主电路示意图如图3所示，采用IGBT等构成大功率三相逆变器。该逆变器的直流侧与牵引电网直流母线相联，其输出连接到变电所的中压或低压母线。当再生制动使牵引电网直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至城轨内部交流电网。

图3：逆变回馈型吸收方式主电路示意图

逆变回馈型吸收方式是将制动时产生的能量通过逆变装置回馈到交流电网，根据回馈电网电压等级可以分成低压400VAC能馈、中压10kVAC/35kVAC能馈。

回馈到400VAC系统的优点是回馈能量能最大限度被站内设备利用，节能效果显著；缺点是回馈容量受限，需要配置电阻耗能型吸收装置配合使用；

回馈到10kVAC/35kVAC系统的优点是回馈容量大，缺点是对电网有一定影响（电力公司是否愿意接收），且回馈至110KVAC的电能只有社会效益，地铁公司无经济效益。（俗话说节电不节钱）

逆变回馈型再生能量吸收装置技术非常成熟，已经在风力发电、光伏发电中得到广泛应用。逆变回馈单元采用模块化设计、维护维修便利。

2.2.3储能型吸收方式

储能型吸收方式主电路示意图如图4所示，采用超级电容作为储能元件，设置直流双向变流器作储能和回馈的功率控制转换。在列车制动时将能量储存在超级电容中，在列车牵引时将储存的电能回送至牵引直流电网，保持牵引直流电网的稳定。

图4：储能型吸收方式主电路示意图

由于电容储能设备具有无损耗转换，且储存的电能全部应用于直流电网。经济效益明显，还能改善电压特性。由于环境温度、电容充放电频率、电容充放电深度直接影响电容的使用寿命，所以电容型地面再生制动吸收装置需要充分考虑

上述因素；由于目前超级电容的价格比较高，且能量密度较低，故设备价格偏高，设备体积偏大。

此外，储能型吸收装置还有一种采用飞轮的装置，能量密度大于超级电容，但其机械结构复杂，空载损耗较大。

个人认为超级电容储能型吸收装置是该类系统未来的发展方向。

2.2.4混合型吸收方式

混合型吸收方式是上述任意方式的组合，现场使用最多的是电阻+逆变混合型！

2.2.5各种吸收方式性能比较

表1：各种吸收方式性能比较

电阻耗能型逆变回馈型电容储能型混合型外形尺寸小小最大大

系统损耗最大小最小大

对电网影响无有无有

设备造价最低高最高低

电能利用全部消耗全部全部部分利用

3.吸收方式及产品应用

3.1电阻耗能型：

目前已在10余条运营线路中应用，数量超过200套；

⏹重庆2号线，跨坐式轻轨

⏹天津1号线；

⏹广州4号线，直线电机