列车再生制动方法条件
高速列车制动系统
高速列车制动系统第一节制动方式一、按列车动能转移方式分类：1.热逸散闸瓦制动（踏面制动）摩擦制动盘形制动磁轨制动液力制动电阻制动动力制动轨道涡流制动旋转涡流制动（涡流盘形制动）2.列车动能转变为可用能再生制动飞轮贮能制动二、按制动力形成方式分类：闸瓦制动（踏面制动）盘形制动液力制动粘着制动电阻制动旋转涡流制动（涡流盘形制动）再生制动飞轮贮能制动磁轨制动非粘着制动轨道涡流制动三、闸瓦制动、盘形制动闸瓦制动—应用最广泛的一种制动方式。
但在高速运行时不宜采用，因为高速时闸瓦摩擦系数较小，制动力不够。
高速列车中闸瓦制动只能发挥很小的制动力效果，一般作为盘形制动的补充形式，起改善踏面粘着的作用，或配合其它制动起到低速制动的作用。
盘形制动—UIC规定：当动力制动失效时，摩擦制动必须保证高速列车在规定距离内停车。
经UIC研究，闸瓦制动只能适应于速度低于140km/h的场合。
因此，大功率盘形制动成为所有高速列车必备的制动方式，但在高速列车动车上也只起辅助制动作用。
盘形制动的优点：①大大减轻了车轮踏面的机械和热作用；②制动功率极限比踏面制动大；③可按制动要求选择最佳“摩擦副”，能在从高速到低速的制动过程中充分利用粘着。
盘形制动的缺点：①粘着系数有所降低，为防止车轮滑行擦伤，要考虑安装踏面清扫器；②在运行时制动盘要消耗一定的功率；③制动盘使转向架簧下重量增加，在高速运行时对动力学性能产生不良影响。
四、动力制动—电阻制动、再生制动电阻制动—在制动时将原来驱动轮对的牵引电动机逆转为发电机，将列车的动能转变为电能，并在制动电阻上转变为热能散发掉。
电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。
电阻制动的优点：①制动力随列车运行速度增高而增大，保证高速列车在运行中有可靠的制动效能；②可以实现良好的制动力特性调节；③控制方便、作用快、制动平稳。
再生制动—在制动时将原来驱动轮对的牵引电动机逆转为发电机，将列车的动能转变为电能，并将电能反馈到供电系统。
高铁列车制动能量回收与再利用技术研究
高铁列车制动能量回收与再利用技术研究摘要：高铁列车作为一种快速、高效的城际交通工具，具有快速、高效、安全等优点，但同时也存在能源浪费的问题。
随着能源资源日益紧缺的情况，如何利用高铁列车运行中的制动能量进行回收与再利用成为了一个重要课题。
本文针对高铁列车制动能量回收与再利用技术进行了深入研究，分析了目前主流的技术方案，提出了一些改进和优化措施，希望可以为高铁列车的节能减排提供一些参考。
关键词：高铁列车；制动能量；回收与再利用；技术研究一、引言高铁列车作为一种快速、高效的城际交通工具，每天运输着大量的乘客，为人们的出行提供了便利。
然而，高铁列车的运行过程中会消耗大量的能源，其中一部分能量在列车制动时会以热能的形式散失，造成能源的浪费。
如何有效地回收和再利用高铁列车制动时产生的能量，成为高铁运输领域中亟待解决的问题。
二、高铁列车制动能量回收技术研究现状目前，关于高铁列车制动能量回收技术的研究已经取得了一些进展。
主要包括以下几个方面：1. 制动能量回收装置通过在高铁列车的车轴上安装装有电机的装置，将列车在制动过程中产生的动能转化为电能储存起来，以便在列车再次加速或行驶时使用。
这种装置可以有效地提高列车的能源利用率和运行效率。
2. 贮能装置的设计与优化制动能量回收后的电能需要存储在贮能装置中，以便在需要时释放给列车使用。
如何设计和优化这种贮能装置，使其能够高效、稳定地存储和释放电能，是当前制动能量回收技术研究的重点之一。
3. 控制系统的设计与优化高铁列车的制动能量回收需要一个精密的控制系统来控制整个过程，包括制动、能量回收、存储和释放等环节。
如何设计和优化这个控制系统，使其能够灵活、高效地控制整个回收过程，是当前制动能量回收技术研究的另一个难点。
三、高铁列车制动能量再利用技术研究现状除了对制动能量进行回收外，如何再利用回收后的能量也是一个重要的研究方向。
目前，主要有以下几种再利用技术：1. 再生制动再生制动是一种利用电能将列车减速的技术，通过将列车的运动能转化为电能并存储起来，可以在列车再次加速时释放出来，从而减少外部电源的消耗。
高铁列车再生制动技术的研究与应用
高铁列车再生制动技术的研究与应用一、引言高铁列车作为现代铁路交通的重要组成部分，具有运行速度快、安全性高、准点率高等特点，受到广泛应用。
然而，高铁列车在日常运行中会产生大量的制动能量，若能够有效利用这些制动能量，将有利于节能减排，提高能源利用效率。
因此，再生制动技术成为提高高铁列车能效的重要途径之一。
二、再生制动技术的原理再生制动是指利用列车制动时产生的制动能量进行回收和再利用的技术。
在高铁列车上，通常通过将制动器的输出转换为电能并将其输出到列车供电系统中，以达到再生利用的目的。
再生制动的基本原理是利用电机将动能转化为电能储存在电池中，然后再在需要的时候将电能释放出来，转化为动能用于推动列车。
三、再生制动技术的发展历程再生制动技术最早出现在电动汽车领域，随着电动汽车技术的发展，再生制动技术逐渐应用于轨道交通领域。
在高铁列车上，再生制动技术的发展经历了多个阶段，从最初的实验阶段到成熟的商业应用阶段。
目前，再生制动技术已经成为高铁列车智能化、节能减排的重要手段。
四、再生制动技术在高铁列车上的应用再生制动技术在高铁列车上的应用主要包括两个方面：一是在普通制动中应用再生制动技术，通过将制动能量转化为电能回收利用，减少能源浪费；二是在辅助制动中应用再生制动技术，通过控制列车的辅助制动系统，实现更高效的再生利用。
五、再生制动技术的优势和挑战再生制动技术具有明显的优势，包括节能减排、提高能效、降低运营成本等方面。
然而，再生制动技术也面临一些挑战，如如何有效控制再生制动系统的复杂性、如何优化再生制动系统的性能等。
六、再生制动技术的研究现状目前，国内外对再生制动技术的研究已经取得了一些进展，如美国的AMT技术、日本的SCMaglev技术等。
在中国，一些高铁制造企业也积极探索再生制动技术的应用，如中车集团、中车四方等。
七、再生制动技术的未来发展未来，再生制动技术将继续发展，不仅在高铁列车上得到广泛应用，也将在地铁、城市轻轨等领域得到推广。
城市轨道交通再生制动能量吸收逆变装置分析及比选
城市轨道交通再生制动能量吸收逆变装置分析及比选发布时间：2021-06-30T07:52:50.898Z 来源：《中国科技人才》2021年第10期作者：彭飞[导读] 城市轨道交通车辆无论是采用旋转电机还是直线电机，制动模式大多采用电气制动（再生制动/电阻制动）＋空气制动互补的形式。
列车运行中的制动以电气制动为主、空气制动为辅。
在电气制动时，优先采用再生制动。
昆明地铁运营有限公司云南省昆明市 650000摘要：本文结合国内外城市轨道交通工程列车再生制动能量吸收装置的开发运用，从原理、组成等方面介绍了电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型四种能量吸收逆变装置，并对四种装置的优缺点进行了分析及对比，指出了目前运用的最佳方案及将来的发展方向。
关键词：再生制动；吸收逆变；分类；对比城市轨道交通车辆无论是采用旋转电机还是直线电机，制动模式大多采用电气制动（再生制动/电阻制动）＋空气制动互补的形式。
列车运行中的制动以电气制动为主、空气制动为辅。
在电气制动时，优先采用再生制动。
列车制动时电机处于发电机工作状态，将列车的动能转换为电能。
这部分电能扣除电机、逆变器损耗之后，一部分供本列列车辅助设备（如空调、通风机、空压机、直流负荷等）使用，其余大部分供线路上其它列车的牵引或其它能量吸收装置吸收。
当列车处于再生电气制动时，若牵引网具备吸收能力，列车基本能稳定的再生制动。
而当单列列车运行时，此时牵引网不具备吸收能力，列车只能采用电阻制动或空气制动。
列车再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的20%—40%。
而这些再生能量除了按一定比例（根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的制动电阻吸收并以发热的方式消耗掉。
国内多数地铁列车的再生制动能量吸收装置均采用车载制动电阻形式，其制动电阻分散安装在各动车底部。
因此，为节约能源，在列车车体外设置列车再生制动能量吸收装置成为研究和发展的方向，目前应用的方案主要分为电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型四种装置。
列车不同制动模式
保持制动控制
为使列车在坡道上停车时保持静止，防止列车在坡道上起动时倒溜， 在列车临时停车时，而实施保持制动。它通过常用制动实现（如制动力 为最大常用制动力的70％）。
当车速小于5km/h时，保持制动自动施加；当列车的牵引力达到10% 的最大牵引力或车速大于2km/h时，保持制动自动缓解。
停放制动控制
紧急制动控制
紧急制动是在紧急情况下为使列车尽快停住所施加的制动，也称“非常 制动”。其特点为纯空气制动，作用迅猛，不受冲动限制，制动力达到最 大，停车前不能缓解。在最大超员工况下，车轮半磨耗状态下，列车紧急 制动的平均减速度不低于1.2m/s2。
紧急制动控制
紧急制动是独立的控制回路，只要紧急制动环路断开，列车就会 产生最高安全等级的紧急制动。只要出现下列之一情况，列车紧急制 动环路断开：
停放制动可使列车在一定坡道路面上可靠停驻。在每根轴上，具有一 个带停放制动功能的踏面制动单元，在一个转向架上，停放制动对角 布置。 停放制动通过弹簧施加，是纯机械制动。在列车停车时，当总风压力 下降到停放制动开始施加的压力后（如450Kpa），停放制动能够自动 施加，当总风压力恢复时停放制动应能自动缓解并恢复停放制动的正 常功能。 停放制动实施后，可手动缓解，一旦手动缓解了停放制动，停放制动 即失效，在总风压力处于正常范围时，进行一次制动操作，停放制动 功能自动恢复。
制动方式
常用制动力分配原则
(1)电制动力的分配原则:由于车辆编组每单元为三节，假设每单元 自己提供制动力，总共需要300%的制动力，而电制动时只有动车能 提供制动力，每单元的三节车中只有两节动车，因此每节动车承担 150%的制动力。 (2)气制动力的分配原则:由A、B和C车组成的单元车则需300%的气 制动力，每节车的(气制动控制单元)根据本车的载荷重量负责本车 100%的制动力。
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列车再生制动能量回收的方法及分析城市轨道交通是耗电大户。
而如何高效利用电能是目前城市轨道交通节能技术的关键问题。
车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，因此要求起动加速度和制动减速度比较大，并具有良好的起动和制动性能。
城轨交通供电系统一直采用二极管整流技术实现交流电源到直流牵引电源的转换，特别是采取24脉波整流技术后，与电网的谐波兼容问题得到较好地解决。
该技术虽然可以较好地满足车辆牵引取流的需求，但是此类系统存在以下问题：（1）只能实现能量的单向流动，对于需要频繁起动和制动的地铁、轻轨等交通工具，制动能量的回收有着很大的潜力。
车辆再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30％甚至更多。
而这些再生能量除了按一定比例(一般为20％～80％，根据列车运行密度和区间距离的不同而异)被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。
如果在一列地铁列车刹车时附近没有其他列车加速运行，那它所回馈的电能中只有30％～50％能被再次利用(尤其是在低电压、高电流的网络系统里)。
如果当列车发车的间隔大于10 min时，再生制动能量被相邻列车吸收重新利用的概率几乎为零。
（2）由于制动电阻的发热引发站台和地下隧道热量积累、温度上升，某些城轨系统隧道温度高达50℃，不得不加大通风设备的容量，造成严重的二次能耗；（3）对于车载制动电阻模式制动电阻增加车体自重造成的电能消耗十分可观；（4）牵引网上同时在线运行的车辆有十几对甚至几十对，负荷的变化造成牵引网压波动严重，不利于车辆平稳、可靠运行。
可见车辆的制动能量至今还是一种没有被很好地开发利用的能量。
目前,在我国大力提倡节能降耗的形势下，城轨供电系统的发展进度已滞后列车车辆技术的发展，多个待建的城市轨道线路，如无锡、苏州、长沙、西安、深圳和广州等多条线路，都提出了对现有牵引供电系统进行技术改造的需求或者是寻求更好的储能装置去回收这些多余的再生能量。
浅谈高速列车的制动形式
浅谈高速列车的制动形式摘要:从能量的观点来看，制动的实质就是将列车动能转变成别的能量或转移走；从作用力的观点来看，制动就是让制动装置产生与列车运行方向相反的外力，使列车产生较大的减速度，尽快减速或停车。
制动方式问题采取什么方法将动能转化或转移，通过什么方法产生，这是制动的一个基本问题。
关键词:高速列车闸瓦制动盘型制动磁轨制动1.前言根据列车动能消耗的方式不同，制动方式可分为摩擦制动和动力制动。
摩擦制动包括闸瓦制动、盘型制动和磁轨制动等。
动力制动包括电阻制动、再生制动、电磁涡流转子制动等。
2.摩擦制动摩擦制动是指通过机械摩擦来消耗列车动能的制动方式。
其优点是制动力与列车速度无关。
无论列车是在高速还是低速时都有制动能力，特别是在低速时能对列车施行制动直至停车。
可以说摩擦制动始终是列车最基本的制动方式。
摩擦制动的缺点是，制动力有限，这是受热能散发的限制而直接影响制动功率增大的缘故。
2.1闸瓦制动闸瓦制动也称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。
它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块（闸瓦）紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能耗散于大气，并产生制动力。
由于滑动摩擦系数比粘着系数小得多，故制动力将突然迅速减小。
在强大的闸瓦摩擦力矩作用下，车轮转速将显著降低，直至停止转动。
但列车速度并未同时显著降低，已停止转动的车轮在钢轨上滑行，使车轮踏面发生局部擦伤。
当闸瓦压力一定时，制动力的大小取决于闸瓦摩擦系数。
闸瓦摩擦系数与闸瓦的材质、列车运行速度、闸瓦压强和制动初速有关。
2.2盘型制动盘型制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴或车轮辐板侧面安装制动盘，用制动夹钳使两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，将列车动能转变成热能，消散于大气。
与闸瓦制动相比，盘型制动有下列主要优点：（1）可大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。
（2）可按制动要求选择最佳“摩擦副”。
盘型制动的制动盘可以设计成带散热筋的，它旋转时具有半强迫通风之作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸瓦提供了有利条件，与闸瓦制动相比，它更适宜于高速列车。
试论城市轨道交通车辆再生制动原理
试论城市轨道交通车辆再生制动原理城市轨道交通车辆再生制动是指在列车行驶中通过转换系统将列车的动能转化为电能，并反馈给电网或电池进行储存，从而达到节能减排的目的。
下面将从原理、设备和效果三个方面进行详细介绍。
一、再生制动的原理再生制动利用列车制动时产生的动能来发电，实现能量的再利用。
当列车制动时，电机变为发电机，将动能转化为电能。
在传统的非再生制动中，电能会转化为热能通过制动电阻散失，而再生制动则将这部分电能通过转换系统反馈给电网或电池，实现能量的回收和储存。
再生制动的过程可以分为四个步骤：制动开始、制动增加、制动减小和制动停止。
当制动开始时，列车的动能开始转化为电能，电能通过逆变器经过滤波进行处理后，反馈给电网或电池进行储存。
随着制动力的增加，电能的回收效果也会越好。
当制动减小时，电能回收的效果也会相应减小。
在制动停止的过程中，列车将停止制动，转换系统也不再进行能量的回收。
二、再生制动的设备再生制动需要通过一些设备来实现，主要包括逆变器、滤波器、电池储能装置和转换系统等。
逆变器是一种将直流电转化为交流电的装置，可以将电机产生的直流电转化为交流电，以供电网使用或储存到电池中。
滤波器主要用于对逆变器输出的电能进行滤波处理，使得输出的电流更平稳，减少对电网的干扰。
转换系统是连接逆变器、滤波器和电池储能装置的关键部分，它负责将列车动能转化为电能，并将电能传输给逆变器进行处理，最后将处理后的电能反馈给电网或储存在电池中。
三、再生制动的效果再生制动可以在一定程度上减轻列车制动时的机械磨损，延长列车的使用寿命。
通过回收和利用制动时产生的电能，再生制动可以实现能量的再利用，节约能源。
根据实际的测试数据，再生制动可以降低列车能耗约10%至30%。
再生制动还可以减少空气污染物的排放，改善城市空气质量。
由于能量的回收和利用，再生制动可以减少列车制动时因制动电阻散失而产生的热量，降低了列车内部温度的上升，减少了空调设备的能耗和使用频率。
列车制动方式分类、原理及其应用
（2）再生制动
• 再生制动是把电动车组的动能 通过电机转化为电能后，再使 电能反馈回电网提供给别的列 车使用。
3.电磁制动
（1）磁轨制动
在转向架构架侧梁4下通过升降风 缸2安装有电磁铁1，电磁铁下设 有磨耗板5。制动时将电磁铁放下 ，使磨耗板与钢轨3吸住，列车的 动能通过磨耗板与钢轨的摩擦转 化为热能。其优点是制动力不受 轮轨之间的粘着系数的影响，轨 道电磁制动能得到较大的制动力 ，但重量较大，增加了车辆的自 重，也加速了钢轨的磨耗。因此 ，轨道电磁制动常被高速列车用 作紧急制动时的一种补充制动手 段。
2.动力制动
动力制动：动力制动在制动时，将牵引电机变为发电机 ，使列车动能转化为电能，对这些电能的不同处理方式 形成了不同方式的动力制动。城市轨道交通车辆上采用 主要有电阻制动和再生制动。 （1）电阻制动
• 将发电机发出的电能加于电阻 器中，使电阻器发热，即电能 转变为热能。电阻器上的热能 靠风扇强迫通风而散于大气中 。电阻制动一般能提供较稳定 的制动力，但车辆底架下需要 安装体积较大的电阻箱。
跟据列车管压力的变化，三通阀有3个基本位置。 1）充气缓解位：列车管压力增加时，在三通阀活塞两侧形成压差，三通阀活 塞及活塞杆带动节制阀及滑阀一起移至右极端位，这时充气沟露出。三通阀内 形成以下两条通路： ①列车管→充气沟 →滑阀室→ 副风缸； ②制动缸→滑阀座→滑阀→三通阀Ex口→大气。 2）制动位：制动时，司机将制动阀手把放至制动位，列车管内压缩空气经制 动阀排气减压。三通阀活塞带动滑阀、节制阀左移，副风缸向制动缸充气，产 生制动作用。 3）保压位：在列车管减压到一定值后，司机将制动阀手把移至保压位，列车 管停止减压。活塞左侧压力不再下降，但三通阀仍处于制动位，副风缸压缩空 气继续充向制动缸，活塞右侧压力继续下降。当右侧副风缸压力稍低于左侧列 车管的压力时，活塞将带着节制阀向右移一间隙距离，节制阀遮断副风缸向制 动缸的充气通路，副风缸、列车管、制动缸压力均不变。
列车组再生制动正确使用流程
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城轨交通再生制动能量回收技术
城轨交通再生制动能量回收技术摘要：随着国家经济建设的飞速发展，我国的城轨建设也愈加完善。
城市轨道交通不仅能够方便人们的出行，也能够缓解城市道路拥挤的问题。
但是，随着城市轨道交通的蓬勃发展，其电能消耗量也不断攀升，带来不可忽视的能耗问题。
若能够实现列车运行工作中产生的再生制动能量的再利用，这样不仅能够减少列车运行过程中的电能消耗而且能够节约电能。
关键字：再生制动能量；回收利用技术；回收利用装置；系统容量1、再生制动能量城轨车辆一般的制动方式为电制动和空气制动混合制动；列车在制动时先采用电制动，当列车的速度减小到规定的速度时电制动不起作用，列车将采用空气制动使列车精准停车。
再生制动能量的原理是将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，它将列车制动能量转化为电能，该电能反馈到接触网供其他列测使用。
由于每站间的距离比较短，列车频繁的制动将会产生大量的制动能量。
制动能量可以达到牵引能量的40%~50%，部分再生制动能量（一般为30%~50%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分通过电阻以热量的形式消耗掉；若能将这些能量回收利用，效益相当可观。
因此，地铁再生制动能量回收的研究就变得非常有意义。
2、再生制动能量的利用技术制动能量吸收装置主要包括有电阻耗能型，电容储能型，飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。
电阻耗能型是目前运用的最成熟和最广泛的制动能量吸收装置。
其原理是将车上的制动斩波器和制动电阻移到地面，利用大功率电阻将再生制动产生的能量以电阻发热的形式消耗掉。
超级电容器组通过双向DC/DC变换器与牵引供电直流电网相连。
当列车启动加速，牵引供电直流电网的电压较低时，超级电容储能型装置通过双向DC/DC向电网提供能量，能减小电网压降；当列车制动，牵引供电直流电网的电压高于一定值时，超级电容通过双向DC/DC从电网上吸收城市轨道交通的再生制动能量，保持牵引网电压不超过最大值。
地铁车辆再生制动能量利用方案
地铁车辆再生制动能量利用方案摘要: 现在, 节能减排已成为中国基础国策, 建设低碳型交通基础设施、推广应用低碳型交通运输装备是城市轨道交通建设者责任。
地铁因为站间距比较短, 制动频繁、列车起动, 考虑各钟车型、站距、编组、发车间隔等差异, 列车电制动时产生再生能量可达成牵引能量40%以上。
充足利用列车再生能量将节省大量能量, 产生效益可观, 为节能减排做出贡献。
西安市地铁已经运行1、2号线, 在建3、4、5、6号线, 怎样在确保线路运行安全前提下, 提升供电水平, 同时为城市节能减排做出贡献, 是我们必需考虑问题。
关键词: 轨道交通; 列车制动; 能量回馈1 传统列车车载制动电阻方案存在问题现在中国外城市轨道交通动车组列车均采取VVVF牵引/制动系统, 采取交流电机驱动列车, 制动系统普遍采取空气制动和电制动混合形式。
列车在运行时, 牵引系统将电能转为机械能, 使机车开启加速; 在制动时, 一部分采取电制动, 将机械能转为电能使列车制动, 另一部分采取空气制动, 经过刹车闸瓦与车轮踏面摩擦而产生制动使列车减速。
传统列车上设置了车载制动电阻。
当列车制动时, 首先采取再生制动方法, 列车电机从电动机状态转换为发电机状态, 将机械能转换为电能返回到牵引网系统, 返回到牵引网系统能量部分被相邻列车吸收, 因为线路行车密度等多个原因, 很大部分能量不能被回馈, 此时大量电能量得不到释放, 将会使系统供电网电压急剧上升, 为此列车上设置了制动电阻, 将这部分能量经过电阻变成热能吸收, 稳定系统电压。
电阻所转化热能, 车站环控专业经过隧道活塞风、车站轨顶排风和车站轨底排风, 将热量排出车站外。
车载制动电阻使用即使方便, 但也有缺点: （1）列车制动电阻吸收再生制动能量转换为热能白白消耗了, 没有起到节能减排作用。
（2）列车制动电阻吸收再生制动能量转换为热能散于隧道内, 即使部分能够经过隧道活塞风排出隧道, 但还有部分遗留在隧道, 这部分热量使隧道温升逐步上升; （3）列车制动电阻重量大, 列车运行时, 不仅没有节能, 还增加列车牵引能耗。
重载铁路再生制动能量利用方案研究
第16卷第1期2021年3月电气工程学报Vol.16 No.1Mar. 2021DOI：10.11985/2021.01.020重载铁路再生制动能量利用方案研究刘华伟1耿安琪2何正友2胡海涛2张宏伟2(1. 神华包神铁路集团有限责任公司包头014010；2. 西南交通大学电气工程学院成都611756)摘要：重载铁路运输作为铁路的重要发展方向之一，具有效率高、成本低且运能大的特点。
近年来，我国重载铁路运能不断提高的同时，也使得能源消耗问题日益凸显。
针对如何实现重载铁路的节能降耗，提出了一种基于混合储能的再生制动能量利用方案，通过利用蓄电池和超级电容器在性能上的互补性，实现混合储能系统对重载铁路再生制动能量的高效利用。
结合神朔铁路的实测数据，对该条线路的负荷情况进行了分析，并针对混合储能系统设计了有效的能量管理策略，最后在实测数据的基础上对系统的经济性进行了评估。
分析结果验证了提出能量管理策略的有效性，以及再生制动能量利用方案具有很好的经济性。
关键词：重载铁路；再生制动能量；混合储能；经济性中图分类号：TM711Research on Energy Utilization Scheme of Regenerative Braking forHeavy Haul RailwayLIU Huawei1GENG Anqi2HE Zhengyou2HU Haitao2ZHANG Hongwei2(1. Shenhua Baoshen Railway Group Co. Ltd., Baotou 014010;2. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756)Abstract：As one of the important development directions of railroad, heavy-duty railroad transportation has the characteristics of high efficiency, low cost and large capacity. In recent years, while China heavy-duty railroad capacity has been increasing, it also makes the problem of energy consumption increasingly prominent. A hybrid energy storage based regenerative braking energy utilization scheme is proposed to realize the efficient utilization of regenerative braking energy for heavy-duty railroads by using the complementary performance of storage battery and supercapacitor. The load conditions of the line are analyzed with the measured data of the Shenshuo railroad, and an effective energy management strategy is designed for the hybrid energy storage system, and finally the economics of the system is evaluated based on the measured data. The analysis results verify the effectiveness of the proposed energy management strategy and the good economics of the regenerative braking energy utilization scheme.Key words：Heavy-haul railway；regenerative braking energy；hybrid energy storage system；economy1 引言2019年，全国铁路货运总发送量完成43.98亿吨，增长7.2%[1]。
列车制动方式
2. 动力制动 依靠机车或动车的动力机械通过传动装臵产生的制动力。 2.1 电阻制动
制动时，变牵引电动机为发电机，将所发电能加于电阻
器中，使它发热，靠风扇给电阻器强迫通风而将热量消散于 大气中。电力机车、电传动内燃机车和电动车组等，即凡用 牵引电动机驱动的动力车都有可能实现电阻制动。但车辆底 架下需要安装体积和重量都较大的电阻箱和散热风机。
2.制动一般概念及其在铁路运输中的意义 2.1 制动的一般概念
（1）“制动”：人为地施加于运动物体，使其减速(含防止其加速)或停 止运动或施加于静止物体，保持其静止状态。这种作用被称为制动作 用。简称“制动”。 （2）“缓解”： 对已经施行的列车，解除或减弱其制动作用，均可称 之为“缓解”。 （3）“制动装置”： 为使列车能施行制动和缓解而安装于列车上的由 一整套零部件组成的装臵，称为制动装臵。
一．列车动能转移方式 分两类：“热逸散”和可用能。 （一）热逸散 动能转变为热能，然后消散于大气中。 1、摩擦制动：把列车动能转变为摩擦热能。 1.1 固体摩擦制动；1.2 液体摩擦制动； 2、动力制动：制动时将牵引电动机变成发电机，通过它将 列车动能转化为电能。 （1）电阻制动； （2）旋转涡流制动； （3）轨道涡流(线性涡流)制动：
列车制动在操纵上按用途可分为两种： （5）“常用制动”：正常情况下为调节或控制列车速度，包 括 进站停车所施行的制动。其特点是作用比较缓和且制动力可 以调节，多数情况下只用50％左右。
（6）“紧急制动”：紧急情况下为使列车尽快停住而施行的 制 动，其特点是作用比较迅猛，而且要把列车制动力全部用上。
列车制动装置见图片
（4）“制动距离”：从司机施行制动(将制动阀手柄移至制动位)的瞬间 起，到列车速度降为零的瞬间止，列车所驶过的距离。它是综合反映 列车制动装臵的性能和实际制动效果的主要技术指标。 根据我国原《技规》“列车在任何线路坡道上的紧急制动距离， 规定为800米”。但是，在设计机车车辆时要求的只是在空旷的平直道 (即无隧道、无坡道、无弯道)以“构造速度”运行时，其紧急制动距离 不超过800米。
2万吨操纵要点
一、两万吨列车的平稳操纵1、起车（1）、始发站：起车时将牵引力给至100KN停留5秒后缓慢增大牵引力启动列车，全列车启动后再加速。
（2）、区间上坡道：停车前先小后大压缩车钩初制动停车，并适当撒砂为起车做好准备。
再开车时，先缓大闸给牵引，稳定300KN，后缓小闸增牵引，10秒后逐渐加大至600KN，适当撒砂，平稳起车。
（3）、区间下坡道：先缓大闸，逐渐缓小闸，速度5公里给再生上200KN后缓解小闸至0kpa。
（4）、分相前停车后的起车：需在分相前停车时，如处于平道或上坡道必须留有足够的起车加速距离2 、工况转换工况转换必须保持10秒，使车钩压缩、伸张力自然释放后再改变工况操纵。
3、起伏坡道操纵办法：列车运行在起伏坡道时，司机应根据线路纵断面及全列车车钩伸张状况，尽量稳定工况，采取小牵引、小再生通过变坡点，减少列车纵向冲动力。
4、空制调速（1）、早撂少撂，正常情况尽量避免追加减压，不具备条件严禁盲目缓解。
（2）、空气制动调速原则上为初减压；一次减压超过初减压或追加减压超过10KPA必须停车缓解，同时进行机车走行部检查（重点机车车钩）。
5、停车操纵列车站内停车时，再生制动将速度控至20公里以下，先小后大、初制动减压停车（车未停稳不得改变再生力的大小，停车前小闸补偿），严禁追加。
4、过分相时操纵要点（1）、平道：惰力过分相。
（2）、连续长大上坡道：主控机车分相前300米牵引力逐渐退至零惰力过分相，主控机车过分相后自检完成后牵引力给至200KN，待从控机车过分相后再缓慢加载。
（3）、连续长大下坡道，主控机车在距分相300米时将再生缓慢降到100KN带级过分相（带级断电使从车仍保持级位保持电流）从控过分相后再逐步加载。
二、两万吨列车再生制动的注意事项1、最大极限HX1型机车最大再生限制值不超过400KN（防止中部机车再生过大发生脱线事故）。
2、给退再生的方法（1）、给再生：手柄由0缓慢给至100KN后停顿10秒，确认从车投入正常后缓慢给至300KN，全列车钩压缩后给至目标值。
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条件再生反馈电压必须高于直流牵引电网电压再生制动能量可被本列车的辅助设备吸收利用，也可提供相邻列车使用再生制动能量循环利用主要有储能和逆变两种方式:储能所采用的技术主要有蓄电池储能、电容储能、飞轮储能3种;而能量回馈所采用的技术主要是逆变至中压网络和低压网络两类。
(1)蓄电池储能蓄电池储能系统如图所示，该装置是将制动能量吸收到电池介质中，当供电区间有列车需要取流时，再将所储存的能量释放出去，由于蓄电池本身的特点充放电电流小，瞬间不能大功率充放电，所以该装置体积较大电池处于频繁充放电状态将影响其使用寿命，储能容量相对较少。
（2）飞轮储能型采用飞轮储能方式的吸收装置由储能飞轮电机、IGBT斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和控制模块等组成。
该装置直接接在变电所正负母线间或接触网和回流轨间，其核心技术是利用核物理工业的物质分离衍生技术而制造的飞轮，该装置设置在真空壳体内，飞轮经过特殊材料和加工工艺制成的轴支撑在底部结构上。
近几年，英国UPT电力公司生产的成熟运营的飞轮储能型产品，在香港电力系统、香港巴士公司、英国、纽约部分地铁均有应用。
国内北京大学某实验室有类似的小功率产品研制，但飞轮的机械参数难以达到国外的水平，无法在工程中投入使用。
该产品的优点：有效利用了再生制动能量，节能效益好；并可取消(或减少)车载制动电阻，降低车辆自重，提高列车动力性能；直接接在接触网或变电所正负直流母线间，再生电能直接在直流系统内转换，对交流供电系统不会造成影响。
该产品的缺点：飞轮是高速转动的机械产品，对制造工艺要求很高，需采用真空环境和特殊轴类制造技术，成本较高。
使用寿命是否能满足要求，维护维修是否方便，另外国内无成熟技术和产品等都成为制约其推广的因素。
（3）超级电容储能以已经投入运行的北京地铁5号线为例简单说明超级电容储能的应用。
当具有再生制动能力的车辆在变电站能量存储系统附近释放能量时，牵引网网压上升，能量存储系统的调节器可探测到这种情况，并将牵引网系统中暂时多余的能量存储到电容器中，使牵引网网压保持在限定范围内。
若车辆在变电站能量存储系统附近起动或加速，牵引网网压下降，此时，能量存储系统的调节器将能量从存储系统输送回牵引网系统中，保持牵引网网压稳定。
在直流牵引网的空载状态下，能量存储系统从牵引系统吸收一部分能量，通过这种方式可以帮助车辆起动。
储能系统的基本工作原理如下：+SlAl—Sl为隔离开关，维护设备时，可将系统从干线牵引网隔离开来。
并可使用+SlA2—Q0断路器隔离系统。
+SlA2—QO断路器发生故障导致短路时，熔断器+S1Fl将熔断。
充电时，与+SlA2—QO断路器并联的预充电路(+S 1 A 1—F l、+S1Al—K1和+S1A1—Rl和)将对间接电容器(Czk)进行“软”预充，避免充电冲击电流太大损坏设备。
间接电容器为一组直流滤波电容器。
牵引网产生瞬变电压时，+S3—L 1滤波电抗器将保护能量存储系统。
此外，该电抗器将牵引网和变流单元的谐波电流有效地分隔开来。
+S3—G l、+S3—G2是变流单元的2个变流器模块(图2)，每个变流器模块分别包括2条变流器分路，共4条变流器分路对能量的总量及流向进行调节控制。
+S 3—Fl、+S3—F2、+S3—F3，+S3—F4为带熔断器的手动隔离开关，+S 4—L1、+S4—L2、+S4—L3、+S4—L4为平波电抗器。
进行设备维修时将系统从牵引网隔离出来以后，使用由+S3—V1和S9—R1组成的放电支路对能量存储系统进行放电。
+S5—E1……+S8—E8为储能双层电容器。
双层电容器特点：高动态充电容量，具有频繁充放电能力，免维护，高效率，可分级控制储能容量。
该系统的应用具有明显优势：能量存储系统先进、高性能的控制回路，在实时检测到牵引网的网压波动达到设定的条件后，能够快速地启动充放电装置，对牵引网进行充、放电；而同时由于采用了能够快速进行充放电的双层电容器，整套装置能够对牵引网的电能变化做出及时反应，从而改善牵引网供电质量，满足车辆起动和制动需要。
北京地铁5号线的14座牵引变电所均预留安装再生电能吸收装置，从目前4套再生电能吸收装置的运行情况来看，在改善牵引网供电质量、提高车辆舒适性方面，效果良好，达到了设计目的。
北京地铁5号线变电所的一套再生电能吸收装置设备采购费用为51O余万元人民币，造价昂贵。
因此，在计划采用这种设备时需要考虑经济效益，对近期和长期经济效益、社会效益要综合比较，最终确定是否可行。
随着产品的大规模化生产以及电子产品的飞速发展，类似产品的价格必将大幅下降，相信不久的将来再生电能吸收技术能在地铁领域得到大面积应用，成为轨道交通牵引供电技术发展的方向。
其次是逆变装置以及相关技术（1）逆变至中压网络的应用本方案采用如图1所示原理图。
虚线框中的部分即所提出的再生制动能量回馈系统，从主接线上看，该系统与牵引供电支路并列布置在交流中压电网和直流牵引母线之间。
系统包含1台多重化变压器以及多个四象限PWM变流器模块，整套装置与传统的二极管整流机组并列布置。
系统的多重化变压器一次侧通过高压开关柜QFac与交流中压电网相连，其低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，四象限变流直流侧则并联在一起后通过直流开关柜QFdc和负极柜QCdc与直流牵引母线相连。
系统检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式。
此时装置将多余的再生制动能量通过各重IGBT变流器以及多重化变压器回馈到交流中压电网，此时装置内能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网，且交流中压电网侧的功率因数接近-1。
针对目前城轨供电系统再生制动能量回馈的几个问题，该方案提出了基于多重化四象限变流器的制动能量回馈系统。
仿真和样机试制表明，该系统可以在满足电网兼容性要求的前提下实现制动能量回馈至中压电网的功能，加之所述系统与现有牵引供电系统并列连接，并与中压交流电网和直流牵引网之间相互间兼容性好，有着较大实际意义和推广价值。
（2）逆变至低压压负荷网络逆变至低压网络利用再生制动能量逆变回馈装置来逆变多余的再生制动能量,采用直流牵引网的电压作为能量控制策略依据,提出DC/AC变换器电压外环、电流内环的SVPWM控制策略;运用Matlab/Simlulink搭建了一个750V直流电气化铁路等效模型仿真平台,并通过仿真和实验验证了该控制策略的可行性和有效性。
再生制动能量逆变回馈装置能满足地铁列车再生制动能量吸收利用及稳定直流牵引网电压要求,实现车辆再生制动能量回馈利用。
图1示出再生制动能量逆变回馈装置主电路。
该系统由三相交流电源经降压变压器降压后与二极管构成不可控整流来模拟变电所直流牵引供电系统,整流器输出24脉动整流电压到直流牵引供电网,电路后端加入逆变器和电机,通过控制电机运行的不同状态来模拟地铁运行工况,再生制动能量逆变回馈装置并联在直流母线电压端。
在三相静止对称坐标系数学模型中,因为并网逆变器的交流侧均为时变交流量,所以对控制系统的设计比较复杂。
为使控制系统的设计变简单,可通过坐标变换转换到与电网基波频率同步旋转的d,q坐标系下。
这样,经过坐标旋转变换后,三相对称静止坐标系中的基波正弦量将转化为同步旋转坐标系中的直流变量。
这里对电压源型逆变器采用输出电流控制,在与电网电压矢量同步旋转的d,q坐标系下,应用同步矢量电流PI控制器对逆变器输出电流实施闭环控制,实现有功和无功的解祸控制,达到逆变器输出单位功率因数并网的目的。
图2示出DC/AC控制的流程图,采用基于SVPWM的双环控制结构,直流牵引网的电压采用外环控制,而内环控制逆变器输出电流。
外环控制直流牵引网电压,实际直流牵引网电压叽与给定电压叽'的差值作为直流电压PI调节器的输入,其输出作为对应有功功率的d轴电流参考值ia*,通过调节逆变器传送到电网的有功功率,使直流牵引网电压工作在给定参考电压。
内环为电流控制环,在与电网电压矢量同步旋转的d,q坐标系统下,利用两个PI调节器对逆变器输出电流的d,q轴分量进行解祸控制,PI调节器的输出分别为Ud*和Uq*。
根据Ud*和Uq*及电网电压矢量旋转角度的值,利用7段式SVPWM算法即可得三相参考电压Ua，Ub，Uc的调制波形。
设置iq*=0使逆变器输出功率因数为1。
该装置的驱动电路将无桥Boost的PFC和半桥谐振LLC电路有机结合,具有器件少,成本低,无电解电容,控制简单,输入功率因数高等优点。
由上述分析可知：电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸收装置主要采用IGBT 逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组或飞轮电机中，当供电区间内有列车起动或加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。
该类吸收装置的电气系统主要包括储能电容器组或飞轮电机、IGBT 斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等。
该装置充分利用了列车再生制动能量，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量。
其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，因此应用实例较少。
逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上。
当再生制动使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交流电网。
该吸收装置的电气系统主要包括晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流快速断路器、电动隔离开关、直流电压变换器和调节控制柜等。
该装置充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量。
其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，又不要配置吸收电阻，因此对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。