城市轨道交通可再生制动方案

城市轨道交通可再生制动方案

摘要：城市轨道车辆运行具有频繁启动、制动的特点，机车制动能量的可再生利用已成为了城市轨道交通节能的主要方式。本文对比分析了城市轨道交通可再生制动能量吸收的若干方案，重点分析了基于超级电容的储能型和逆变回馈型可再生制动系统的工作原理和典型拓扑结构。最后介绍了储能-逆变回馈复合型制动方案。

关键词：城市轨道交通；可再生制动；双向直流变换器；逆变回馈

Research on Absorb Project of Regenerative Braking in Urban Rail

Transit

Abstract: Frequent start and braking are the main features of urban rail transportation, and theregenerative utility of braking energy has been considered as one of the most important approach to saveenergy of urban rail transit. Some strategies of regenerative braking energy absorbing is analyzed andcompared in the paper. The principle and typical topological structures of regenerative braking systembased on energy storage of super capacitors and feedback inverters are discussed in detail. Finally, thestrategy that combines energy storage and feedback inverter is presented.

Key words:unban rail transit; regenerative braking; bi-directional DC/DC converter; feedback inverter

1. 引言

随着城市化进程的逐渐加快，城市轨道交通发展迅速。中国人口众多，城市人口密度大，因此城市轨道交通作为重要的公共交通工具在中国发展尤其迅猛。城轨车辆主要为电力牵引，电能费用在运营成本中占据了很大的份额，优化电能的利用率是发展城轨交通的重要问题。其中，对车辆制动能量的可再生利用研究是一个重要方向。

相比长途运输轨道列车，城轨车辆有着频繁启动、制动的显著特点，制动过程所消耗的能量是非常可观的，不但浪费了能源，而且耗散的热量对周围环境造成了一定的影响。因此，对城市轨道车辆制动能量吸收利用的研究具有重要的实际意义

2. 城市轨道交通牵引供电系统简介

城市轨道交通的牵引供电系统主要由牵引降压变电所和牵引网组成[1]，其中牵引网包括反馈电线、接触网或接触轨、钢轨、回流线。电能从10kV～35kV 交流电压母线经牵引降压变电所降压整流输出750/1500 直流电，经反馈电线、接触网，流入车辆，为车辆提供动力以及为车辆的辅助电源供电，而产生的电流从钢轨，回流线流回到变电所，形成了完整

的供电回路，如图1 所示。

图 1 牵引供电系统原理图

由于城市轨道列车的编组一般较短，运输功率不是很大，而且其供电半径也不大，供电电压不需要太高，而且直流电与交流电相比，不需要考虑电抗压降，因此，城市轨道交通的供电采用直流制供电。我国国家标准《地铁直流牵引供电系统》（GBB10411-89）和《城市无轨电车和有轨电车供电系统》（CJ/T1-19999）建议我国城市地铁、轻轨线路牵引电压制式采用750V//1500V 两种，其电压波动范围分别为5000V-900V。高电压可以增大供电范围，减少牵引变电所数量，同时还可以提高供电电压质量。当然高电压供电对输电及电机设备的绝缘水平要求较高。

直流牵引变电所的主要功能是降压和整流，即将交流电线降压在整流成直流电供机车使用。为了减小输出直流电的纹波，提高直流电的质量，整流器多采用多脉波整流方式。现在国内新建的线路都采用两个相位相差15°的十二脉波整流器实现二十四脉波整流，如下图

a）十二脉波整流电路（b）二十四脉波整流电路

图 2 牵引变电所整流电路

3. 可再生制动方式分析

目前，城市轨道交通主要采用VVVF 动车组列车，其制动一般为电制动和空气制动相结合。在制动过程初期，列车速度较快，采用电制动（电阻制动和再生制动），而当速度减小到电制动不起作用时，则利用空气闸瓦制动方式，将剩余的机械能通过机械摩擦转化为热能。

这种制动方式虽然现在被普遍使用，但其存在明显的弊端：1、再生制动产生的能量直接馈到直流母线上，当电能无法被相邻列车吸收时，会导致母线电压升高，会对牵引变压设备造成冲击；

2、电阻制动其实质是将制动过程中吸收的电能通过电阻负载转化为热能释放，会造成隧道环境温度升高，甚至需要外加的散热设备，进一步增加了能耗。当前，城轨制动能量再生吸收方案主要耗散型、储能性、逆变能馈型。

3.1. 耗散型再生吸收方案

该方案将直流母线电网多余的能量消耗在电阻负载上，以热能的形式耗散掉，从而维持电网电压的稳定。其中，耗散电阻多装在地面上，从而减轻机车的散热及装载压力。电阻负载在制动过程中会放掉大量热量，会使周围环境温度升高，必要时还需要加装散热设备。虽然这种方案有利于减小机车机械制动装置的磨损，但从能力的利用角度来看，该方案并没有很好的实现能量的可再生利用。其工作原理如图3 所示。

图 3 耗散型可再生制动原理图

3.2. 储能型再生吸收方案

储能方案主要是经过变换器将直流母线中多余的再生制动能量吸收并存储在储能设备中。常用的储能方式主要有电池储能、飞轮储能、电容储能，对集中储能方式对比如下：

表 1 几种储能方式比较