城市轨道交通制动能量回收技术(1)
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列车停止从接触网受电, 电 动机改为发电机工况, 将列 车运行的动能转换为电能, 产生制动力, 使列车减速
触网电压过压、欠压或一定 距离内无其他车辆，牵引控制单 元(TCU)切断向接触网反馈的电能 , 再生制动不能实现, 此时列车会 自动切断反馈电，实施电阻制动
Biblioteka Baidu
6
接触网电压在1 ～1.2 U ，再生电能必须要由一 定距离内的其他列车吸 收，实施再生制动
电阻耗能型优缺点
19
优点：
具有控制简单、价格低廉、工作稳定可靠等。
缺点：
消耗在电阻上的热能, 不仅形成了热污染, 导致周围 环境温度升高, 增加了车站空调系统或变电所空调 系统的耗电量。
相比再生制动能量回收, 该部分制动能量没有得到 回收利用, 极大地降低了能量综合使用效率。
小结
20
有效回收城市轨道交通车辆的制动能量, 不仅 可以产生显著的经济效益, 而且可以显著的改 善环境。随着制动能量回收技术的完善和商业 化应用的推广, 制动能量回收技术逐渐会显现 出显著的经济效益和环境效益。
IGBT具有电压驱动、驱动功率小、开关速度快、
11
饱和压降低、且便于实现高电压、大电流、安全
工作区宽等优点, 是近年来发展最快、应用范围最
广的全控型器件。用IGBT构成斩波调速器,与晶闸
管斩波器相比，避免了晶闸管斩波器存在的因换
流电路失效而引发的机车失控, 提高了可靠性; 消
除了换流损耗；斩波频率提高数十倍,大大减小了
备的特点是原方输入电流，而副方通过整流原
10
件后输出直流。
馈电线路：电源端向负载设备供电的输电线路 。通常，通过判断馈电是否异常（abnormal feed），来实行对该电路的安全监控。
输入滤波器是“变频器输入端专用型滤波器” 的简称。输入滤波器主要用于对电磁环境要求 较高的场合，防止变频器工作时，变频器输入 端对电网和其它设备产生的干扰。
再生制动能量回收技术
9
——器件储能型
器件储能型：器件储能型在使用电阻耗能型装置作为备 用系统的同时, 主要采用双向DC/DC 变换器将车辆的 再生制动能量吸收到储能器件中, 当供电区间出现用电 需求时,再将储存的能量释放出去。
蓄电池储能 飞轮储能 电容储能
整流变压器是整流设备的电源变压器。整流设
器件储能型类型
14
蓄电池储能
飞轮储能
电容储能
这种技术在电动汽 车与混合动力车体 上应用较为成熟, 在 城市轨道交通制动 能量回收方面尚缺 乏综合应用。
储能密度和效率都较 高, 安装地点也十分灵 活,已在DC 750V 网 络中有应用实例, 并有 一定的市场占有率。
体积更小、容量 更大、寿命更长 以及充放电速度 更快等 特点, 最具市场应 用竞争力。
对于存在分布式发电系统的线路,由 但由于列车制动是间断式 于电网和分布式系统间电流双向流动, 的, 负载用电的稳定性是一 倒送回电网的电能会造成电网电压波 大难题。该技术目前仅在 动并增大电网的短路电流, 具有安全 日本有少量应用实例。 隐患。在信号的频域分析中会产生较
多的谐波, 需要采取相应的滤波装置 治理谐波。
1
城市轨道交通车辆 制动能量回收技术
环境工程 王亚晨
201522151976
主要内容
2
城市轨道交通 制动过程 再生制动和电阻制动能量计算 再生制动能量回收技术 电阻制动 小结
3
城市轨道交通
城市轨道交通
4
在网路上《城市轨道交通词典》中城市轨道交通的释义为 ：城市公共交通的重要组成部分。泛指城市中再不同形式 轨道上运行的大、中运量城市公共交通工具，是当代城市 中地铁、轻轨、单轨铁路、自动导向、短途磁悬浮等轨道 交通的总称。
占电制动约40 %, 若
表1 ，2，3为车辆轻载(AW1)、满载(AW2)和超载的80 %回收, 按工业
(AW3)3 种工况下电制动能量的计算结果。
用电每度为1.2 元
再生制动和电阻制动能量计算 8
如果按照目前现代化燃煤电厂的供电效率40 %计算, 1 kg 标准煤完全燃烧可产生2.93 ×107 J(即7 000 kCal) 热量, 一年可节约的标准煤量和相应减少CO2 的排放量 见表3
再生制动能量回收技术
17
——存在的问题
1)由于储能装置体积较为庞大, 对于器件储能型制动能量回收 技术, 需要在车辆上或变电所安装储能设备。然而城市轨道交 通系统空间有限, 对于已有线路的车辆或变电所的基础设施改 造工作很困难。
2)列车再生制动时系统的非线性使得制动过程的建模变得非常 复杂，可应用于线性系统简化分析的工具不再适用。
18
电阻制动是将电制动能量通过电阻吸收以热能形式耗散 的制动方式, 该方案的原理图如图8 所示。它是目前国 内外应用比较广泛的方案, 该方案根据再生制动时直流 母线的电压变化状况即时调节IGBT 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范围内。
制动能量消耗： 分散车载制动电 阻或地面制动电 阻；集中牵引变 电所。
当列车速度小于8km/h 时, 利用压缩空气作为 动力源，实施机械制动
再生制动和电阻制动能量计算 7
根据中国目前一些城市轨道交通车辆的统计数据, 车辆
平均约每2 min 制动一次, 如果车辆每天的运行时间平
均为16 h , 则每天制动次数为480 次, 全年运行天数按照
340 天计算, 每年制动次数为163 200 次。
21
滤波电容的体积;斩波频率的提高也有利于减轻高
次谐波对通迅的干扰和减轻电机电流的脉动,改善
电动机的换向。
12
飞轮储能
13
飞轮储能装置中有一个内置电机 ，它既是电动机也是发电机。 在充电时，它作为电动机给飞轮 加速； 当放电时，它又作为发电机给外 设供电，此时飞轮的转速不断下 降； 而当飞轮空闲运转时，整个装置 则以最小损耗运行。 飞轮储能器中没有任何化学活性 物质，也没有任何化学反应发生 。旋转时的飞轮是纯粹的机械运 动。
但是，轨道交通是一种大运量、高密度的交通工具，其 车辆依靠电力牵引运行，耗能巨大。据国外统计数据显 示，虽然列车启动会消耗大量电能，但反生制动却会回 馈46%电能。如对这部分能量进行回收再利用，既可减 少大量能耗，又可减轻电网负担，具有重大意义。
列车制动过程
以上海轨道交通2 号线为例, 接触网 额定电压为1 500 V , 车辆最大运行速 度为80 km/h , 实际运行过程中制动 初速度约为70 km/h
但实现成本较高, 控 但其寿命容易受到机 制复杂 和使用寿命 械部件磨损的影响而 有限, 该技术目前在 大幅度降低。另外, 飞 日本有小规模应用。 轮储能的投资与维护
费用均较高。
再生制动能量回收技术
15
——逆变供能型
流向和用途 分为： 逆变回馈型 逆变负载型
逆变供能型类型
16
逆变回馈型
逆变负载型
3)再生制动能量回收优化方案的经济效益有待于通过工程应用 的实践来评估。在现有能量回收设备效率不高的基础上, 已提 出一系列优化方案。然而, 由于在线测试费用十分昂贵, 这些 优化方案的全面性和实际可操作性仍有待验证。
4)技术研究领域对于再生制动能量回收的潜力和意义重视程度 不够。
电阻制动
在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城 市轨道交通定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运转方 式的快速大运量公共交通的总称。”
城市轨道交通
5
城市轨道交通具有运输量大、行车速度快、舒适性好等 优点, 加之城市轨道交通车辆采用电能驱动, 直接污染排 放小, 因此成为大都市优先选择的城市交通工具。中国 目前已在北京、上海、天津、广州、深圳、大连、南京 等城市进行商业化运行, 并且有越来越多的城市拟采用 城市轨道交通作为提升城市运输能力的有效措施。
当车辆再生制动使直流电压超过规定 值时, 交流电网将从直流母线吸收直 流电能并通过逆变器、变压器将其转 换为工频交流电回馈至电网。
将吸收的直流电能转换 为AC 380 V直接供站内和 车载用电设备使用。
这种方式主要局限于集中供电方式的 这种方式实现较为简单。 城市轨道交通线路。该技术目前在欧 洲及日本均已作为成熟技术推广应用。
触网电压过压、欠压或一定 距离内无其他车辆，牵引控制单 元(TCU)切断向接触网反馈的电能 , 再生制动不能实现, 此时列车会 自动切断反馈电，实施电阻制动
Biblioteka Baidu
6
接触网电压在1 ～1.2 U ，再生电能必须要由一 定距离内的其他列车吸 收，实施再生制动
电阻耗能型优缺点
19
优点：
具有控制简单、价格低廉、工作稳定可靠等。
缺点：
消耗在电阻上的热能, 不仅形成了热污染, 导致周围 环境温度升高, 增加了车站空调系统或变电所空调 系统的耗电量。
相比再生制动能量回收, 该部分制动能量没有得到 回收利用, 极大地降低了能量综合使用效率。
小结
20
有效回收城市轨道交通车辆的制动能量, 不仅 可以产生显著的经济效益, 而且可以显著的改 善环境。随着制动能量回收技术的完善和商业 化应用的推广, 制动能量回收技术逐渐会显现 出显著的经济效益和环境效益。
IGBT具有电压驱动、驱动功率小、开关速度快、
11
饱和压降低、且便于实现高电压、大电流、安全
工作区宽等优点, 是近年来发展最快、应用范围最
广的全控型器件。用IGBT构成斩波调速器,与晶闸
管斩波器相比，避免了晶闸管斩波器存在的因换
流电路失效而引发的机车失控, 提高了可靠性; 消
除了换流损耗；斩波频率提高数十倍,大大减小了
备的特点是原方输入电流，而副方通过整流原
10
件后输出直流。
馈电线路：电源端向负载设备供电的输电线路 。通常，通过判断馈电是否异常（abnormal feed），来实行对该电路的安全监控。
输入滤波器是“变频器输入端专用型滤波器” 的简称。输入滤波器主要用于对电磁环境要求 较高的场合，防止变频器工作时，变频器输入 端对电网和其它设备产生的干扰。
再生制动能量回收技术
9
——器件储能型
器件储能型：器件储能型在使用电阻耗能型装置作为备 用系统的同时, 主要采用双向DC/DC 变换器将车辆的 再生制动能量吸收到储能器件中, 当供电区间出现用电 需求时,再将储存的能量释放出去。
蓄电池储能 飞轮储能 电容储能
整流变压器是整流设备的电源变压器。整流设
器件储能型类型
14
蓄电池储能
飞轮储能
电容储能
这种技术在电动汽 车与混合动力车体 上应用较为成熟, 在 城市轨道交通制动 能量回收方面尚缺 乏综合应用。
储能密度和效率都较 高, 安装地点也十分灵 活,已在DC 750V 网 络中有应用实例, 并有 一定的市场占有率。
体积更小、容量 更大、寿命更长 以及充放电速度 更快等 特点, 最具市场应 用竞争力。
对于存在分布式发电系统的线路,由 但由于列车制动是间断式 于电网和分布式系统间电流双向流动, 的, 负载用电的稳定性是一 倒送回电网的电能会造成电网电压波 大难题。该技术目前仅在 动并增大电网的短路电流, 具有安全 日本有少量应用实例。 隐患。在信号的频域分析中会产生较
多的谐波, 需要采取相应的滤波装置 治理谐波。
1
城市轨道交通车辆 制动能量回收技术
环境工程 王亚晨
201522151976
主要内容
2
城市轨道交通 制动过程 再生制动和电阻制动能量计算 再生制动能量回收技术 电阻制动 小结
3
城市轨道交通
城市轨道交通
4
在网路上《城市轨道交通词典》中城市轨道交通的释义为 ：城市公共交通的重要组成部分。泛指城市中再不同形式 轨道上运行的大、中运量城市公共交通工具，是当代城市 中地铁、轻轨、单轨铁路、自动导向、短途磁悬浮等轨道 交通的总称。
占电制动约40 %, 若
表1 ，2，3为车辆轻载(AW1)、满载(AW2)和超载的80 %回收, 按工业
(AW3)3 种工况下电制动能量的计算结果。
用电每度为1.2 元
再生制动和电阻制动能量计算 8
如果按照目前现代化燃煤电厂的供电效率40 %计算, 1 kg 标准煤完全燃烧可产生2.93 ×107 J(即7 000 kCal) 热量, 一年可节约的标准煤量和相应减少CO2 的排放量 见表3
再生制动能量回收技术
17
——存在的问题
1)由于储能装置体积较为庞大, 对于器件储能型制动能量回收 技术, 需要在车辆上或变电所安装储能设备。然而城市轨道交 通系统空间有限, 对于已有线路的车辆或变电所的基础设施改 造工作很困难。
2)列车再生制动时系统的非线性使得制动过程的建模变得非常 复杂，可应用于线性系统简化分析的工具不再适用。
18
电阻制动是将电制动能量通过电阻吸收以热能形式耗散 的制动方式, 该方案的原理图如图8 所示。它是目前国 内外应用比较广泛的方案, 该方案根据再生制动时直流 母线的电压变化状况即时调节IGBT 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范围内。
制动能量消耗： 分散车载制动电 阻或地面制动电 阻；集中牵引变 电所。
当列车速度小于8km/h 时, 利用压缩空气作为 动力源，实施机械制动
再生制动和电阻制动能量计算 7
根据中国目前一些城市轨道交通车辆的统计数据, 车辆
平均约每2 min 制动一次, 如果车辆每天的运行时间平
均为16 h , 则每天制动次数为480 次, 全年运行天数按照
340 天计算, 每年制动次数为163 200 次。
21
滤波电容的体积;斩波频率的提高也有利于减轻高
次谐波对通迅的干扰和减轻电机电流的脉动,改善
电动机的换向。
12
飞轮储能
13
飞轮储能装置中有一个内置电机 ，它既是电动机也是发电机。 在充电时，它作为电动机给飞轮 加速； 当放电时，它又作为发电机给外 设供电，此时飞轮的转速不断下 降； 而当飞轮空闲运转时，整个装置 则以最小损耗运行。 飞轮储能器中没有任何化学活性 物质，也没有任何化学反应发生 。旋转时的飞轮是纯粹的机械运 动。
但是，轨道交通是一种大运量、高密度的交通工具，其 车辆依靠电力牵引运行，耗能巨大。据国外统计数据显 示，虽然列车启动会消耗大量电能，但反生制动却会回 馈46%电能。如对这部分能量进行回收再利用，既可减 少大量能耗，又可减轻电网负担，具有重大意义。
列车制动过程
以上海轨道交通2 号线为例, 接触网 额定电压为1 500 V , 车辆最大运行速 度为80 km/h , 实际运行过程中制动 初速度约为70 km/h
但实现成本较高, 控 但其寿命容易受到机 制复杂 和使用寿命 械部件磨损的影响而 有限, 该技术目前在 大幅度降低。另外, 飞 日本有小规模应用。 轮储能的投资与维护
费用均较高。
再生制动能量回收技术
15
——逆变供能型
流向和用途 分为： 逆变回馈型 逆变负载型
逆变供能型类型
16
逆变回馈型
逆变负载型
3)再生制动能量回收优化方案的经济效益有待于通过工程应用 的实践来评估。在现有能量回收设备效率不高的基础上, 已提 出一系列优化方案。然而, 由于在线测试费用十分昂贵, 这些 优化方案的全面性和实际可操作性仍有待验证。
4)技术研究领域对于再生制动能量回收的潜力和意义重视程度 不够。
电阻制动
在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城 市轨道交通定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运转方 式的快速大运量公共交通的总称。”
城市轨道交通
5
城市轨道交通具有运输量大、行车速度快、舒适性好等 优点, 加之城市轨道交通车辆采用电能驱动, 直接污染排 放小, 因此成为大都市优先选择的城市交通工具。中国 目前已在北京、上海、天津、广州、深圳、大连、南京 等城市进行商业化运行, 并且有越来越多的城市拟采用 城市轨道交通作为提升城市运输能力的有效措施。
当车辆再生制动使直流电压超过规定 值时, 交流电网将从直流母线吸收直 流电能并通过逆变器、变压器将其转 换为工频交流电回馈至电网。
将吸收的直流电能转换 为AC 380 V直接供站内和 车载用电设备使用。
这种方式主要局限于集中供电方式的 这种方式实现较为简单。 城市轨道交通线路。该技术目前在欧 洲及日本均已作为成熟技术推广应用。