鄭州地鐵1號線制動電阻選型方案分析

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（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，450052，鄭州；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，450001，鄭州；3.鄭州軌道交通有限責(zé)任公司，450046，鄭州∥第一作者，講師）

鄭州地鐵1號線制動電阻選型方案分析

張?zhí)焱?，2高民富3

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，450052，鄭州；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，450001，鄭州；3.鄭州軌道交通有限責(zé)任公司，450046，鄭州∥第一作者，講師）

結(jié)合國內(nèi)外城市軌道交通制動電阻選型的發(fā)展趨勢對制動電阻幾種設(shè)置方案進(jìn)行綜合比較分析，最終確定鄭州地鐵1號線采用電阻+逆變型（回饋中壓）地面化方案。該方案可將車輛制動時產(chǎn)生的電能有效轉(zhuǎn)化利用，將本應(yīng)被消耗的能量最大限度地實現(xiàn)回饋，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，為后續(xù)線路建設(shè)及其他城市的城市軌道交通建設(shè)提供了有益的參考。

再生制動；能量吸收；逆變回饋

First-author'saddressZhengzhou Railway Vocational and Technical College，450052，Zhengzhou，China

城市軌道交通具有站間距短、行車密度高等特點(diǎn)，在頻繁起動與制動的過程中會產(chǎn)生數(shù)量可觀的制動能量。當(dāng)車輛發(fā)生再生制動時，產(chǎn)生的制動能量通過牽引電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，并通過牽引整流逆變單元傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)中，其中大部分能量通過接觸網(wǎng)被其他列車所吸收，很小的一部分用于自身的供能。在網(wǎng)壓較低、電流較大、無再生變電所的直流牽引網(wǎng)中，一般僅有30%～50%的制動能量得到利用［1］。剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收，將導(dǎo)致地鐵直流電網(wǎng)電壓大幅度升高，會威脅牽引電網(wǎng)及列車行車安全［2］。

目前，國內(nèi)外開通地鐵運(yùn)營線路的制動電阻大多采用車載制動電阻方式，也有部分城市的線路制動電阻直接掛接在牽引變電所直流母線而安裝到地面上［2］。在制動電阻地面化設(shè)置上存在幾種方式，包括電阻耗能型、電阻+逆變型、電容儲能型、飛輪儲能型及雙向可控型等，已有許多研究機(jī)構(gòu)針對這個問題開展相關(guān)的研究，并取得了實質(zhì)性的進(jìn)展和進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的研究成果。

鄭州地鐵1號線分一期工程和二期工程，其中一期工程均為地下線，全長約26.2 km，設(shè)20座車站，計劃于2013年12月全線通車運(yùn)營。車輛采用中國南車株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)的B型車，4M2T，6輛編組。制動方式采用再生制動為主、空氣制動為輔，空氣制動為德國克諾爾生產(chǎn)的主流產(chǎn)品EP2002系統(tǒng)，而再生制動具體方式即制動電阻的選擇則對車輛、沿線設(shè)備的確定有相當(dāng)關(guān)鍵作用，尤其該線路為鄭州市規(guī)劃建設(shè)的第一條地鐵線路，如何進(jìn)行制動電阻選型對其他規(guī)劃線路有著十分重要的示范意義。

1 制動電阻設(shè)置方案

1.1 常規(guī)車載電阻方案（方案一）

常規(guī)車載制動電阻均勻分散懸掛于動車車底架下。當(dāng)采用再生制動時，轉(zhuǎn)化的電能若未被其他運(yùn)行列車吸收，則導(dǎo)致直流母線電壓升高，當(dāng)網(wǎng)壓升至上限時，牽引系統(tǒng)啟動制動斬波器，將過量電能消耗在車載制動電阻上。目前國內(nèi)已開通地鐵線路大多采用該方式，如圖1所示。

1.2 制動電阻地面化方案（方案二）

即將制動電阻從車上轉(zhuǎn)移到地面，如圖2所示。當(dāng)采用再生制動時，轉(zhuǎn)化的電能若未被其他運(yùn)行列車吸收，則導(dǎo)致直流母線電壓升高，當(dāng)制動控制系統(tǒng)

檢測到直流母線網(wǎng)壓升至上限時導(dǎo)通制動電阻，將過量電能消耗在地面制動電阻上。

圖1 牽引系統(tǒng)組成示意圖

圖2 制動電阻地面化示意圖

1.3 兩種設(shè)置方案的技術(shù)性能比較

針對這二個方案，通過對其十幾項技術(shù)性能在全國地鐵公司和供貨商中進(jìn)行了調(diào)查研究，技術(shù)性能比較詳見表1。

表1 兩種制動電阻設(shè)置方案的技術(shù)性能比較

兩者比較，制動電阻置于車上在國內(nèi)各地鐵公司運(yùn)用較廣且業(yè)績成熟，但分散安裝在各動車底板下，增加自重及增加風(fēng)機(jī)導(dǎo)致列車功率增大，且因電阻發(fā)熱對列車運(yùn)行產(chǎn)生一定安全隱患。而制動電阻地面化將會減少車輛重量，節(jié)省電能，消除火災(zāi)隱患，降低洞內(nèi)溫度，節(jié)省運(yùn)營成本，提高運(yùn)營品質(zhì)。從實際投資分析上看，制動電阻設(shè)置在地面上，環(huán)控設(shè)備費(fèi)與車載制動電阻方式相當(dāng)［3］。從國內(nèi)外城市軌道交通狀況來看，把制動電阻的位置由車上逐漸改為車下是發(fā)展方向。

2 制動電阻地面化方案的比較及選取

在目前國內(nèi)外采用的制動電阻地面化方案中，電容儲能型、飛輪儲能型、雙向可控型等設(shè)備目前均未國產(chǎn)化，或存在出口限制，或價格過高，國內(nèi)推廣應(yīng)用的可行性較?。?］?，F(xiàn)就電阻耗能型和電阻+逆變兩種形式進(jìn)行分析并加以選擇，而電阻+逆變則根據(jù)回饋方式又分為低壓和中壓兩種。

2.1 電阻耗能型

電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多

相IGBT（絕緣柵雙極晶體管）斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在制動電阻上。在國內(nèi)，電阻耗能型再生制動能量吸收裝置已在重慶輕軌（單軌）、廣州地鐵4號線、天津地鐵1號線、北京機(jī)場線等線路上使用。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 電阻吸收裝置接線示意圖

2.2 電阻+逆變型（回饋至低壓400V）

電阻+逆變型（回饋至低壓）如圖4所示，其中逆變單元設(shè)置在牽引變電所內(nèi)，電阻柜設(shè)置在地面或風(fēng)道，并設(shè)置散熱通風(fēng)裝置。電阻+逆變混合吸收裝置采用電阻和逆變成低壓交流電源的混合吸收裝置，通過逆變回饋方式回收大部分制動能量至變電所低壓交流400 V母線。它將再生能量逆變成400 V三相交流電能回饋至400 V配電系統(tǒng)，實現(xiàn)電能再利用；在再生能量較大、超過一定安全容量的情況下，利用電阻吸收超出的那部分能量，確保車輛制動的安全穩(wěn)定和400 V配電系統(tǒng)的安全［5］。

2.3 電阻+逆變型（回饋至中壓35kV）

電阻+逆變型（回饋至中壓）如圖5所示，為目前國內(nèi)再生制動最新方式，采用回饋變流器經(jīng)1 180 V并網(wǎng)方案，其中再生制動回饋變流器直流端接入接觸器網(wǎng)，交流饋電端經(jīng)隔離變壓器后并入牽引整流變低壓端1 180 V側(cè)，逆變?nèi)萘看?，再生回饋效率高，系統(tǒng)提供隔離保障，即使變流器故障時也不會影響原供電系統(tǒng)，可在原電阻耗能型基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，對原系統(tǒng)改動小，只需并入回饋變流器及低壓隔離變壓器，占地面積少，2011年已于廣州地鐵5號線掛網(wǎng)試驗成功，填補(bǔ)了國內(nèi)地鐵再生制動能量吸收新方式的空白，實現(xiàn)了城市軌道交通領(lǐng)域自主創(chuàng)新的重大突破。

圖4 電阻+逆變（回饋至低壓400 V）原理圖

圖5 電阻+逆變（回饋至中壓35 k V）原理圖

2.4 地面化方案的比較及選型

在明確車輛取消制動電阻后，再生制動能量吸收裝置應(yīng)從電阻耗能型與電阻+逆變型（低壓與中壓）3種方案中選取。電阻耗能型沒有將電能再吸收利用，本質(zhì)上只是將制動電阻從車上轉(zhuǎn)移到地面，不具有節(jié)能效果。目前國內(nèi)應(yīng)用的幾條線路主要還是為了解決系統(tǒng)的特定制約因素，比如：天津地鐵1號線主要是因為既有段改造隧道斷面受限，環(huán)控系統(tǒng)無法解決隧道溫升問題而提出；廣州地鐵4號線、北京機(jī)場線和重慶輕軌均是由于車輛的設(shè)備布置空間緊張，無法攜帶大容量的制動電阻［6］。

采用電阻+逆變的模式，則將再生能量逆變回饋至電網(wǎng)系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了節(jié)能效果。同時考慮到電網(wǎng)的容量，在大的再生能量吸收時，逆變吸收不了的能量再由電阻吸收，確保車輛再生制動的安全穩(wěn)定。回饋至低壓400 V方式實現(xiàn)較為簡單，目前國內(nèi)已在天津地鐵掛網(wǎng)運(yùn)行，性能考核滿足電網(wǎng)電力系統(tǒng)的要求。但由于列車制動屬于間歇式的，無法

提供穩(wěn)定用電負(fù)荷，故只能供給三類負(fù)荷，國際上僅在日本小規(guī)模應(yīng)用。而回饋至中壓35 k V方式相對于前者，則回饋效率更高，充分使用再生回饋能力，在歐洲、日本均有成熟應(yīng)用。原先因部分關(guān)鍵部件的技術(shù)復(fù)雜限制了國內(nèi)的應(yīng)用，近幾年國內(nèi)已成功攻克各種技術(shù)難題并成功應(yīng)用，迎合了電網(wǎng)智能化及城市軌道交通綠色化的主題要求。

3種地面化模式相比較，電阻+逆變型（回饋至中壓型）將本應(yīng)被消耗的能量最大限度地實現(xiàn)回饋，符合國家的節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策，有利于保護(hù)環(huán)境，節(jié)約了能源，降低了電耗。從經(jīng)濟(jì)效益上看，電阻耗能型初期設(shè)備投資約為逆變低壓型投資的40%左右，而逆變高壓型投入更大，從30年長遠(yuǎn)效益上，后兩者每公里線路可節(jié)約電力成本400萬元以上。另外國內(nèi)外經(jīng)驗表明，再生能量吸收裝置設(shè)于運(yùn)營初期運(yùn)行，因列車較少，可再生功率更為客觀。為符合地鐵未來發(fā)展趨勢，經(jīng)多方論證，鄭州地鐵1號線推薦采用電阻+逆變型（回饋至中壓）再生能量吸收裝置。

3 鄭州地鐵1號線一期工程逆變方案

鄭州1號線一期工程供電系統(tǒng)采用110/35 k V兩級集中供電方式，設(shè)4個供電分區(qū)。新建主變電站2座，設(shè)牽引降壓混合變電所10座（含車輛段及停車場），降壓變電所13座（含控制中心），車站跟隨式降壓變電所4座，區(qū)間跟隨式降壓變電所2座。

基于綜合考慮，目前定為在三處牽引變電所采用回饋變流器1 180 V逆變并網(wǎng)方案，其他牽引變電所預(yù)留電阻耗能型空間。該回饋裝置主要包括變壓器、并網(wǎng)開關(guān)柜和變流器柜。啟動后，回饋裝置首先按照啟動時序?qū)⒏鲾嗦菲?、接觸器閉合，使回饋裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，回饋裝置實時檢測直流母線電壓，當(dāng)檢測到母線電壓高于設(shè)定值后，會即刻開啟PWM（脈寬調(diào)制）脈沖，控制功率器件IGBT，使其工作，通過快速調(diào)節(jié)電流，使直流母線側(cè)由地鐵制動時產(chǎn)生的的能量，快速回饋到電網(wǎng)中；同時穩(wěn)定直流母線電壓，將直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值（1 680 V，可調(diào)節(jié)），確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。此時，由于直流母線電壓值高于整流器不控整流值，整流器二極管會自動停止工作。

當(dāng)裝置檢測到直流電流的方向發(fā)生改變（直流電流＞-10 A）時，此時回饋變流器工作在整流狀態(tài)，即車輛處于牽引狀態(tài)，因地鐵牽引啟動需要的能量大于回饋裝置的容量，此時回饋裝置即刻退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，地鐵牽引所需能量完全由牽引整流器提供，直流母線電壓快速回落至DC 1 500 V附近。

另外當(dāng)回饋裝置運(yùn)行后，檢測到回饋的能量接近于零（30 s內(nèi)平均值），裝置會自動退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)運(yùn)行，此時避免了電網(wǎng)電壓AC 1 180 V側(cè)較高時，引起的回饋裝置的誤動作。同時，如果檢測到接觸網(wǎng)電壓低于低壓閾值并維持一段時間，即認(rèn)為接觸網(wǎng)欠壓故障，以避免牽引變整流器切除時回饋變流器仍通過整流狀態(tài)給接觸網(wǎng)供電。

根據(jù)鄭州地鐵1號線一期工程線路情況、車站分布、列車特性、運(yùn)行密度等，結(jié)合國內(nèi)制動電阻吸收概況，考慮余量得出全線總平均再生功率約為2 760 k W。為更好回饋，三處變流器總功率應(yīng)高于此值20%。實際回饋變流器主要技術(shù)參數(shù)為：額定容量1 200 k W；額定電流587 A（1 180 V接入點(diǎn)）/ 693 A（變流器輸出1 000 V）；效率＞97%；功率因數(shù)＞0.99；再生制動動作值整定范圍DC 1 600 V～DC 2 200 V（可調(diào)）。

回饋裝置有以下運(yùn)行狀態(tài)：啟動、回饋運(yùn)行、待機(jī)、故障、急停、停機(jī)。具備過流保護(hù)、過欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、過載能力、故障診斷與自恢復(fù)本地/遠(yuǎn)程控制和無功補(bǔ)償能力。在車輛正常運(yùn)行時，牽引功率由牽引變整流器提供，回饋系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；在車輛轉(zhuǎn)入制動時，回饋系統(tǒng)進(jìn)入回饋模式，經(jīng)牽引變饋入中壓電網(wǎng)，牽引整流器處于截止?fàn)顟B(tài)。此外一方面回饋功率小于牽引功率，另一方面回饋變流器待機(jī)回饋轉(zhuǎn)換過程中電流可實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，不會對電網(wǎng)造成沖擊。

為保證整個系統(tǒng)可靠工作，當(dāng)變流器裝置出現(xiàn)故障的情況下，要有相應(yīng)的應(yīng)急方案，以免供電系統(tǒng)其它設(shè)備的運(yùn)行造成影響，使整個系統(tǒng)安全可靠地繼續(xù)運(yùn)行。主要具備故障智能診斷、故障自恢復(fù)、故障告警等功能。

后臺監(jiān)控系統(tǒng)方案分為接入SCADA（數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控）系統(tǒng)和本地后臺監(jiān)控系統(tǒng)兩種，考慮到SCADA系統(tǒng)協(xié)議及接口問題，采用為獨(dú)立設(shè)置后臺監(jiān)控裝置對全系統(tǒng)安全性更為有利，后臺監(jiān)控裝置又分為本地及遠(yuǎn)程操作兩種方式。

4 結(jié)語

目前城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)正處于高速發(fā)展階段，人們在關(guān)注城市軌道交通車輛舒適性和自動化程度的同時，也逐漸意識到軌道車輛的環(huán)境效益和節(jié)能問題的重要性，如何采用合理的制動電阻方案在建設(shè)初期顯得尤為重要。從國內(nèi)外城市軌道交通狀況來看，把制動電阻的位置由車載逐漸改為地面化是發(fā)展趨勢，地面化方案如果采用電阻耗能型，本質(zhì)上沒有將電能再吸收利用。而電阻+逆變型（回饋至中壓）可將本應(yīng)被消耗的能量最大限度地實現(xiàn)回饋，符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。鄭州地鐵1號線在建設(shè)階段，經(jīng)多方考察論證，最終采用該方案，通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試、實際投入運(yùn)營時的數(shù)據(jù)收集，將為后續(xù)線路及國內(nèi)城市地鐵提供了有益的參考及借鑒。

［1］ 楊儉，李發(fā)揚(yáng)，宋瑞剛，等.城市軌道交通車輛制動能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.鐵道學(xué)報，2011，33（2）：26.

［2］ 李友瑜，楊守?zé)?，陽吉初，?地鐵列車制動電阻的種類及優(yōu)化設(shè)計［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：49.

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［5］ 馮艷艷，孫才勤.城市軌道交通混合逆變裝置的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2011（1）：115.

［6］ 葉芹祿，周偉志.淺析城市軌道交通列車再生制動能源的轉(zhuǎn)化和利用方案［J］.鐵道勘測與設(shè)計，2009（3）：60.

Analysis on the Selection Schemes of Braking Resistor for Zhengzhou Metro Line 1

Zhang Tiantong，Gao Minfu

According to the current situation and development trend of urban rail transit in the world，and with a comprehensive analysis on some selection schemes of braking resistor，the resistor and inverter（feedback to the medium voltage）on the groundis adopted for Zhengzhou Metro Line 1.This scheme could transform and utilize effectivelythe electric energy produced from train braking，and realize the maximum feedback，thus to achieve the goal of energy saving and emission reduction，and offer beneficial reference to the follow-up lines and other urban metros.

regenerative braking；energy absorption；feedback inverting

U 260.35

2012-11-20）