地鐵車輛再生制動(dòng)能量利用方案

摘 要：目前，節(jié)能減排已成為我國的基本國策，建設(shè)低碳型交通基礎(chǔ)設(shè)施、推廣應(yīng)用低碳型交通運(yùn)輸裝備是城市軌道交通建設(shè)者責(zé)任。地鐵由于站間距比較短，制動(dòng)頻繁、列車起動(dòng)，考慮各鐘車型、站距、編組、發(fā)車間隔等差異，列車電制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量可達(dá)到牽引能量的40%以上。充分利用列車再生能量將節(jié)約大量能量，產(chǎn)生效益可觀，為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。西安市地鐵已經(jīng)運(yùn)營1、2號(hào)線，在建3、4、5、6號(hào)線，如何在保證線路運(yùn)行安全的前提下，提高供電水平，同時(shí)為城市節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，是我們必須考慮的問題。

關(guān)鍵詞：軌道交通；列車制動(dòng)；能量回饋

1 傳統(tǒng)列車車載制動(dòng)電阻方案存在的問題

目前國內(nèi)外城市軌道交通動(dòng)車組列車均采用VVVF牽引/制動(dòng)系統(tǒng)，采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車，制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用空氣制動(dòng)和電制動(dòng)混合的形式。列車在運(yùn)行時(shí)，牽引系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，使機(jī)車啟動(dòng)加速；在制動(dòng)時(shí)，一部分采用電制動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能使列車制動(dòng)，另一部分采用空氣制動(dòng)，通過剎車閘瓦與車輪踏面摩擦而產(chǎn)生制動(dòng)使列車減速。傳統(tǒng)列車上設(shè)置了車載制動(dòng)電阻。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，首先采用再生制動(dòng)方式，列車電機(jī)從電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能返回到牽引網(wǎng)系統(tǒng)，返回到牽引網(wǎng)系統(tǒng)的能量部分被相鄰列車吸收，由于線路的行車密度等多種因素，很大部分能量不能被回饋，此時(shí)大量電能量得不到釋放，將會(huì)使系統(tǒng)供電網(wǎng)電壓急劇上升，為此列車上設(shè)置了制動(dòng)電阻，將這部分能量通過電阻變成熱能吸收，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。電阻所轉(zhuǎn)化的熱能，車站環(huán)控專業(yè)通過隧道活塞風(fēng)、車站軌頂排風(fēng)和車站軌底排風(fēng)，將熱量排出車站外。

車載制動(dòng)電阻使用雖然方便，但也有缺點(diǎn)：（1）列車制動(dòng)電阻吸收再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能白白消耗了，沒有起到節(jié)能減排作用。（2）列車制動(dòng)電阻吸收再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能散于隧道內(nèi)，雖然部分可以通過隧道活塞風(fēng)排出隧道，但還有部分遺留在隧道，這部分熱量使隧道溫升逐步上升；（3）列車制動(dòng)電阻重量大，列車運(yùn)行時(shí)，不僅沒有節(jié)能，還增加列車牽引能耗。（4）制動(dòng)電阻體積大，而且考慮制動(dòng)電阻散熱需在列車上安裝通風(fēng)設(shè)備，這樣會(huì)使列車底部其他設(shè)備安裝布局困難；（5）制動(dòng)電阻發(fā)熱會(huì)對(duì)車體底板形成烘烤效應(yīng)，有引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)。（6）列車采用車空氣制動(dòng)，增加閘瓦的損耗，加大車輛維修工作量，提高了運(yùn)營成本，摩擦閘瓦產(chǎn)生大量金屬粉塵，造成環(huán)境污染。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在國外城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，再生制動(dòng)能量吸收技術(shù)發(fā)展歷程主要有車載電阻耗能式、逆變回饋式、超級(jí)電容儲(chǔ)能式以及飛輪儲(chǔ)能式吸收等。其中最先發(fā)展的車載電阻耗能式因其可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛，相對(duì)較少的是能量回饋式和能量存儲(chǔ)式的應(yīng)用。國外軌道交通研究制動(dòng)能量吸收技術(shù)較早，已有成熟產(chǎn)品，而國內(nèi)在這方面的研究剛起步，使用車載電阻耗能式較多，不能夠很好的把再生制動(dòng)能量充分利用起來。

圖1

2.1 車載電阻耗能型吸收

在國外的城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，已經(jīng)投入運(yùn)營的再生制動(dòng)能量吸收裝置幾乎95%以上是采用車載電阻耗能技術(shù)，國內(nèi)目前大部分地鐵線路車輛也是采用該技術(shù)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，制動(dòng)力穩(wěn)定，是比較成熟的技術(shù)。

2.2 地面式電阻耗能型吸收

對(duì)于地面式電阻耗能吸收裝置的設(shè)置，國內(nèi)外均有應(yīng)用。該技術(shù)主要是采用多相IGBT斬波器和電阻配合的恒壓吸收原理，通過調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比使再生制動(dòng)時(shí)母線直流電壓的變化狀態(tài)，達(dá)到改變吸收功率，使直流電壓穩(wěn)定在一定值的范圍內(nèi)，使吸收電阻消耗掉再生制動(dòng)能量。

系統(tǒng)根據(jù)對(duì)直流母線電壓的變化情況來確認(rèn)相關(guān)車輛正進(jìn)行再生制動(dòng)，并調(diào)節(jié)斬波器的吸收電流與列車的制動(dòng)回饋電流相匹配，最大限度利用列車的電制動(dòng)力，減少列車空氣制動(dòng)的投入并降低鋼軌磨耗。

利用該技術(shù)的再生能量吸收裝置一般放置在地下變電所內(nèi)，單獨(dú)放置電阻，較易采取相關(guān)措施對(duì)電阻實(shí)施通風(fēng)散熱，有效的防止了火災(zāi)的發(fā)生。減少了車輛的維修工作量，消除因車載電阻最高溫度隔離不當(dāng)引發(fā)的火災(zāi)隱患，提高運(yùn)營安全性。

另外，采用該技術(shù)的再生能量吸收裝置一般集中布置在牽引站，減小了列車自重和體量，便于列車電器布置，提高車輛載荷能力。

其缺點(diǎn)是不能對(duì)再生電能進(jìn)行回收利用。另外電阻放置困難，尤其是在市區(qū)線路，北京地鐵10號(hào)線設(shè)置在地面以上，占地約50平方米，征地困難。

2.3 逆變回饋式

該技術(shù)主要采用IGBT等大功率電力電子器件構(gòu)成三相逆變器。將逆變器的直流側(cè)與牽引電網(wǎng)直流母線直接相聯(lián)，其輸出連接到變電所的中壓或低壓母線。當(dāng)再生制動(dòng)使?fàn)恳W(wǎng)直流電壓超過定值時(shí)，逆變器投入啟動(dòng)并從直流母線吸流，將吸收電能逆變成工頻交流電回饋至地鐵供電系統(tǒng)交流電網(wǎng)中。

逆變回饋型吸收裝置充分利用了城軌內(nèi)部交流電網(wǎng)（一般為35kV，北京為10kV）的負(fù)載容量，可實(shí)現(xiàn)列車再生制動(dòng)電能的全吸收。除要求逆變器具備足夠功率并能保證回饋電能質(zhì)量外，無其他特殊要求，其逆變技術(shù)本身已相當(dāng)成熟。

但由于列車制動(dòng)再生能量為沖擊性負(fù)荷，而且能量較大，一般達(dá)到2MW～4MW以上，持續(xù)時(shí)間一般不超過30S，如此大的浪涌負(fù)荷將對(duì)35kV交流電網(wǎng)造成一定程度的沖擊，目前各地供電局對(duì)此類設(shè)備的接受程度有待觀察。

2.4 飛輪儲(chǔ)能型吸收

采用的是真空環(huán)境和特殊軸類制造技術(shù)，可在相關(guān)技術(shù)文件上查到，因其使用壽命難以滿足要求，維護(hù)維修不便，國內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例少，不建議推廣使用。

2.5 超級(jí)電容儲(chǔ)能型吸收

電容儲(chǔ)能型吸收技術(shù)是采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，設(shè)置直流雙向變流器作儲(chǔ)能和回饋的功率控制轉(zhuǎn)換。在列車制動(dòng)時(shí)將能量儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，在列車牽引時(shí)將儲(chǔ)存的電能回送至牽引直流電網(wǎng)，保持牽引直流電網(wǎng)的穩(wěn)定。

超級(jí)電容是一種新型的儲(chǔ)能元件，其利用電極和電解液之間形成的界面雙電層電容來存儲(chǔ)能量，其充放電不需要能量轉(zhuǎn)換，直接以電勢能的形式儲(chǔ)存。超級(jí)電容具有容量大（可達(dá)幾千法拉）、充放電壽命長（可達(dá)100萬次）、可承受充放電電流大（可達(dá)千安以上）、充電迅速（可在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充）、大電流能量循環(huán)效率≥90%等優(yōu)點(diǎn)。相比于其它儲(chǔ)能方式，超級(jí)電容更適合于再生制動(dòng)能量的存儲(chǔ)。

多年來，為了解決軌道交通制動(dòng)能量的回收利用，國內(nèi)外廣泛展開此項(xiàng)技術(shù)的研究，但由于超級(jí)電容技術(shù)發(fā)展的限制，一直沒有大的突破，直到近幾年國內(nèi)外超級(jí)電容技術(shù)的發(fā)展，該裝置得到大發(fā)展。

國外目前法國ADETEL公司、西門子公司、ABB公司及日本明電舍等公司均有成熟的產(chǎn)品在軌道交通中應(yīng)用。西門子公司開發(fā)了基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能器Sitras SES用于750V和600V直流供電的地鐵和輕軌系統(tǒng)；龐巴迪公司也使用超級(jí)電容開發(fā)出車載式Mitrac Energy Saver，并成功應(yīng)用于Mannheim輕軌車輛；法國ADETEL公司的超級(jí)電容形再生能量吸收裝置也在里里昂輕軌2號(hào)線、TOURS 輕軌、巴黎RER-C地鐵等項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用。

國內(nèi)一些企業(yè)和高校如時(shí)代、中聯(lián)、中科院、南京航空航天大學(xué)等也開展了基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的能量回收和利用技術(shù)研究，成功推出了應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和混合動(dòng)力挖掘機(jī)的產(chǎn)品，但其技術(shù)性能和可靠性與國際先進(jìn)水平目前仍存在一定差距。國內(nèi)暫無直接應(yīng)用于1500V供電城市軌道交通系統(tǒng)的成熟產(chǎn)品，但目前，國內(nèi)一些企業(yè)如西安道齊、湖南恒信、株洲南機(jī)等正在積極自主研發(fā)、引進(jìn)消化吸收國外技術(shù)。

3 列車再生制動(dòng)能量產(chǎn)生分析

采用電制動(dòng)時(shí)，其它的運(yùn)行列車若沒有被吸收轉(zhuǎn)化的電能，這將導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓升高。如若列車上裝設(shè)有制動(dòng)電阻，網(wǎng)壓升高，牽引系統(tǒng)啟動(dòng)斬波器制動(dòng)，將多余電能消耗在制動(dòng)電阻內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)列車電阻制動(dòng)；如若牽引變電所設(shè)置了地面制動(dòng)電阻或者中低壓逆變回饋裝置等再生制動(dòng)能量利用裝置時(shí)，網(wǎng)壓升高，裝置投入，多余的電能被再生制動(dòng)能量利用裝置吸收利用。

理論計(jì)算列車開始制動(dòng)時(shí)，能保證相鄰有運(yùn)行列車吸收再生能量交路排布需滿足的最大追蹤間隔如下：

即在理想情況下，若行車追蹤間隔大于6.3min，制動(dòng)列車牽引網(wǎng)壓將超過制動(dòng)電阻投入電壓，制動(dòng)列車制動(dòng)電阻投入，制動(dòng)能量基本被制動(dòng)列車本身制動(dòng)電阻消耗，相鄰列車將無法吸收。

國內(nèi)地鐵設(shè)計(jì)初期行車追蹤間隔為6～8min，近期追蹤間隔為3～4min，遠(yuǎn)期追蹤間隔為2min。依據(jù)追蹤間隔推算，在理想條件下，其制動(dòng)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量能夠被相鄰車輛吸收，但區(qū)間長短不一，運(yùn)行圖不能做到理想狀態(tài)，實(shí)際吸收效果不可能達(dá)到理論計(jì)算值。初期，吸收效果差，近、遠(yuǎn)期，被相鄰列車吸收效果較好。

4 采用逆變回饋裝置方案牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

4.1 取消列車制動(dòng)電阻節(jié)能分析

每輛動(dòng)車車重約35噸，拖車車重約30噸，按額定載客1440人，每人60公斤計(jì)算，一列車在額定載客情況下重量約為286噸。根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果得出：1噸重量單趟上下行折返消耗能量為2.25千瓦時(shí)。

每輛動(dòng)車安裝一組制動(dòng)電阻及相應(yīng)的軸流冷卻風(fēng)機(jī)，其重量約500公斤，4輛動(dòng)車相應(yīng)的制動(dòng)電阻設(shè)備重量約為2噸，一列車往返制動(dòng)電阻車重引起的牽引能耗大約4.5 千瓦時(shí)。

車載電阻采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，風(fēng)機(jī)功率約1.4kW，根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果可知，單列車上下行一個(gè)折返投入制動(dòng)電阻消耗的累積時(shí)間約6分鐘，可以認(rèn)為與風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間相同，一列車往返強(qiáng)迫風(fēng)冷風(fēng)機(jī)耗能大約8.4kW。

這樣，可計(jì)算得出各運(yùn)營期間由車載電阻重量及風(fēng)機(jī)所增加的電度及費(fèi)用如表所示。

車載制動(dòng)電阻引起的能耗

采用地面再生能量利用方案，可以取消車載制動(dòng)電阻，上表中的車載制動(dòng)電阻引起的能耗可以節(jié)約。重慶地鐵已經(jīng)明確在將來的線路中，取消車載制動(dòng)電阻。

4.2 再生能量利用裝置節(jié)能案例分析

重慶地鐵在2014年上半年，一、六號(hào)線逆變回饋節(jié)能436萬千瓦時(shí)，減去反饋至110kV系統(tǒng)電量以及損耗，實(shí)際節(jié)能393萬千瓦時(shí)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量利用90%，效果比較明顯。電費(fèi)按0.793元/千瓦時(shí)計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約311萬元。并且裝置在渡過調(diào)試期后，整體運(yùn)行穩(wěn)定，沒有發(fā)生影響系統(tǒng)安全的事故發(fā)生。

另外間接效益體現(xiàn)在：（1）由于取消了車載電阻制動(dòng)，減少了車站空調(diào)系統(tǒng)容量或者使用率；（2）由于取消了車載電阻制動(dòng)，隧道內(nèi)溫度在運(yùn)行多年后，依然保持常溫，減少了通風(fēng)風(fēng)機(jī)的使用率；（3）由于取消車載電阻制動(dòng)，車輛采用閘瓦制動(dòng)的速度值由10km/h降至5km/h，極大減少了閘瓦損耗。重慶單軌原計(jì)劃8年更換閘瓦，目前運(yùn)行10年了，仍不需更換。

5 初步結(jié)論

北京、重慶的地面再生制動(dòng)吸收裝置運(yùn)行狀況基本良好，這2座城市在后續(xù)的建設(shè)中，繼續(xù)設(shè)置地面再生制動(dòng)吸收裝置；在設(shè)備選型方面，逆變至0.4kV+電阻模式已經(jīng)成熟使用，逆變至35kV系統(tǒng)的再生制動(dòng)吸收裝置也已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際運(yùn)營2年以上，技術(shù)也基本成熟，可以大面積推廣。超級(jí)電容和飛輪儲(chǔ)能型各城市都在摸索中，目前還沒有得到運(yùn)行考驗(yàn)。隨著超級(jí)電容行業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展及國內(nèi)企業(yè)對(duì)1500V供電的軌道交通超級(jí)電容形產(chǎn)品及技術(shù)的消化與吸收，電容儲(chǔ)能型技術(shù)正在逐步成熟，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程正在進(jìn)行。建議緊密追蹤超級(jí)電容儲(chǔ)能型技術(shù)，并開展局部試驗(yàn)。

建議繼續(xù)緊密追蹤地面再生制動(dòng)吸收裝置的技術(shù)發(fā)展及實(shí)際使用情況，將成熟可靠的產(chǎn)品，在西安地鐵后續(xù)線路中使用。

參考文獻(xiàn)

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