電氣化鐵路再生制動能量的產(chǎn)生與利用

馬海濤+黎白泠+潘樂+何潤愷+李歡

摘 要：文章針對現(xiàn)代電氣化鐵路，通過介紹其牽引供電技術(shù)及牽引變流裝置，分析了再生制動能量在機車運行中的產(chǎn)生及利用方式，為監(jiān)測目前再生制動能量回收系統(tǒng)以及提高其回收利用率提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；供電；牽引；再生制動

中圖分類號：U270.35 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0184-02

Abstract： Based on the introduction of traction power supply technology and traction converter for modern electrified railway， this paper analyzes the generation and utilization of regenerative braking energy in locomotive operation. It provides a theoretical basis for monitoring the current regenerative braking energy recovery system and improving its recovery efficiency.

Keywords： electrified railway； power supply； traction； regenerative braking

引言

電氣化鐵路以電力為動力來源，有著能耗小、功率大、加速快、運輸能力強等經(jīng)濟技術(shù)上的優(yōu)越性[1]。隨著我國交通運輸現(xiàn)代化進程的不斷推進，電氣化鐵路也向著信息化、高速化和重載化的方向飛速發(fā)展。但與此同時，交通運輸所帶來的高耗能將加重當前各類資源面臨枯竭的現(xiàn)狀。如何更有效、合理地利用能源，是整個社會乃至全世界需要正視并亟待解決的問題[2]?？稍偕茉磳Νh(huán)境沒有危害或危害極小，并且可以循環(huán)使用。再生制動技術(shù)是一種在電機車制動時，將動能轉(zhuǎn)化存儲為電能的制動手段，是一種可再生能源。因此，充分利用可再生能源是應對資源匱乏的最有效措施之一[3]。再生制動技術(shù)是一種在電機車制動時，將動能轉(zhuǎn)化存儲為電能的制動手段，是一種可再生能源。研究如何回收、存儲和高效地利用再生制動能量，是目前交通節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵問題。

20世紀60年代末，日本的電力機車廣泛使用了勵磁變流控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在機車到站停車過程中，產(chǎn)生再生制動作用，為后續(xù)再生制動技術(shù)的發(fā)展和研究奠定了基礎(chǔ)[4]。隨著電力電子器件的快速發(fā)展，4500V門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）的誕生以及投入使用，很大程度上推動了再生制動技術(shù)的發(fā)展和應用[5]。此后，多個國家開始研究再生制動技術(shù)，并將其應用于高速列車，以節(jié)約電能。如德國ICE系列城際快車尾部的動力車運用了再生制動技術(shù)，隨后節(jié)約了34%的電能[6]。法國、瑞典、英國等發(fā)達國家的高速列車制動方式大多以再生制動技術(shù)為主，電阻制動、空氣制動或盤形制動為輔[7]。我國自SS7型電力機車采用再生制動技術(shù)后[8]，自主研發(fā)了“和諧號”系列動車組列車，其制動手段也均為再生制動。由于高速動車組運行速度快、功率大、負載重，列車制動時將施加很大的制動力，由此產(chǎn)生的制動能量也將遠大于普通列車。再生制動技術(shù)不僅可以提供列車制動時必要的制動力，還可以產(chǎn)生清潔的電能，保障了高速動車組的安全、高效與可靠運行，也提高了能量的利用率。這正是再生制動技術(shù)在高速動車組中得以廣泛利用的主要原因[9]。

1 牽引供電技術(shù)概述

1.1 同相牽引供電系統(tǒng)

圖1為同相牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、牽引網(wǎng)和輔助供電設(shè)施組成[10]，是連接三相電力系統(tǒng)和電力機車內(nèi)所有電氣設(shè)備與機械設(shè)備的總稱，起到了變壓、變相和傳輸電能的作用。當機車用電時，電網(wǎng)通過接觸網(wǎng)向機車供電；當電力機車產(chǎn)生再生制動能量時，將反饋電能到電網(wǎng)。

1.2 網(wǎng)側(cè)電路

圖2稱為電力機車的網(wǎng)側(cè)電路，其主要功能是由網(wǎng)側(cè)獲取電能[11]。兩節(jié)機車間的網(wǎng)側(cè)電路通過車頂?shù)母邏哼B接器相連，因此，僅通過一個受電弓就可以滿足整臺機車的供電要求[12]。電力機車的受電弓從接觸網(wǎng)獲得電能；電流流經(jīng)電力機車后，通過輪對傳導給鋼軌，經(jīng)由軌道以及大地流入牽引變壓器，構(gòu)成電氣回路。

2 牽引變流裝置概述

機車上可四象限運行的牽引變流裝置為再生制動能量的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)。牽引變流裝置的原理圖如圖3所示，其由一個四象限整流器、一個中間直流環(huán)節(jié)和一個三相PWM逆變器組成。

在電力機車上坡行駛時，四象限整流器進行“交-直變換”，交流電網(wǎng)經(jīng)過整流電路給直流電動機供電，機車將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲荒?。電力機車下坡時，電動機作為發(fā)電機運行，產(chǎn)生制動效果，四象限整流器進行“直-交變換”，發(fā)電機產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變電路變成交流電，送到電網(wǎng)中去，即將機車的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，此時電路處于再生制動狀態(tài)[13]。中間直流電路的作用是將直流電壓穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)、向牽引電機提供無功功率、降低諧波含量。三相PWM逆變器將直流電壓變換為電壓和頻率可變的三相交流電，為牽引電動機供電，并進行速度特性控制。若反饋到受電弓的電能被同一供電臂下的牽引機車直接利用，則不需要增加任何設(shè)備，節(jié)約成本，較為高效。這種方法的前提是在同一供電臂下在處于牽引工況的機車和處于再生制動工況的機車同時存在。通過調(diào)整機車運行圖，可以加大同一供電臂下兩類機車同時出現(xiàn)的時間，使得牽引機車和制動機車在同一供電臂下同時出現(xiàn)的概率變大，提高再生制動能量的利用率[14]。

3 結(jié)束語

本文分析了電氣化鐵路再生制動能量的產(chǎn)生與利用，對研究再生制動能量的回收利用奠定了基礎(chǔ)。

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