試析城市軌道交通制動能量回饋用并聯變流器控制策略

摘? ? 要：為了建設更加立體的城市交通系統(tǒng)，務必要重點發(fā)展城市的軌道交通網。城市的有軌電車將為城市居民的通勤帶來更多的選擇，在緩解城市交流壓力的同時又能提高城市居民的生活方式。城市軌道交通在運行中產生的巨大能量若以回收利用將會為我國的綠色節(jié)能發(fā)展帶來更多的利益。本文將對城市軌道交通制動能量回收利用問題進行分析，討論并聯變流器控制的可行性。

關鍵詞：城市軌道交通;制動能量回饋;用并聯變流器控制策略

1? 發(fā)展城市軌道交通的意義

城市化的快速發(fā)展導致城市人口越來越密集，需要通過城市的交通網絡加強各區(qū)域之間的聯系。除了地鐵公交等傳統(tǒng)的公共交通系統(tǒng)已經無法承擔城市人口的通勤壓力這就需要建立新的軌道交通系統(tǒng)來分擔城市的通勤壓力。

2? 城市軌道交通制動能量再生制動系統(tǒng)

城市的軌道交通每天會消耗大量的能源，根據能量守恒定律我們可以得知有一部分的能源并沒有用于城市軌道交通的正常運行中去，甚至城市軌道交通在運行的時候會產生一些多余的熱量，這些熱量可以進行回收再利用。城市軌道交通為滿足通勤需要，往往站間距小，需要列車頻繁啟動與制動。城市有軌電車一般是兩種類型電制動與機械制動。前者一般在正常運行轉為低速行駛時電車的電動機轉換為發(fā)電機動能轉化為電能再作用于整個電車的電力運行上來，實現電能的能量回收。后者則多用于電車的低速行駛到停止，速度一般在每小時8km左右。

在通過電制動進行電能回收利用時，如果沒有電車可繼續(xù)回收利用這部分電能，則再生能量會造成電網電壓上升。為了抑制電網電壓升高，一般采取的辦法是利用電阻耗能型制動能量吸收裝置讓機車車載制動電阻吸收電力能量進而用于實際的運行之中。從數據統(tǒng)計中可得知城市軌道交通列車運行時所產生的能量通常占牽引能量的20%～40%左右。該部分能量除了按一定比例，通常是20%～80%之間被其它相列車吸收利用之外，余下能量通常是被車載制動電阻吸收。如果列車發(fā)車密度較低它產生的再生能量被其他的相鄰電車吸收利用的可能性就會減少，根據相關調查研究顯示，一旦列車的發(fā)車時間間隔為6分鐘的時候再生的能量被相鄰電車吸收的可能性幾乎為零。所產生的多余熱量被電阻吸收進一步導致城市區(qū)間隧道和車站站內部的溫度升高這樣就需要開設大量的制冷通風設施。從長遠方案來看也不符合國家的綠色環(huán)保發(fā)展的特點因此針對城市有軌交通的再生能源利用符合國家的需要。

2.1? 整流模塊

整流模塊是指軌道車輛再生制動系統(tǒng)中的整流站。整流站存在的意義是把變電站所輸送的交流電壓轉為直流電壓進而為軌道車輛的運行提供動力支持。

2.2? 車輛模塊

車輛模塊則對應的是輕軌機車本身，是整個軌道交通運行部分的主體他的核心電機的構成主要是由磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)以及轉速控制系統(tǒng)共同組成的。

2.3? 吸收模塊

車站旁邊的吸收站對應的是吸收模塊，在獲得母線電壓的變化數據之后對整個IGBT部分工作進行控制。吸收軌道交通運行制動時產生的能量進而克服其對母線電壓所產生的有害影響。

3? 制動回饋能量控制處理

3.1? 車外電阻吸收控制

車外電阻吸收控制裝置一般安放在地鐵站內部利用多相IGBT斬波器同收電阻聯合工作控制電壓的工作方式。依據再生制動時的產生的直流母線電壓的波動變化情況調節(jié)整個斬波器的導通比。把直流電壓維持在恒定的規(guī)定數值之內在改變吸收功率的同時將制動能量消耗掉?？梢岳醚h(huán)水讓電阻熱能冷卻下來，之后得到的熱水進一步循環(huán)利用。

車外電阻吸收控制是在目前國內外普遍使用的再生制動能量回收利用設備，他自身具有成本低廉組合方便操作簡單系統(tǒng)穩(wěn)定運行可靠后期維護便利使用壽命長等一系列優(yōu)點。再生的制動能量吸收電阻進而熱量升高，這樣不利于設備的運行和維護需要進行降溫散熱處理，這是車外電阻吸收控制器技術未來發(fā)展主要需要攻克的難題。目前來看車外電阻吸收控制系統(tǒng)的能量回收利用效率低，從長遠角度看并不能代表整個技術領域的發(fā)展水平。

3.2? 電容儲能型

電容儲能以IGBT逆變器為主體進而讓城市軌道交通的再生制動能量吸收儲存在大容量電容器組里。在有軌電車的工作期間的列車啟動以及加速需要電力供應的時候，電容儲能器就可以將儲存的電能釋放出去得到應用。這種解決方式主要是將電車產生的再生的制動能量直接在牽引系統(tǒng)內進行轉換他對整個交流系統(tǒng)不會產生負擔。電容儲能器的再生能量利用率高整體的環(huán)保效果十分高效。電容儲能器是一種靜態(tài)儲能元件，他的后期維護和更換維修元件是十分便捷輕松的。但是由于城市軌道交通運行需要回收大量的能量，相應的需要準備高容量的超級電容儲存器。一般需要配備的電容儲存器的電壓一般在2.5V～3V之間。同時會一齊配備DC1500V牽引系統(tǒng)，為了防止電容過壓擊穿發(fā)生意外事故，需要加強串并聯技術的應用進一步研究充放電的電壓電流控制技術。這就要求電容儲能器在釋放掉一部分能量之后才能開始能量的回收利用。未來精進電容儲能器的設計方案需要擴大的設計容量縮小他的占地面積，延長電容儲能器在頻繁充放電狀態(tài)下電容儲能器的使用壽命，降低整體的電容儲能器的應用成本。

3.3? 飛輪儲能

飛輪儲能工作原理是把飛輪慣性應用于能量儲存。飛輪加速轉動時可以把電能轉換為動能儲存以滿足直流母線提高的情況所需要的再生制動能量。飛輪轉速減少情況對應直流母線降低時輸出能量的效果降低。這種操作方案主要的操作原理類似于將飛輪電機轉換成發(fā)電機。把飛輪慣性儲存的慣性動能轉化成電能重新利用到整個軌道交通系統(tǒng)的運營當中去。但是飛輪儲能再生制動能量的效率高，但是這種裝置后期維護復雜零部件磨損快消耗大整體的維護費用高占用場地面積大。

3.4? 逆變回饋

逆變回饋裝置的主要構成零件部分是電力電子器件構成逆變器。他的工作原理是將直流電逆變成工頻交流電整體回饋到35kV中壓或400V系統(tǒng)電網當中。逆變回饋裝置會自動檢測該直流母線電壓的變化，實時監(jiān)控。當電壓升高處于危險之中時立即啟動PWM的脈沖信號，誘發(fā)控制功率器件IGBT進行調節(jié)電流的工作，保證回收的制動能量迅速恢復正常工作反饋在電網之中。主要工作原理是監(jiān)控直流母線電壓，使其使直流母線電壓穩(wěn)定在規(guī)定的安全數值（約1705V）之內以實現整個地鐵直流系統(tǒng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。逆變回饋裝置不用吸收電阻及準備相應的儲能元件。整個再生制動能量系統(tǒng)的利用效率高占地面積小機械零件的損耗程度低，他對于整個環(huán)境的溫度的要求不高不會額外產生不需要的熱量。是一種理想的軌道交通制動能量回收利用方式，這符合我國的環(huán)保節(jié)能綠色發(fā)展要求，又不會造成成本負擔這在整個軌道交通能源回收利用項目中都是值得肯定的一種方案，目前該方案已經在國內一些城市軌道交通逐漸推廣。

4? 結語

為在分擔城市交通壓力的同時減少資源的浪費，發(fā)展城市有軌交通的制動能源回收技術很有必要。既降低了成本又符合綠色環(huán)保需要。整個再生制動能量系統(tǒng)的利用效率高占地面積小機械零件的損耗程度低，對整個環(huán)境溫要求不高不會額外產生不需要的熱量，這是我們需要的一種理想軌道交通制動能量回收利用方式。希望未來科研人員可以向這個方向不斷努力進步改善人們生活。

參考文獻：

[1] 張鐵軍，王劍平，黃科元.城市軌道交通制動能量回饋用并聯變流器控制策略[J].控制與信息技術，2019（2）：44～48+53.

[2] 何煜晗.試析城市軌道交通建筑節(jié)能設計的相關措施[J].工程建設與設計，2018（17）：296～297+302.

[3] 韓冰玉.試析城市軌道交通安全管理[J].城市建設理論研究（電子版），2017（18）：63.

作者簡介：

楊曉東，助理工程師，研究方向為軌道交通供電。