关键词：城市轨道交通；供电系统；再生电能利用技术
1轨道交通列车再生制动能量吸收的意义
轨道交通作为一种大运量、高密度的交通工具，其列车运行特点具有站间运行距离短、运行速度高、起动及制动频繁等特点。目前轨道交通普遍采用的牵引变流器（VVVF）动车组列车，其制动一般为电制动（再生制动、电阻制动）和空气制动，运行中以再生制动和电阻制动为主，空气制动为辅。传统的列车电阻制动是将制动电阻装在车辆底部，当再生电阻不再起作用时采用空气制动。列车电阻制动产生的大量热量散发在区间隧道内，在大运量、高密度的运行条件下，加剧了隧道洞体的温升。这对通风系统提出了更高的要求。上述列车制动方式存在以下2个弊端：
(1）部分再生制动能量不能被相邻车辆吸收，通过车辆制动电阻发热消耗或空气制动消耗，浪费了大量电能。
(2）制动时发散热量堆积在隧道内，既升高了隧道温度，又增加了环控设备的用电量。
目前，诸多轨道交通线路采用直线电机系统（如广州4号线、北京机场线）和独轨系统（如重庆轻轨），车辆上布置电阻制动装置困难。如果考虑在线路沿线设置合理的再生能量吸收装置，既可以有效减少隧道温升等问题，又能通过能源再次利用，产生良好的综合经济效益。鉴于此，不少城市的轨道交通建设正日益关注车辆再生能量的吸收及利用问题。
列车采用VVVF技术的情况下，在变电所设置再生能量吸收装置能够使列车最大限度地使用再生制动，减少环境污染，降低隧道温度的上升，还能够对再生制动能量进行有效利用，达到节能的目的。
2地铁牵引供电系统再生制动储能的重要性
随着经济的快速发展，城市化进程不断加快，我国地铁技术水平也得到有效提高，地铁在启动和制动的过程中会产生大量的制动能量，目前，国内对再生制动能量利用率较低，大部分多余的能量使用吸收电阻来消耗掉，虽然能起到稳定电网电压的作用，但是会提高地铁运行隧道的温度，加大了地铁线路通风散热系统的散热困难。因此，对地铁牵引供电系统再生制动能量进行储存利用，不仅能提高再生制动能量的利用率，达到节约能源的目的，很好的适应政府提出的节能减排要求，还能提高地铁运行的安全和稳定。
3牵引供电系统再生制动能量吸收方式
根据对多余制动能量利用方式不同,再生制动能量吸收可分为耗能型、馈能型和储能型这三种：
（1）耗能式再生制动能量吸收方式。耗能式再生制动能量吸收方式是属于消耗型的一种吸收方式，通过安装电阻，将多余的再生制动能量转换成热量散发出来，主要由车载式和地面式这两种形式组成。车载式是在每个车辆安装消耗能量的电阻，这种安装方式不仅使车辆处于高度负重状态，影响车辆运行状态，在一定程度上也加重了车辆维护工作人员的工作负担。车载式安装方式和地面式安装方式，都是将能量散发掉，没有将能量进行合理利用，从某种程度来看并不符合再生制动的能量利用要求。
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（2）能馈式再生制动能量吸收方式。能馈式再生制动能量吸收方式是通过逆变装置将能量进行转换，转换成交流电形式供给其它三相交流用电设备使用，这样不仅可以节约机车制动能量和有效缓解地铁隧道的温度上升情况，还能在一定程度上减轻系统通风设备的工作量，并且跟耗能式相比，更符合环保低耗的要求。
（3）储能式再生制动能量吸收方式。储能式再生制动能量吸收是通过储能器对多余的再生制动能量进行吸收利用，地铁车辆在启动加速时，电网中的电压会有较大的波动幅度，影响了地铁车辆供电系统的正常运行。而储能器储存的能量能为地铁车辆提供稳定可靠的电源来源，起到缓解电网中电压不稳定影响地铁正常运行的作用。储能式通过对电网处于最大负载时释放出的能量进行储存，并在电网负载较小或供电系统断电时，释放出来供给电网使用，在减少了能量耗损的同时，也提高了电网的供电质量和稳定[1]。
4再生制动储能方式及特点
（1）电池储能。电池是一种具有较高储能密度的电子元件，地铁车辆的供电系统的用电情况分为用电高峰和用电低峰两种，而电池储能的工作原理就是在用电低峰时期吸收再生制动能量，这些储存的能量用在用电高峰期，减轻地铁车辆供电系统的供电压力，并且在一些无法架设电缆线路的路段，电池储能为地铁车辆提供能量，使地铁正常运行。但是由于化学电池的充放电循环寿命有限，并且电池的化学物质难以降解，大量使用电池会对环境造成较大污染，所以电池做为储能系统在地铁这种需要频繁启动制动的轨道交通上使用受到诸多限制。
（2）飞轮储能。飞轮储能系统是通过飞轮高速运转将再生制动能转换成动能并进行储存，主要由高强度复合材料构成，在工作时磁悬浮轴承起到支撑作用，并处于真空环境中，使能量损耗降到最低。与电池储能方式相比，飞轮储能的使用寿命较长，并且使用期间不用进行维护，一定程度上减少了资金和人力的投入。但飞轮储能有一较为明显的缺点就是能量不能长时间储存，能量损耗会随着储存时间增长而增大。因此，飞轮储能更适合用有大功率设备运行的场合，并且飞轮储能装置的设计过程涉及多种学科和专业，比较复杂，在我国处于研究起步阶段。
（3）超导磁储能。超导磁储能储存的工作原理是通过超导线圈将再生制动能量直接以电磁能的形式储存起来。而超导磁储能的优点在于不需进行其他形式的能量转换，减少了转换过程中的能量损耗，并且可以进行长时间储存。其次，超导储能系统还通过交流电电子器件与地铁车辆供电系统形成连接关系，能对地铁车辆供电系统的用电需求进行快速响应，起到提高地铁车辆供电系统的供电速度和质量的作用。但是，超导储能装置的单位体积储存的能量较少，不能同时满足高能量密度和高功率密度的要求，并且超导磁体的成本较高，需要较高的资金投入[2]。
（4）超级电容储能。超级电容储能采用的是一种电容值较高的电容器来对能量进行储存和释放，电容器能直接以电势能的形式来储存，不需要进行能量转换，减少了能量转换过程中的耗损，而且超级电容器的电容值较大，能储存的能量密度较大，并且吸收再生制动能量所需的时间比较短，这样能最大限度的提高再生制动能量的利用率，保障地铁车辆供电系统的可靠性。超级电容储能最显著的一个特点是，在地铁牵引供电系统断电或供电能力较弱时，能提供一定时间的应急能量，使地铁安全运行到站台，提高了地铁车辆的安全性和可靠性。
结束语
在城市轨道交通牵引供电系统中设置再生能量吸收装置，可对列车制动所产生的再生能量进行吸收、储存和再利用。这已成为城市轨道交通节能技术发展的方向，因此，对其进行研究具有重要意义。
参考文献
[1]陈哲.北京地铁10号线中压馈能型再生制动电能利用装置[J］.现代城市轨道交通，2015（1）：5．
[2]卫巍. 再生能馈装置在城市轨道交通供电系统中的优化配置研究[D]. 2016.
论文作者:袁宋伟
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/29
标签：能量论文; 供电系统论文; 储能论文; 地铁论文; 车辆论文; 轨道交通论文; 电阻论文; 《科学与技术》2019年第22期论文;