摘要：随着我国经济的快速发展，人民生活水平的逐渐提高；越来越多的人意识到节约能源、保护环境的重要性；低碳出行、绿色交通已成为我国城市发展的重中之重。
地铁作为一种大运量、高密度的交通工具，它在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色。地铁列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、启动及制动频繁等特点，列车进行频繁的启动及制动，势必产生较大、较多的再生制动能量。怎么合理的吸收和利用这些再生制动的能量，是目前我国大多数地铁项目，需要探究的问题。
一、地铁再生制动能量产生的原理及分析和计算
1、地铁再生制动能量产生的原理
地铁列车的制动方式一般分为空气制动和电气制动两种类型；一种是依靠闸瓦与车轮间摩擦形成制动力，这就是列车的空气制动方式；另一种是基于交流变频调速的列车牵引系统能够在车辆制动时将牵引电机调整为发电机工况，将列车制动时的机械能转化为电能，这就是列车的电气制动方式。
2、地铁再生制动能量的分析和计算
例如某地铁列车采用再生制动和机械制动，必要时投入电阻制动，现对其制动能量进行分析和计算。
列车最高运行速度：80km/h（22.22m/S），列车惰行一段时间后，以某一初速度开始采用再生制动，制动加速度为（-1m/s2)），速度降低到5km/h（1.39m/s）以下时采用机械制动，当再生制动失效时（即再生制动能量不能被相邻列车吸收或无相邻列车时）辅以电阻制动。列车制动时动能转换为再生制动能量和机械能。
其公式为:E= m（v0-vt）2/2-FW*S
式中,E-可利用的再生制动能量，
m-列车总重量，6节编组取284t
v0-列车再生制动初速度（因地铁一般为车站高、区间低，列车进站前制动时，列车经爬坡增加势能速度已处于降低阶段），取50km/h（13.89 m/s）
vt-列车再生制动末速度，取5km/h（1.39m/s）
S-列车制动距离，S=（v02- vt2）/2
FW-列车制动过程中运行阻力的平均值。
转换效率（列车将再生电能返回到直流牵引网的效率）≈85%
根据经验公式，简化计算得：
E≈0.85 m（v0-vt）2/2
即,列车再生制动初速度为50km/h（13.89 m/s），单列单次可利用的再生制动能量为：E≈0.85 m（v0-vt）2/2
=0.85*284*103*（13.89-1.39）2/2
≈18.86*106J
平均制动功率：
P=E/S=18.86*106/12.5W≈1.51MW
单列单次可利用的再生制动电能为：
S=P*时间=5.243kW*h
地铁列车每一次进站制动，平均约产生5.243度再生制动电能。假设一条地铁线列车间隔5分钟，车站20座，运营时间为6点-23点。
每年将共计产生再生制动电能为：
5.243*（17*60/5）*20*365≈7807875.6度。
二、地铁再生制动能量吸收利用系统的分类 及优缺点介绍
目前再生制动能量吸收利用系统类型主要分三大类，即消耗型（主要介绍地面电阻耗能型）、储能型（主要介绍超级电容）和回馈型（主要介绍中压回馈型）。其主要工作原理是：当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生制动能量，使牵引网电压持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。再生制动能量吸收装置类型分类如下：
1、电阻耗能型
系统工作原理图
（1）系统工作过程：
当列车再生制动时，回馈接触网的电流不能完全被其他车辆或用电设备所吸收，地面电阻制动装置立即投入工作，吸收多余的回馈电流，将其消耗在吸收电阻R上，从而防止制动列车过多的向电网回馈能量而使电网电压升高，这样可使车辆最大限度地发挥电制动功能。
（2）电阻耗能型的优、缺点
该系统的优点：能够减少或取消列车车载制动电阻装置，提高列车动力性能，降低车辆投资；能够减少列车向隧道的散热，减轻隧道内的温控负担；能减少空气制动对闸瓦的消耗，有效减少闸瓦制动时的粉尘，净化隧道环境；控制简单，且国内有较为成熟的装置制造能力。
该系统的缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上并以热能的形式散发，不能有效利用再生制动能量；该装置中的吸收电阻柜需要单独放置，并且配以良好的通风散热条件，增加了场地和散热的配置难度。
2、超级电容储能型
系统工作原理图
（1）系统工作过程：
当地铁车辆再生制动时，直流牵引电网电压升高，控制电路控制双向DC/DC变换器主电路工作于充电电路模式，直流牵引电网与超级电容储能系统连接后，对其进行充电。超级电容组吸收再生制动能量，同时降低直流牵引电网电压。
当地铁车辆处于加速或者启动工况时，直流牵引电网电压会被拉低，此时控制器控制双向DC/DC变换器工作于放电电路模式，超级电容储能系统与直流牵引电网导通后，超级电容组通过升压电感对接触网进行能量反馈。此工况下，超级电容储能系统的投入使用，减少了交通运营对供电系统峰值功率的要求，使直流牵引电网电压的跌落得到了缓解。
当地铁车辆惰行时，控制器可以根据超级电容组电量，控制双向DC/DC变换器主电路对超级电容组的能量存储状态进行调整。
（2）超级电容储能型的优、缺点
该系统的优点： 能够减少列车制动电阻的容量或者取消列车制动电阻；能够有效利用列车的再生制动能量，实现较好的节能效果；直接连接在牵引网或牵引变电所直流母线上，再生制动能量只是在直流系统内转换，不会对交流系统造成影响，采用的是静态电容储能装置，其维护和元器件更换比较方便。
该系统的缺点： 目前该产品的容量较小，对于运量较大的线路，不能够完全吸收再生能量，目前国内未掌握该技术，没有能够自主生产的制造商，而国外同类产品的价格较高。
3、中压逆变回馈型
系统工作原理图
（1）系统工作过程：
在地铁列车正常发车起动及运行时，再生电能吸收利用装置与二极管整流机组协同工作，启动牵引功能，向直流牵引电网馈能，给车辆提供牵引电能，此时电能转化为车辆的动能。
当车辆采用电制动时，列车的动能转化为电能，回馈到直流牵引电网，这些能量将引起直流电网电压升高。再生电能吸收利用装置检测到直流网压升高到设定值，并确定列车处于制动状态时，回馈功能开始启动，将这部分制动能量回馈到中压交流电网中，此过程中二极管整流机组反向截止，停止工作。
当制动能量回馈完毕，直流网压降到设定值时，再生电能吸收利用装置停止回馈功能转入待机态，等待执行下一次任务。
（2）中压逆变回馈型的优、缺点
该系统的优点：能够充分利用列车再生制动能量，达到较好的节能效果；能够减少列车车载制动电阻的使用；提高列车的运行性能；能够将再生制动能量回馈到交流电网，不需要储能元件；可以进行室内安装，无需专门的空间布局和散热条件的要求，结合相关的控制方法，还能实现对站内无功和谐波的补偿。
该系统的缺点：电力电子逆变装置将会产生一定的谐波，对电网质量有一定影响；需要在牵引变电站内安装相应的连接变压器和逆变器装置，占地面积较大。
三、几种地铁再生制动能量吸收利用系统比较
通过对上面三种地铁再生制动能量吸收利用系统的优缺点分析，可以看出采用中压逆变回馈型再生制动能量吸收利用系统从节能效果、技术成熟度上、经济性均有明显的优势，是地铁供电系统节能的发展趋势。
四、结束语
经过最上面的分析和计算，由此可以看出列车的再生制动能量是相当可观的。而地铁再生制动产生的能量除了一定比例（一般为20%～60%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分如果不能被有效吸收将会被浪费掉。
再生制动能量吸收利用系统的应用，将本应被消耗的能量最大限度地实现回馈，符合国家的节能减排的产业政策，有利于保护环境，节约了能源，降低了电耗。再生制动能量吸收利用系统的应用，将大幅度消除电阻制动所散发热量，大大降低了地铁洞内温升，使洞内环境得以改善，同时可相应节省环控的投资。同时空气制动的减少，将减弱粉尘污染因素，使得运营更趋环保，从而提高运营服务水平。
特别是中压逆变回馈型再生制动能量吸收利用系统的不断创新和发展标志着我国地铁设备的发展逐步向世界先进水平靠拢，符合“绿色交通”的发展方向，具有很深远的现实意义。
参考文献：
【1】曾之煜、王玉松.《地铁发车间隔对列车再生制动功率吸收的影响》【J】.电气化铁道，2012.05：46-47+50。
【2】鲁玉桐、赵小皓、赵叶辉.《再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用》【J】.都市快轨交通.2014.04.27：105-108+112。
论文作者:夏振广,石龙飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/20
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