深圳市地铁集团有限公司运营总部
摘要：地铁制动产生的能量是非常大的，利用再生制动能量吸收装置技术，具有重要经济效益和社会效益。本文通过对国内外再生能量吸收方案优缺点进行分析，提出再生制动能量吸收的布点思路及发展方向。
关键词：地铁；再生制动；逆变回馈；供电系统
前言
地铁能够减轻城市交通运输负担，缓解城市交通阻塞皮力，方便城市居民的出行，在世界范围内的各大城市得到了广泛的应用。地铁作为城市轨道交通不同于交流电气化铁路，运营距离短，沿线车站多，站间距离短，地铁运行时，列车需要频繁地启动和制动。现阶段，地铁列车采用电制动和机械制动两种制动方式，其中机械制动也称为空气制动，是利用空气压缩间瓦，通过阐瓦与车辆车轮的摩擦来达到制动的目的。机械制动虽然具有良好的制动效果，但是制动时不仅会产生较高的热量和机械粉尘，恶化了地铁隧道内部的乘车环境，而且加剧了车轮的磨损，缩短了车轮使用寿命。电制动是利用列车牵引电机制动性质的电磁转矩来使列车减速，根据制动时回馈能量的流向，电制动可分为电阻制动和再生制动。其中，电阻制动是一种耗能型制动方式，它将电机回馈的电能引入车载吸收电阻，以电阻发热的方式耗散于空气中，电阻制动时，列车与牵引网没有再生能量的交互。与电阻制动相比，再生制动是一种节能型制动方式，它通过车载变流设备将再生制动能量回馈至牵引网，供给其他列车或通过电力电子设备和储能器件，变换为其他形式的能量。
列车再生制动时，向牵引网回馈能量，其大小随列车载客数量、制动初速度以及列车发车间隔不同而不同，一般而言，再生制动能量为牵引能量的３０％。目前直流牵引变电所采用不可控的整流方式，能量只能从交流侧单向传递至直流牵引网。列车再生制动时，如果同一供电区间内存在取流列车，一部分回馈的能量被取流列车吸收，其余的能量在牵引网不断累积，造成直流牵引网电压迅速抬升，甚至可能超过牵引网最大允许电压，危及网内电气设备的安全。同时，牵引网电压过高，也会影响牵引网内其他列车内部换流装置的正常工作，造成再生制动无法顺利进行。
一、地铁再生能量吸收装置发展现状
再生能量吸收方案主要包括电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。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，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。可以看出，再生制动减少了隧道内部通风散热负担，改善了地铁隧道内部乘车环境，能够实现再生制动能量的二次利用，达到节能环保的目的，具有较好的经济效益。因此，现阶段地铁列车采用再生制动为主，机械制动为辅的制动组合方式。
（一）电阻耗能型
电阻耗能型再生能量吸收装置主要采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。
电阻耗能制动分为车载电阻和车站安装电阻，一般两者结合用。取消部分车载电阻，而在车站集中设置电阻能够减少车载重量，减小牵引负荷。
该装置的优点：控制简单和直观，技术成熟，目前仍是国内轨交制动主流方案。
该装置的缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上集中发热消耗，对再生能量不能有效利用；电阻散热导致环境温度上升，当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，并且该房间需采取措施保证有足够的通风量，需要相应的通风动力装置，也增加相应的电能消耗。从节能的角度，电阻耗能型制动不代表再生能量吸收技术的发展方向。
（二）电容储能型
电容储能型再生能量吸收装置主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。
电容储能装置具有储能（储存车辆再生能量）和稳压（稳定牵引网电压）两种工作模式。两种工作模式可以相互切换。
该装置的优点：有效利用了列车制动时再生能量，节能效益好；直接接在牵引网或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对牵引供电系统不会造成影响。
该装置的缺点：超级电容容量有限，价格昂贵，初始投资高；且国内地铁管理单位无相关运营经验，需配备专业技术人员，运营成本高；一旦个别电容出现故障，易导致连锁反应，使得其余电容受损，其维修困难。
（三）飞轮储能型
该产品对变电所直流空载电压、母线电压的跟踪判断，确定是否有列车在再生制动且再生能量不能完全被本车辅助设备和相邻车辆吸收，当判断变电所附近列车有再生能量需要吸收时，飞轮加速转动，储存能量；当判断变电所附近有列车启动牵引用电时，飞轮转速降低，作为发电设备向牵引网反馈电能。
该产品的优点：该技术有效利用了列车制动时再生能量，具有节能效益；直接接在牵引网与回流轨间或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响。
该产品的缺点：飞轮属高速转动机械产品，其使用寿命是否能满足要求，维护维修是否方便值得怀疑。目前国内基本不从事这方面的研究。
（四）逆变回馈型
逆变回馈型再生能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上；当再生制动使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。
该类型装置的优点：充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到中压环网或车站AC 0.4kV电网，不需要配置储能元件；对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。
该类型装置的缺点：逆变至车站AC0.4kV系统的方案已在国内个别城市的线路中投入运行，但是缺少长期运营维护经验，逆变至中压环网技术虽在国内已研制成功，并进行了设备的挂网试运行，但仍没有大规模工程应用经验。目前国内多家厂商青睐于研发这种再生制动方式。
二、逆变回馈型再生能量吸收技术
按逆变回馈型的接入方式分为：低压回馈、中压回馈。逆变至AC 0.4kV网络的再生能量吸收装置受容量限制须与电阻结合才能满足目前地铁再生能量吸收的需求，因此通常采用逆变+电阻的型式。而中压能馈型再生能量吸收装置由于将能量逆变至中压35kV网络，设备容量较大，因此目前通常不再增加电阻设备。下面以直流牵引网额定电压1500V为例说明几种逆变回馈型再生能量吸收装置的区别。
（一）逆变至1180V侧回馈型
整流变压器接35kV中压网络，再生制动能量回馈变流装置接到整流变压器二次侧。再生制动能量回馈变流装置采用变压器隔离，设AC/DC变流和逆变模块。
该类型装置的优点：利用原整流变压器，不再单独增加中压变压器，提高了系统安全性；不用单独设置变压器能够节约土建面积，减少投资。再生制动能量回馈变流装置采用变压器隔离，无高频零序环流。成本相对较低，装置体积小，便于安装放置。
该类型装置的缺点：回馈能量受限于牵引变容量，无法充分回馈再生能量。
（二）逆变至35kV侧回馈型
整流变压器单独运行，另为再生制动能量回馈变流装置单独设置变压器接35kV中压网络，并设AC/DC变流和逆变模块。
该类型装置的优点：35kV中压网络单独增设变压器，回馈能量不受限于原整流变压器；无高频零序环流、采用变压器隔离保护。
该类型装置的缺点：成本高，需单独设置一套中压升压变并配置中压保护配电柜；体积大，中压升压变占用较大的空间，对土建要求较高；新增中压设备，系统可靠性受影响。
（三）逆变至400V侧回馈型
整流变压器单独运行，另为再生制动能量回馈变流装置单独设置变压器接400V低压网络，并设AC/DC变流和逆变模块。该类型装置的优点：低压相对安全；体积小，成本低；无高频零序环流、采用变压器隔离保护。
该类型装置的缺点：对配电系统有冲击，导致400V电网电压升高；受限于配电变压器，回馈容量小，最大1.2MW，节能效果差。
三、地铁再生制动能量吸收装置布置
（一）按站点位置布置
列车制动时，能量会被邻近站点的地铁再生制动能量吸收装置所吸收，吸收不完的能量会向两边传输，由于在端头的站点只能接收到单边传送过来的能量，而且在端头制动时能量只能单方向传送，因此两端的站点地铁再生制动能量吸收动作不如中间站点动作频繁；另外，从安全稳定上考虑，如果地铁再生制动能量吸收装置发生故障，能量会往两边方向传输，被邻近站点所吸收，相比在端头站点来说设置在中间站点系统稳定性更高。
（二）按轨道坡度不同布置
由于坡度原因会导致制动力叠加了动力分量，因此会增加列车制动的难度，相比平直轨道，当机车在具有坡度的站点下坡制动时，制动能量更大，建议考虑将回馈变流器放到坡度较大的站点。
四、结束语
综上所述，建议地铁再生制动能量吸收装置安置到靠近全线中间位置且坡度较大的站点。
参考文献：
[1]于松伟，杨兴山，韩连祥，张魏.城市轨道交通供电系统设计原理与应用.
[2]丁树奎，韩志伟，张钢，刘志刚.能馈式牵引供电原理及其在城市轨道交通中的应用.
论文作者:李天禄
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：能量论文; 装置论文; 电阻论文; 列车论文; 变压器论文; 逆变论文; 地铁论文; 《基层建设》2017年第14期论文;