轨道交通机车再生制动能量的回收利用

创新者：曾 清 张志兵

轨道交通机车再生制动能量的回收利用

创新者：曾 清 张志兵

分析了目前三种机车制动能量的回收方式，即消耗型、储能型、逆变型。并对它们的经济技术性进行比较，确定逆变型是未来地铁吸收机车制动能量的最佳方式。然后对逆变型的独立新增、部分替代、完全替代三种设置方式进行对比分析，从经济性、技术性、可靠性等方面综合考虑选择一种性价比最高、对原有的供电系统影响最小的设置方式。最后对所选择的设置方案进行控制策略设计。

进入21世纪以来，我国继续保持国民经济的高速发展，城镇化的速度日渐加快。城镇化在日益提高人民生活水平的同时，也带来因大量的人口流向城市而导致城市交通系统负担快速增加的问题，运力不足、耗能严重、环境污染等矛盾已经非常突出。城市轨道交通是城市公共交通体系中的重要组成部分，具有运量大、安全舒适、方便快捷等优点。

目前，地铁机车再生制动能量回收主要有逆变回馈型、电容储能型、飞轮储能型和电阻消耗型四种方式。国内地铁普遍采用电阻消耗型，使用制动电阻来吸收机车的制动能量，这种方法可靠、简单易行，具有比较成熟的应用技术。但它的最大缺点是不能合理的回收机车制动能量，造成电能浪费。电容储能型和飞轮储能型可以有效的回收机车的制动能量，但国内技术不够成熟且成本较高，不适合普遍推广使用。逆变回馈型不仅可以高效的回收利用机车的制动能量，而且国内对逆变技术的研究技术比较成熟，因此该方法是未来研究应用于吸收机车制动能量的主要方法。

逆变回馈型的核心部件是PWM变流器，变流器可以四象限工作，根据侧重点不同，逆变回馈装置的设置可以采用三种方式：独立新增、部分替代和完全替代。由于能馈式牵引供电装置在城市轨道交通牵引供电系统中应用才刚刚起步，设备容量和过载能力暂时还难以满足列车牵引供电需求，因此主要用于实现列车再生制动能量的回馈再利用，起到节能和减小列车间瓦磨损的作用，所以独立新增方案是性价比最优的一种方案。

逆变回馈装置可以直接将制动电能逆变回馈到交流中压电网，以供其它设备使用，不存在电阻发热问题，也不需要安装大容量的储能设备，国内研究技术成熟，便于检修维护。为了减少逆变时对电网的影响，本文设计一种电压、电流双闭环控制方案。该控制方式不仅可以提高变流器的宽容度，还可以提高其动态响应速度及抗干扰能力，可以有效的降低交流侧电压的谐波含量。

机车制动能量回收方式对比分析

电阻消耗型

电阻型再生制动装置安装于地铁牵引变电所母线上，当地铁列车制动产生的能量不能被同一供电区间同时运行的列车或者本地铁列车车载设备全部吸收时，吸收电阻便接入电路，吸收多余的再生制动能量。其原理示意图如图1所示。该种吸收设备大多用恒压控制策略，通过监测母线网压变化调节斩波器占空比调节制动电阻运行状态，调整能量吸收功率，从而将电压稳定在给定范围内。该装置易于控制，但能量全部以热量消耗，造成浪费。同时造成周围环境温度升高，通风动力装置的二次能源消耗。

图1　电阻消耗型示意图

电容储能型

如图2所示，地铁牵引供电系统接入超级电容储能设备。该设备通过直流开关设备与牵引变电所牵引正负母线或者牵引网接触轨、走行轨相连。西门子的该项技术较为成熟，超级电容值一般在几千法拉，其能量直接以电势能储存，可快速充放电，且寿命长，维护少，其速度只受限于变换器容量和电容器内阻，由于该装置在牵引网压低于给定值时，能够向其供电，故该装置对于稳定牵引网压有积极的作用。

图2　超级电容储能示意图

图3　飞轮储能示意图

图4　逆变回馈型示意图

飞轮储能型

飞轮储能装置的核心是一个高密度合成磁筒，筒内装有永久性磁粉，提供磁介质。将磁内核按两种方式磁化，一端形成半个无源磁轴承，另一部分形成永久磁极的转子，同时与存在的三相定子构成一个完整电机。其原理图如图3所示，储能原理是依靠飞轮的动能对制动能量进行储存当地铁列车制动时，飞轮转速不断加快以吸收制动能量；当列车启动时，飞轮转速逐渐降低，将存储的能量转化为列车动能。飞轮储能装置之间相互独立，可以几套装置同时使用，但该项技术尚处于研究完善之中。

逆变回馈型

逆变回馈型再生制动利用方案其原理是通过传感器实时检测直流牵引网电压，与逆变装置设定的启动工作阈值比较，从而对地铁列车运行状况进行判断。其原理示意图如图4所示，当牵引网压值高于给定值时，逆变器就进入工作状态，将地铁列车制动产生的能量逆变成交流电返回供电网。目前逆变回馈工频交流电网主要有两种方式：其一，逆变回馈于高压交流电网（l0kV或35kV）；其二，逆变回馈于低压交流电网400V负载侧，供站内照明通风等设备使用。

通过分析可见电阻能耗型虽然控制简单，使用寿命长，且技术较为成熟，但是制动能量全部浪费，不能起到节能效果，必然不能代表再生制动能量利用的发展方向。另外三种技术，国内外都在进行不断研究，理论也在不断完善，而且随着大功率电子器件的快速发展，加速推动了逆变回馈型再生能量吸收技术的发展，国内新建地铁己开始引入相关产品，国内相关机构如株洲时代等公司也在对该技术产品进行研发。业内普遍认为，该地铁再生制动能量利用技术潜力无限，因此研究此项技术有着重要的意义。

逆变装置设置方式

完全替代

完全替代足指两套能馈式牵引供电装置完全替代原有的两套12脉波二极管整流机組。

优点是：无需额外增加设备安装空间，总占地小。可充分利用能馈式牵引供电装置的双向变流能力，列车牵引时提供能量，列车制动时将多余再生制动能量反馈交流电网。此外，由于能馈式牵引供电装置具有输出电压调节能力，因此直流网压可以维持良好的平稳性，容量上也可以较好的满足列车再生制动能量吸收要求。

缺点：为了满足VI级负荷要求，设备的峰值容量大，要求过载能力强，在大功率TGBT半导体器件没有规模化量产前，设备价格会比较昂贵。

部分替代

部分替代是指用一套能馈式牵引供电装置代替一套12脉波二极管整流机组，保留一套原有的12脉波二极管整流机组。

优点：无需额外增加设备安装空间，总占地面积小。兼具二极管整流机组结构简单、可靠性高、价格低廉和能馈式牵引供电装置能量双向流动，输出特性可控的优点，在实现列车再生制动能量回馈利用的同时，系统总体投资增加不多。

缺点是：采用12脉波整流后交流电流的谐波含量相对于原有的24脉波整流会有所增加。此外，一台能馈式牵引供电装置容量上也难以完全满足列车特殊情况下再生制动能量吸收需求。

独立新增

独立新增是在完全保留传统的24脉波整流机组的基础上，额外新增一套独立的能馈式牵引供电装置。

优点是：在不改变既有供电机组的情况下，独立新增了第三台机组，增加了变电所牵引供电容量，实现了列车再生制动能量的有效回馈，同时不会对原有供电方式造成不利影响，系统可靠性高，推广难度小。

缺点：需额外增加设备安装空间，增加设备投资。

通过对这三种方式的分析比较，从牵引供电能力、经济成本、回馈能力等方面考虑，可以得出独立新增是一种性价比最优的设置方案。

图5　逆变回馈系统控制方案设计

逆变装置的控制方法设计

为了提高独立新增逆变回馈装置的工作效果，本文采用基于SVPWM的双闭环PI控制方式。比例环节（P）能够增大系统开环增益，提高系统响应速度和控制精度；积分环节（I）能够减小系统稳态误差，增强系统稳态性能。

能量回馈系统控制原理框图如图5所示，系统控制主要包括脉冲产生模块和电流调节模块两部分。脉冲产生模块产生SVPWM触发脉冲控制逆变器中IGBT导通和关断，实时调整逆变器输出的电流；电流调节模块采用PI双闭环控制策略，电压控制环是外环，电流控制环是内环。

具体的实现过程是将牵引网侧实测直流电压与牵引网给定电压参考值进行比较，将比较送入积分PI调节器计算出参考电流值id，该电流与三相电流iabc经dq解耦后得到的d轴有功电流分量比较后，将其差值经PI调节器调整后与ed分量比较， 最后经过Park变换后驱动SVPWM模块产生脉冲信号，控制逆变器IGBT导通和关断，从而控制逆变器电流的输出。当检测到牵引网电压大于电压阈值时，逆变回馈装置便从待机状态进入工作状态。牵引网压低于该电压阈值时逆变器再由工作状态转为待机状态。

结束语

本文分析目前电阻消耗型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型四种机车再生制动能量回收，并对它们的优缺点进行比较，确定逆变回馈型吸收方案为本文的能量回收方案。对逆变回馈装置的设置方式进行比较，选择性价比最优的独立新增方式，该方式在不影响原有的供电系统外，还可以有效的将机车制动能量回馈到交流电网，以供其他设备使用。最后对所选择的独立新增逆变回馈装置进行控制设计，采用电压外环、电流内环的双闭环控制方案，达到稳定直流侧电压和回收机车制动能量的双重效果。采用逆变型吸收方案，不仅经济可靠而且解决了能量浪费问题。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.027