城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究

城市轨道交通再生电能回收技术方案分析与探讨天津市地下铁道集团有限公司于喆汤尧摘要：针对目前城市轨道交通中广泛应用的再生制动技术，如果采用车辆吸收电阻吸收地铁列车运行过程中的再生能量，则将带来隧道和站台内的温升问题，同时也增加了站内环控系统的负担，造成大量的能源浪费并使地铁的建设费用和运行费用增加。

为了降低隧道洞体和车站内温度并提高洞内空气质量，应当进行再生能量吸收的相关技术系统研究并在地铁工程中使用成熟的再生能量回收装置。

本文主要介绍了再生制动能量吸收电阻+逆变装置的设计重点，阐述了该装置工作的基本原理，并对其在变电所中的投运方式进行了探讨。

关键词：城市轨道交通；再生；吸收；技术方案一、引言在城市轨道交通车辆应用得较为广泛的调速技术主要有直流斩波调压、再生-电阻制动系统，交流变频变压调速（即VVVF系统）、再生电制动系统。

北京地铁已采用了上述两种调速系统的电动客车，上海、广州地铁采用VVVF交流调速系统，重庆、武汉、深圳、天津城轨车辆也均采用VVVF交流调速、再生电制动系统。

车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，列车起制动频繁，因此要求起动加速度和制动减速度大，制动平稳并具有良好的起动和制动性能。

从能量相互转换的角度看，制动能量是相当可观的。

由于轨道交通整流设备采用的是二极管整流器，只能单向供电。

当列车制动时，再生回馈能量通过机车变频装置向直流电网充电，使直流电网电压升高，当直流电压大于整流器输出电压时，二极管整流器被反向阻断。

由于地铁系统的特点是区间距离短、列车运行密度高，这样列车在全线运行过程中必将有频繁的启动、制动过程。

根据运营经验，车辆再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30%甚至更多。

而这些再生能量除了按一定比例（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。

当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。

资料表明，当列车发车间隔大于10 min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被车辆吸收电阻吸收，变成热能并向洞内四外散发，这必将使隧道和站内的温度升高。

目前国内城市轨道交通在地面采用电阻能耗吸收装置处理列车运行过程中的再生能量，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使城轨建设费用和运行费用增加。

若能将这部分能量储存再利用，这些问题将迎刃而解。

二、可采用的相关技术为了减少制动能量在列车制动电阻上的耗散，抑制地铁隧道内温度的升高和减少车载设备，国外一般在牵引变电所的直流母线上设置再生制动能量吸收装置，所采用的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。

电阻耗能型再生制动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。

该装置的优点是控制简单，其主要缺点是再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用；而且电阻散热也导致环境温度上升，因此当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而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，也增加了相应的电能消耗。

电容储能型是将制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去，其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短；飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样，只是储能元件为飞轮电机，但由于飞轮长时间处于高速旋转状态，且飞轮质量也很大，故摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短。

该类吸收装置的电气系统主要包括储能电容器组或飞轮电机、IGBT 斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等。

逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，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。

该吸收装置的电气系统主要包括晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流快速断路器、电动隔离开关、直流电压变换器和调节控制柜等。

该装置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，但是技术复杂，设备投资较大。

在对再生能量吸收装置的四种回馈方式进行技术性价比后，提出了采用电阻吸收+能量逆变结合的模式。

装置主电路由三部分组成，即开关及滤波单元、电阻吸收单元和逆变吸收单元；逆变吸收的用电设备为各牵引降压混合变电所的低压用电负载。

再生制动能量吸收电阻+逆变装置主要由隔离开关柜、斩波控制柜、逆变控制柜、电阻柜、隔离变压器柜等构成。

隔离开关柜具有执行再生制动吸收设备与电网接通或分离、电网滤波、系统故障保护等功能。

斩波控制柜主要实现吸收装置自动转换及检测等功能。

它由多个独立的IGBT斩波支路及微机控制装置等组成，每一支路IGBT斩波器控制其开通或关断，差相工作。

检测电网电压变化由电压传感器检测并实现判别牵引、制动工况。

本斩波柜采用电力电子器件IGBT作为开关元件，根据实际再生制动力的大小调节吸收电流，充分满足车辆的再生制动功能，并具有过流、过压和短路等保护。

微机控制系统根据应用的需要和相应设备的特点，分为上、下两级控制。

上位机采用具有高可靠性和功能强大的工业控制机，是控制系统的人机交互工具，也是一个系统通讯中枢。

主要进行状态监视、数据存贮及图形表现、系统参数设置、运行控制和通讯处理等工作；下位机采用高性能的微处理器，结合其它外围器件，构成一个性能稳定、可靠、功能强大的底层系统。

完成数据采集、逻辑处理、故障判断、控制输出、PI调节运算、多相PWM输出和系统通讯等工作。

为了便于系统的维护与开发，整个上位机系统是模块化设计的。

吸收电阻柜用作再生制动吸收设备功率吸收元件，它由若干电阻单元组成。

电阻器组件为无骨架长波型电阻元件，由于电阻带为非磁性材料，而且采用框架式波形绕组，电感量低；电阻值温漂变化小；采用模块结构，调整电阻值方便。

微机控制系统根据各个传感器检测信号，综合判断直流电网上是否有列车处于再生电制动状态。

一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，系统启动吸收过程。

在控制系统中设置二级判断基准值，当电网电压升到第一级判断电压时，系统首先投入逆变吸收；逆变转换成AC380V电压，自动跟踪AC380V母线电压，并向用电负载供电，将再生能量消耗在用电设备上；一旦逆变吸收消耗不了该能量，将引起电网电压进一步的上升，当电网电压升到第二级判断电压时，电阻斩波器立即投入工作，电阻吸收装置将再生制动能量消耗，稳定电网不再上升，确保列车充分有效利用电制动。

该装置的原理示意如下图所示。

制动控制柜主要实现吸收装置自动投入、撤出和滤波等功能。

制动电阻柜主要由吸收电阻组成，实现制动能量的吸收和排出功能。

逆变控制柜主要实现逆变吸收、自动并网及逆变电流调节等功能。

逆变柜采用电力电子器件IGBT作为开关元件，根据实际再生制动力的大小调节吸收电流，充分满足车辆的再生制动功能。

并具有过流、过压、缺相和短路等保护。

隔离变压器柜通过干式变压器实现再生电能逆变吸收装置与交流供电系统的联结与隔离。

地面制动电阻装置应保证在线路上有列车在进行电制动且制动时产生的再生能量不能被其它取流列车和逆变装置以及用电设备吸收时，制动电阻装置应能可靠地将再生能量吸收；并根据吸收功率的大小自动调节斩波器的导通比，维持线网电压恒定。

在列车起动、加速、惰性、停站和线路上无车辆运行而整流机组处于工作状态情况下，本装置禁止投入线网工作来消耗能量。

因此本装置必须能合理地判断和确定制动电阻装置的导通和关断电压，此方案的适用性还有待于在实践中验证。

三、技术方案的研究与比较1、有关系统的仿真模拟计算仿真模拟是较为先进的研究方法之一，事实证明，这样的研究方法是可取的、科学的、可靠的。

许多重大项目都要经过各种仿真模拟计算后才能够进入实施阶段，开发研究阶段的有关模拟分析参数的选择和确定将有可能影响到整个工程的方案决策、运行效果以及工程投资和系统的经济合理性。

因此，在项目的设计阶段进行大量的、准确的仿真模拟是非常必要的。

多年来中铁电气化勘测设计研究院已经在各条城市轨道交通的供电系统设计中多次运用这种方法。

因此，为了得到更为准确可靠的研究结果，在研究过程中对相关的系统进行了大量的模拟分析与比较。

所应用到的主要模拟技术和分析流程见图1。

（1）、列车运行模拟列车运行的模拟仿真是整个方案研究最基础的数据平台和依据，它的正确性和科学性将直接影响后续模拟计算的准确性和方案的可靠性。

因此必须对与此相关的各个系统进行充分调查、分析与研究。

主要包括车辆特性、车辆阻力、车辆运行工况的分析与研究，线路资料和有关运营资料的分析与整理，从而获得准确的全线列车运行数据。

（2）、不同运行图模拟一般来说，在固定的列车追踪间隔运行状态下，列车的牵引用电负荷反映到牵引变电所是相对持续稳定的，不会因运行图上下行铺画的时间交错产生较大的波动变化。

因此，设计院一般在设计牵引供电系统方案和容量的时候，只需对典型的高峰小时运行图进行模拟就可以满足要求。

而再生能量回馈电流则是短时的、不稳定的，由于其他列车的运行状态直接影响到再生电流的吸收比例，所以在作回馈电流的模拟分析时，应该充分考虑运行图上下行铺画的不同时间交错情况下的回馈电流特性。

在进行运行图模拟时，增加了以追踪间隔为周期，以2 s 为步长的多图模拟模型，为下一步的供电系统模拟提供更具广泛性的数据基础。

（3）、供电系统模拟供电系统模拟是基于全线牵引供电网络数学模型之上，根据有限元分析的基本思想对全线网络模型进行一定间隔的切割，并对各个切割断面进行数据抽象，同时根据运行图数据对全线列车的运行状态扫描后进行全线的牵引供电网络分析，从而计算出供电网络各个切割断面的瞬态电气参数，并进行统计输出。

本文在原有的模拟模型基础上，加入了电能回馈吸收装置的简化数学模型（见图2），使模拟的数据结果更加准确，为回馈吸收系统方案的建立和容量的选择提供可靠的依据。

由于在进行系统模拟分析的过程中，主要研究目标为能量的流动过程，因此为了简化算法，提高运行速度，将回馈装置在数学模型上简化为可调电阻，设定回馈装置的电压投入条件，通过调节可调电阻的大小来适应回馈功率的变化。

通过各种运营状态下的模拟分析、统计，获得回馈功率的变化特点。

图2 回馈吸收装置的简化模型示意图2、仿真模拟结果分析考虑到再生回馈电能的负荷特点（短时性和随机性），对不同运行阶段的列车运行、不同运行图和供电网络进行大量的模拟分析和比较。