城市軌道交通列車再生制動能量回收技術(shù)研究

萬宇翔　張鋼

摘? 要：為了最大限度實現(xiàn)供電系統(tǒng)節(jié)能，文章在分析對比了電阻能耗技術(shù)、電容/電池儲能技術(shù)、飛輪儲能技術(shù)等幾種制動能量處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重對能量回饋技術(shù)進行了研究。根據(jù)并網(wǎng)等級的不同，能量回饋技術(shù)分為低壓能饋和中壓能饋，分別介紹了其運行原理及設(shè)備構(gòu)成。給出了能量回饋裝置的主電路結(jié)構(gòu)以及電壓電流雙閉環(huán)控制框圖并簡要分析了其控制原理。對基于能量回饋裝置的城軌牽引供電系統(tǒng)進行了建模和仿真分析。給出了二極管整流機組、能量回饋裝置及列車的仿真模型。通過對仿真結(jié)果的分析，驗證了能量回饋裝置在列車制動時具有將多余制動能量回饋交流電網(wǎng)，并保持直流電壓穩(wěn)定的作用。

關(guān)鍵詞：軌道交通;再生制動;能量回饋;逆變器

中圖分類號：U270.35? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0161-06

Abstract： In order to maximize the energy saving of power supply system， this paper focuses on the energy feedback technology on the basis of analyzing and comparing several braking energy treatment technologies， such as resistance energy consumption technology， capacitance/battery energy storage technology， flywheel energy storage technology and so on. According to the different grades of grid connection， the energy feedback technology is divided into low voltage energy feed and medium voltage energy feed， and its operation principle and equipment composition are introduced respectively. The main circuit structure of the feedback device and the voltage and current double closed loop control block diagram are given， and the control principle is briefly analyzed. The modeling and simulation analysis of urban rail traction power supply system based on energy feedback device are carried out. The simulation models of diode rectifier unit， energy feedback device and train are given. Through the analysis of the simulation results， it is verified that the energy feedback device can feed the excess braking energy back to the AC power grid and keep the DC voltage stable.

Keywords： rail transit; regenerative braking; energy feedback; inverter

1 研究背景及目的

隨著科技的發(fā)展，城市軌道交通逐漸成為了中國各大城市的重要出行方式。城市軌道交通采取直流供電方式，因其速度快、運量大等特點，被廣泛認作是一種節(jié)能環(huán)保的出行方式。

通常，城市軌道交通采取集中供電方式。軌道交通公司從電網(wǎng)獲取110kV/220kV交流電，利用地鐵內(nèi)部主變電所降壓至35kV（或10kV）并輸送至中壓環(huán)網(wǎng)。中壓環(huán)網(wǎng)下，每個車站配一座牽引變電所，利用整流機組將交流35kV（或10kV）電變?yōu)橹绷?500V（或750V），供列車牽引使用。

列車制動通常有兩種方式：機械制動和電制動。機械制動即使用列車轉(zhuǎn)向架上配備的閘瓦制動，利用摩擦力做功消耗動能。機械制動會讓列車動能直接消耗掉，并造成閘瓦的磨損，以及因摩擦產(chǎn)生的金屬碎屑污染和噪音污染。電制動將列車的動能轉(zhuǎn)化為電能，反送到直流接觸網(wǎng)上。如果線路上有其它列車恰好處于牽引狀態(tài)，電制動會起到節(jié)能的效果;如果沒有其他列車用能，電制動會造成網(wǎng)壓升高，危及設(shè)備安全。傳統(tǒng)方式為在網(wǎng)壓允許條件下盡可能使用電制動，網(wǎng)壓過高時使用機械制動。

由此可見，傳統(tǒng)方式既不利于節(jié)能，也不利于設(shè)備安全。所以能量回收技術(shù)的發(fā)展對節(jié)能來說至關(guān)重要。

2 幾種可能的解決方案

2.1 電阻吸收技術(shù)

電阻吸收技術(shù)是利用電阻來消耗列車制動時產(chǎn)生的多余能量，電阻消耗能量的大小通過斬波器來控制。電阻吸收裝置分為車載式和地面式兩種。

車載電阻吸收裝置通常安裝在車底部，設(shè)備重達400-500kg，導(dǎo)致列車運行能耗大幅增加。此外，電阻發(fā)熱還會導(dǎo)致隧道溫升，使得環(huán)控系統(tǒng)不得不消耗更多能量控制隧道溫度。

地面電阻吸收裝置最早應(yīng)用于重慶跨坐式單軌輕軌2、3號線。因跨坐式單軌列車底部空間有限，設(shè)備只能從車上轉(zhuǎn)移到地面。將設(shè)備安裝在地面，解決了車載電阻重量大和隧道溫升問題。但無論把設(shè)備安放在何處，列車制動能量會直接被消耗，所以電阻吸收技術(shù)并不是一種節(jié)能的選擇。

圖1所示為地面式電阻吸收裝置原理示意圖。

2.2 電容/電池儲能技術(shù)

超級電容/電池儲能技術(shù)在列車制動時將產(chǎn)生電能儲存到超級電容或電池中，在列車牽引時將存儲的電能送回接觸網(wǎng)供列車使用。

功率密度指單位體積電池或電容能輸出的最大功率，能量密度指單位體積電池或電容中可儲存能量的大小。相對而言，超級電容的功率密度大，但是能量密度小，適合快速充放電。而電池的功率密度小，但是能量密度高，充放電慢卻存儲能量大。圖2所示為超級電容儲能原理示意圖。

電容/電池儲能技術(shù)雖能有效吸收列車制動時產(chǎn)生的能量，節(jié)能效果明顯，但其也存在著設(shè)備容量小、體積大、價格昂貴等缺點。

2.3 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)是將列車制動能量以動能的形式存儲在飛輪中。飛輪通常有質(zhì)量大，速度高的特點，這能使儲存的動能最大化。一般而言，飛輪的速度可以達到每秒5-10萬轉(zhuǎn)。當列車牽引時，飛輪儲能裝置能夠?qū)⒋鎯δ芰哭D(zhuǎn)換成電能送到接觸網(wǎng)，供線路上列車使用。

飛輪儲能技術(shù)雖能有效利用列車再生制動能量，但是飛輪制造工藝復(fù)雜，國內(nèi)尚沒有相關(guān)成熟產(chǎn)品。

2.4 能量回饋技術(shù)

能量回饋技術(shù)，又稱逆變回饋技術(shù)，當列車處于制動狀態(tài)時，牽引網(wǎng)電壓高于設(shè)定值，此時通過逆變器將電制動產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，隨后再經(jīng)變壓器回饋給交流電網(wǎng)或其它負載重復(fù)利用。

能量回饋技術(shù)能夠?qū)α熊囍苿訒r產(chǎn)生的回饋能量進行有效利用，并可減少車載制動電阻容量，減小對于環(huán)境的污染，且易于日常維護，大大提升了節(jié)能效果顯著?？傮w來說，能量回饋技術(shù)優(yōu)勢在于能夠?qū)⒘熊囍苿赢a(chǎn)生能量高效回收并能靈活應(yīng)用，值得被廣泛應(yīng)用。

3 能量回饋技術(shù)研究

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用方案

能量回饋技術(shù)分為中壓能饋和低壓能饋。中壓能饋回饋裝置將列車制動產(chǎn)生的多余直流電轉(zhuǎn)化為中壓環(huán)網(wǎng)的35kV或10kV交流電，實現(xiàn)電能的重復(fù)利用。低壓能饋回饋裝置將能量轉(zhuǎn)化為380V交流電，供車站內(nèi)的各種電子設(shè)備使用，如空調(diào)、電梯等。相對來說，低壓能饋回饋裝置有成本低的優(yōu)勢，但是380V電網(wǎng)容量大小有限，無法將列車制動產(chǎn)生能量完全回收。相反，中壓能饋回饋裝置雖成本較高，但可以更有效地回收列車制動能量。

圖5和圖6所示分別為中壓能饋回饋裝置和低壓能饋回饋裝置應(yīng)用方案示意圖。

3.2 主電路控制方法

三相逆變器是能饋回饋裝置的核心部分，其主電路如圖7所示：它由1個電容，3個電感和6個IGBT組成。

三相逆變器單相等效電路如圖8所示。

從圖8可以看出，單相等效電路滿足下式：

Ia=■ （1）

因而，可通過控制電壓Ua來控制流過電感L的電流Ia大小，其中電感L還具有濾波的作用。圖9所示為能量回饋裝置的工作相量圖，可以看出通過控制Ua的相位，就能實現(xiàn)其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為-1，設(shè)備處于逆變工況。

能饋回饋裝置通常采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的雙閉環(huán)控制方法，其實質(zhì)是將設(shè)備三相靜止坐標系模型轉(zhuǎn)換至dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，交流量經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法變換為直流量，以此實現(xiàn)對交流量的跟隨和控制。規(guī)定d軸表示有功分量，q軸表示無功分量，則可以通過對d、q軸的控制實現(xiàn)對無功和有功電流分量的控制。雙閉環(huán)控制原理框圖如圖10所示，電壓外環(huán)通過對udc的調(diào)節(jié)實現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)通過對iq、id的調(diào)節(jié)分別實現(xiàn)對有功和無功的控制。其中，由于逆變器的d、q分量相互耦合，采用前饋解耦控制算法。

4 系統(tǒng)建模及仿真分析

4.1 二極管整流機組建模

圖11為基于Matlab/Simulink電力系統(tǒng)仿真模塊搭建的24脈波整流機組模型，三相交流電源為10kV，兩個移相變壓器分別為△/△+7.5°和△/△-7.5°的連接方式，以此產(chǎn)生15°相位差，再連接至三相變壓器，連接方式為Y-Y/Y-△，在每臺整流器低壓側(cè)引入30°相位差，兩臺整流器并聯(lián)形成12脈波整流器，兩臺12脈波整流器并聯(lián)形成24脈波整流器。

4.2 能量回饋裝置建模

能饋系統(tǒng)仿真模型如圖12所示，主要由三相電源、變壓器、三相逆變器模塊、控制模塊及測量單元組成。圖中交流側(cè)電感L為300μH，直流側(cè)電容C為30000μF，開關(guān)頻率2kHz。其中三相逆變器采用電流前饋解耦算法進行電流閉環(huán)控制，同時采用電壓外環(huán)保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

4.3 列車建模

由于列車只是整個供電系統(tǒng)的負載，因此在供電系統(tǒng)仿真中，可以用功率源模型來模擬列車載荷。在matlab仿真平臺搭建仿真模型時，用已有的可控電流源模塊來搭建等效功率源，如下圖所示。其中，P為功率源模型的給定功率，Idc為電流源給定電流，經(jīng)過限功處理，再通過一個簡單的數(shù)學(xué)運算，便可實現(xiàn)電流源到功率源的轉(zhuǎn)換。

4.4 仿真及分析

基于二極管整流機組和能量回饋裝置的供電系統(tǒng)仿真模型如圖14所示。列車處于牽引工況時，基于二極管的24脈波整流器為列車提供牽引能量，列車處于制動狀態(tài)時，能量回饋裝置將列車再生制動能量回饋交流電網(wǎng)，列車以功率源模型代替，空載時二極管整流機組直流側(cè)電壓維持在850V左右，仿真時間設(shè)定為2s。

圖15為模擬列車的一次啟停過程功率曲線。由圖可知，0～0.1s為列車準備啟動階段，0.1～0.4s為列車加速啟動階段，0.4～0.5s為恒功率運行階段，0.5～1.5s為列車惰行階段，1.5～1.9s為列車制動階段，1.9～2s列車停止運行;列車最大牽引功率為3000kW，最大制動功率為2500kW。

圖16為中壓能饋回饋裝置投入運行后直流側(cè)電壓波形，可以看到：在列車啟動階段，隨著列車功率的逐漸增加，直流側(cè)電壓隨之下降，此時二極管整流機組開始工作為列車提供牽引能量，阻止電壓繼續(xù)下降;當列車處于惰行階段時，直流側(cè)電壓保持為850V;在列車制動階段，能饋回饋裝置投入工作，直流電壓快速上升，但被有效抑制在920V以下，之后隨著列車制動功率的下降，直流電壓也隨之下降至850V。

圖17給出了牽引電流Idc的仿真波形。由圖可以看出：牽引電流隨列車運行狀態(tài)的變化而變化，變化規(guī)律與給定功率相同;列車處于牽引狀態(tài)時，牽引電流為正，說明此時由二極管整流機組供電以驅(qū)動列車前進;列車惰行狀態(tài)時，牽引電流始終為零;列車處于制動狀態(tài)時，牽引電流為負，說明此時二極管整流機組已停止工作，能饋回饋裝置吸收制動電流并反饋回交流側(cè)。

圖18所示為能量回饋裝置10kV側(cè)的交流電壓、電流波形。由圖可以看出，列車牽引時，能量回饋裝置電流為零;列車制動時，直流電流經(jīng)能量回饋裝置送回交流電網(wǎng)，電流波形的正弦度良好，與電壓相位相差180°，此時功率因數(shù)為-1。以上仿真驗證了所研究的能量回饋裝置能夠?qū)⒘熊囋偕苿幽芰糠答伝亟涣麟娋W(wǎng)再利用，從而起到很好的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

能量回饋技術(shù)作為一種熱門節(jié)能技術(shù)，能將列車制動時產(chǎn)生的能量高效回收和靈活再利用，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]丁樹奎，韓志偉，張鋼，等.能饋式牽引供電原理及其在城市軌道交通中的應(yīng)用[M].北京交通大學(xué)出版社，2014.

[2]張鋼.城市軌道交通能饋式牽引供電變流系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

[3]魯玉桐，趙小皓，趙葉輝.再生制動能量吸收裝置在北京地鐵中的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2014，27（04）：105-108+112.

[4]鄭陶.地鐵再生制動能量分析與綜合節(jié)能研究[D].西南交通大學(xué)，2017.

[5]魯玉桐.能饋式牽引供電裝置控制方法及應(yīng)用[A].中國電工技術(shù)學(xué)會軌道交通電氣設(shè)備技術(shù)專業(yè)委員會、北京交通大學(xué)[C].2015.

[6]王耀國.軌道交通列車再生制動能量回饋裝置研究[J].隧道與軌道交通，2019（01）：35-38.

[7]韓志偉.中壓能饋型再生制動能量利用裝置應(yīng)用效果分析[A].中國電工技術(shù)學(xué)會軌道交通電氣設(shè)備技術(shù)專業(yè)委員會、北京交通大學(xué)[C].2013.