列车再生制动能量回收的方法及分析.docx

列车再生制动能量回收的方法及分析城市轨道交通是耗电大户而如何高效利用电能是目前城市轨道交通节能技术的关键问题车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，因此要求起动加速度和制动减速度比较大，并具有良好的起动和制动性能城轨交通供电系统始终承受二极管整流技术实现沟通电源到直流牵引电源的转换，特别是实行 24 脉波整流技术后，与电网的谐波兼容问题得到较好地解决该技术虽然可以较好地满足车辆牵引取流的需求，但是此类系统存在以下问题：（1） 只能实现能量的单向流淌，对于需要频繁起动和制动的地铁、轻轨等交通工具，制动能量的回收有着很大的潜力车辆再生制动产生的反响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肯定比例(一般为 20％～ 80％，依据列车运行密度和区间距离的不同而异)被其它相邻列车吸取利用外， 剩余局部将主要被车辆的吸取电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸取装置吸取假设在一列地铁列车刹车时四周没有其他列车加速运行，那它所回馈的电能中只有 30％～50％能被再次利用(尤其是在低电压、高电流的网络系统里)假设当列车发车的间隔大于 10 min 时，再生制动能量被相邻列车吸取重利用的概率几乎为零。

2） 由于制动电阻的发热引发站台和地下隧道热量积存、温度上升，某些城轨系统隧道温度高达 50℃，不得不加大通风设备的容量，造成严峻的二次能耗；（3） 对于车载制动电阻模式制动电阻增加车体自重造成的电能消耗格外可观 ；（4） 牵引网上同时运行的车辆有十几对甚至几十对，负荷的变化造成牵引网压波动严峻，不利于车辆平稳、牢靠运行可见车辆的制动能量至今还是一种没有被很好地开发利用的能量目前,在我国大力提倡节能降耗的形势下，城轨供电系统的进展进度已滞后列车车辆技术的进展，多个待建的城市轨道线路，如无锡、苏州、长沙、西安、深圳和广州等多条线路，都提出了对现有牵引供电系统进展技术改造的需求或者是寻求更好的储能装置去回收这些多余的再生能量再生制动能量循环利用主要有储能和逆变两种方式:储能所承受的技术主要有蓄电池储能、电容储能、飞轮储能 3 种;而能量回馈所承受的技术主要是逆变至中压网络和低压网络两类首先介绍储能型回收装置(1)蓄电池储能蓄电池储能系统如下图，该装置是将制动能量吸取到电池介质中，当供电区间有列车需要取流时，再将所储存的能量释放出去，由于蓄电池本身的特点充放电电流小，瞬间不能大功率充放电，所以该装置体积较大电池处于频繁充放电状态将影响其使用寿命，储能容量相对较少。

〔2〕飞轮储能型承受飞轮储能方式的吸取装置由储能飞轮电机、IGBT 斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和掌握模块等组成该装置直接接在变电所正负母线间或接触网和回流轨间，其核心技术是利用核物理工业的物质分别衍生技术而制造的飞轮，该装置设置在真空壳体内，飞轮经过特别材料和加工工艺制成的轴支撑在底部构造上近几年，英国 UPT 电力公司生产的成熟运营的飞轮储能型产品，在香港电力系统、香港巴士公司、英国、纽约局部地铁均有应用国内北京大学某试验室有类似的小功率产品研制，但飞轮的机械参数难以到达国外的水平，无法在工程中投入使用该产品的优点：有效利用了再生制动能量，节能效益好；并可取消(或削减)车载制动电阻，降低车辆自重，提高列车动力性能；直接接在接触网或变电所正负直流母线间，再生电能直接在直流系统内转换，对沟通供电系统不会造成影响该产品的缺点：飞轮是高速转动的机械产品，对制造工艺要求很高， 需承受真空环境和特别轴类制造技术，本钱较高使用寿命是否能满足要求，维护修理是否便利，另外国内无成熟技术和产品等都成为制约其推广的因素〔3〕超级电容储能以已经投入运行的北京地铁 5 号线为例简洁说明超级电容储能的应用。

当具有再生制动力量的车辆在变电站能量存储系统四周释放能量时，牵引网网压上升，能量存储系统的调整器可探测到这种状况，并将牵引网系统中临时多余的能量存储到电容器中，使牵引网网压保持在限定范围内假设车辆在变电站能量存储系统四周起动或加速，牵引网网压下降，此时，能量存储系统的调整器将能量从存储系统输送回牵引网系统中，保持牵引网网压稳定在直流牵引网的空载状态下，能量存储系统从牵引系统吸取一局部能量，通过这种方式可以帮助车辆起动储能系统的根本工作原理如下：+SlAl—Sl 为隔离开关，维护设备时，可将系统从干线牵引网隔离开来并可使用+SlA2—Q0 断路器隔离系统SlA2—QO 断路器发生故障导致短路时，熔断器+S1Fl 将熔断充电时，与+SlA2—QO 断路器并联的预充电路(+S 1 A 1—F l、+S1Al—K1 和+S1A1—Rl 和)将对间接电容器(Czk) 进展“软”预充，避开充电冲击电流太大损坏设备间接电容器为一组直流滤波电容器牵引网产生瞬变电压时，+S3—L 1 滤波电抗器将保护能量存储系统此外，该电抗器将牵引网和变流单元的谐波电流有效地分隔开来S3—G l、+S3—G2 是变流单元的 2 个变流器模块(图 2)，每个变流器模块分别包括 2 条变流器分路，共 4 条变流器分路对能量的总量及流向进展调整掌握。

S 3—Fl、+S3—F2、+S3—F3，+S3—F4 为带熔断器的手动隔离开关，+S 4—L1、+S4—L2、+S4—L3、+S4—L4 为平波电抗器进展设备修理时将系统从牵引网隔离出来以后，使用由+S3—V1 和 S9—R1 组成的放电支路对能量存储系统进展放电S5—E1„„+S8—E8 为储能双层电容器双层电容器特点：高动态充电容量，具有频繁充放电力量，免维护，高效率，可分级掌握储能容量该系统的应用具有明显优势：能量存储系统先进、高性能的掌握回路，在实时检测到牵引网的网压波动到达设定的条件后，能够快速地启动充放电装置，对牵引网进展充、放电；而同时由于承受了能够快速进展充放电的双层电容器，整套装置能够对牵引网的电能变化做出准时反响，从而改善牵引网供电质量，满足车辆起动和制动需要北京地铁 5 号线的 14 座牵引变电所均预留安装再生电能吸取装置，从目前 4 套再生电能吸取装置的运行状况来看，在改善牵引网供电质量、提高车辆舒适性方面，效果良好，到达了设计目的北京地铁5 号线变电所的一套再生电能吸取装置设备选购费用为 51O 余万元人民币，造价昂贵因此， 在打算承受这种设备时需要考虑经济效益，对近期和长期经济效益、社会效益要综合比较，最终确定是否可行。

随着产品的大规模化生产以及电子产品的飞速进展，类似产品的价格必将大幅下降，信任不久的将来再生电能吸取技术能在地铁领域得到大面积应用，成为轨道交通牵引供电技术进展的方向其次是逆变装置以及相关技术（1） 逆变至中压网络的应用本方案承受如图 1 所示原理图虚线框中的局部即所提出的再生制动能量回馈系统，从主接线上看，该系统与牵引供电支路并列布置在沟通中压电网和直流牵引母线之间系统包含 1 台多重化变压器以及多个四象限 PWM 变流器模块， 整套装置与传统的二极管整流机组并列布置系统的多重化变压器一次侧通过高压开关柜 QFac 与沟通中压电网相连，其低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块沟通侧相连，四象限变流直流侧则并联在一起后通过直流开关柜 QFdc 和负极柜 QCdc 与直流牵引母线相连系统检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式此时装置将多余的再生制动能量通过各重 IGBT 变流器以及多重化变压器回馈到沟通中压电网，此时装置内能量的流淌方向是从牵引直流母线流向沟通中压电网，且沟通中压电网侧的功率因数接近-1针对目前城轨供电系统再生制动能量回馈的几个问题，该方案提出了基于多重化四象限变流器的制动能量回馈系统。

仿真和样机试制说明，该系统可以在满足电网兼容性要求的前提下实现制动能量回馈至中压电网的功能，加之所述系统与现有牵引供电系统并列连接，并与中压沟通电网和直流牵引网之间相互间兼容性好，有着较大实际意义和推广价值2） 逆变至低压压负荷网络逆变至低压网络利用再生制动能量逆变回馈装置来逆变多余的再生制动能量,承受直流牵引网的电压作为能量掌握策略依据,提出 DC/AC 变换器电压外环、电流内环的SVPWM 掌握策略;运用Matlab/Simlulink 搭建了一个750V 直流电气化铁路等效模型仿真平台,并通过仿真和试验验证了该掌握策略的可行性和有效性再生制动能量逆变回馈装置能满足地铁列车再生制动能量吸取利用及稳定直流牵引网电压要求,实现车辆再生制动能量回馈利用图 1 示出再生制动能量逆变回馈装置主电路该系统由三相沟通电源经降压变压器降压后与二极管构成不行控整流来模拟变电所直流牵引供电系统,整流器输出 24 脉动整流电压到直流牵引供电网,电路后端参加逆变器和电机,通过掌握电机运行的不同状态来模拟地铁运行工况,再生制动能量逆变回馈装置并联在直流母线电压端在三相静止对称坐标系数学模型中,由于并网逆变器的沟通侧均为时变沟通量,所以对掌握系统的设计比较简单。

为使掌握系统的设计变简洁,可通过坐标变换转换到与电网基波频率同步旋转的d,q 坐标系下这样,经过坐标旋转变换后, 三相对称静止坐标系中的基波正弦量将转化为同步旋转坐标系中的直流变量这里对电压源型逆变器承受输出电流掌握,在与电网电压矢量同步旋转的 d,q 坐标系下,应用同步矢量电流PI 掌握器对逆变器输出电流实施闭环掌握,实现有功和无功的解祸掌握,到达逆变器输出单位功率因数并网的目的图 2 示出 DC/AC 掌握的流程图,承受基于 SVPWM 的双环掌握构造,直流牵引网的电压承受外环掌握,而内环掌握逆变器输出电流由上述分析可知：电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸取装置主要承受 IGBT 逆变器将列车的再生制动能量吸取到大容量电容器组或飞轮电机中，当供电区间内有列车起动或加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进展再利用该类吸取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、传感器和微机掌握单元等该装置充分利用了列车再生制动能量， 节能效果好， 并可削减列车制动电阻的容量其主要缺点是要设置体积浩大的电容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，因此应用实例较少。

逆变回馈型再生制动能量吸取装置主要承受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， 其沟通进线接到沟通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取电流，将再生直流电能逆变成工频沟通电回馈至沟通电网该吸取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、沟通断路器、直流快速断路器、电动隔离开关、直流电压变换器和调整掌握柜等该装置外环掌握直流牵引网电压,实际直流牵引网电压叽与给定电压叽”的差值作为直流电压 PI 调整器的输入,其输出作为对应有功功率的 d 轴电流参考值 ia*,通过调整逆变器传送到电网的有功功率,使直流牵引网电压工作在给定参考电压内环为电流掌握环,在与电网电压矢量同步旋转的 d,q 坐标系统下,利用两个 PI 调整器对逆变器输出电流的 d,q 轴重量进展解祸掌握,PI 调整器的输出分别为 Ud*和Uq*依据 Ud*和 Uq*及电网电压矢量旋转角度的值,利用 7 段式 SVPWM 算法即可得三相参考电压 Ua，Ub，Uc 的调制波形设置 iq*=0 使逆变器输出功率因数为 1该装置的驱动电路将无桥Boost 的 PFC 和半桥谐振 LLC 电路有机结合,具有器件少,本钱低,无电解电容,掌握简洁,输入功率因数高等优点。

充分利用了列车再生制动能量， 提高了再生能量的利用率，。