楊 儉， 宋瑞剛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

兩端的變電站端電壓不受其它供電臂電流情況的影響，簡化后的牽引網(wǎng)等效模型如圖1所示。

城市軌道車輛制動能量回收方法

楊 儉， 宋瑞剛

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

城市軌道車輛頻繁的制動過程產(chǎn)生了大量的電能。該部分能量在不滿足反饋電網(wǎng)條件時常常通過制動電阻的方式消耗，導(dǎo)致了能量的浪費。結(jié)合動力學(xué)理論和供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系分析了城市軌道交通車輛制動能量產(chǎn)生的特性及約束條件，提出一種基于車載的脫離電網(wǎng)的制動能量回收方法，并通過制動能量回收實驗系統(tǒng)，進行了實驗研究。結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)可以對城市軌道車輛制動能量進行有效的回收。

城市軌道車輛;制動能量;能量回收方法

0 引言

城市軌道交通車輛運行的特點為載客量大、啟動和制動頻繁。車輛的常規(guī)制動過程以電制動方式優(yōu)先。由于車輛運行圖編排及觸網(wǎng)電壓限制等原因，大量再生電能不能回饋電網(wǎng)，而是通過電阻制動以熱能的方式釋放，形成了電能浪費與環(huán)境污染，并增加了制動系統(tǒng)相關(guān)回路的不安全隱患。關(guān)于城市軌道交通再生制動能量的回收利用問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多方法，主要包含三種:一是再生能量向交流電網(wǎng)實時回饋的方法;二是將再生能量存入儲能器，在車輛啟動或加速時彌補直流網(wǎng)壓下降的方法;三是兩種方法的結(jié)合，即儲能與回饋并用的方法［1－3］。針對其中的功率變換方案，也提出過多種方案，但總體特點為:一是能量回饋的諧波治理負擔重，二是對牽引變電所或車輛牽引系統(tǒng)更改大，并引入了新的影響運營安全的因素。筆者研究了城市軌道車輛的制動能量產(chǎn)生特性，提出了針對再生制動條件不能滿足情況下的基于車載本身的脫離電網(wǎng)的能量回收方法及利用方式，并進行了實驗研究。

1 制動能量的產(chǎn)生特性

1.1 基于動力學(xué)關(guān)系的車輛制動能量特性

不考慮垂向和橫向力帶來的電機制動轉(zhuǎn)矩波動影響，車輛制動過程中動力學(xué)模型可表示為

式中:Fbr——車輛總的制動力;

Fe－br——電制動力;

Fair－br——電制動力不足時補充的機械制動力;

Fresis——車輛運行阻力;

M——車輛編組的總質(zhì)量;

γ——車輛回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);

v——車輛運行速度;

nm——車輛提供動力的動軸數(shù)量;

Gr——齒輪箱傳動比;

Rw——車輪半徑;

ηg——齒輪傳動系的效率;

ηm——電機的效率;

Teb——制動過程中單臺電機提供的電磁轉(zhuǎn)矩;

A、B、C——與車輛類型有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù);

Fadd(x)——線路總的附加阻力，是車輛發(fā)車后自起始站點行駛里程x的分段函數(shù);

g——重力加速度。

牽引電機需提供的制動轉(zhuǎn)矩除與車輛運行特性有關(guān)外，同時與制動模式相關(guān)。常規(guī)制動過程中，若v≥vinv，且 Febmax≥Freq，則 Fe－braking=Freq，F(xiàn)air－braking=0;若v≥vinv，且 Febmax＜ Freq，則 Fe－braking=Febmax，F(xiàn)air－breaking=Freq－ Fe－braking;若 v＜ vinv，則 Feb=0，F(xiàn)air－breaking=Freq;在緊急制動過程中，F(xiàn)e－braking=0，F(xiàn)req=Fair－breaking。

其中，vinv為空氣制動介入時的車速;Febmax為可產(chǎn)生的電制動力最大值;Freq為電子制動控制單元

電機產(chǎn)生的制動電磁轉(zhuǎn)矩Teb由牽引控制單元實時控制。當牽引電機中感應(yīng)電勢高于電網(wǎng)電壓，電機將處于發(fā)電工作狀態(tài)，逆變器的功率流向也與牽引工況相反。反饋功率可由電機及逆變器電氣特性參數(shù)得到:

式中:U——電機相電壓;

I——電機相電流;

cosθ——電機功率因數(shù);

ηrec——逆變器整流橋的電能轉(zhuǎn)換效率。

由于電機電能由車輛動能轉(zhuǎn)換而來，故再生制動反饋電能也可直接由動力學(xué)關(guān)系得到:EBCU根據(jù)當前車輛運行條件計算得出的需要的總制動力。事實上，在非緊急制動情況下，且速度高于空氣制動介入點時，電制動力通常能夠滿足總制動力需求，并且制動系統(tǒng)供應(yīng)商在技術(shù)上盡力提高電制動能力，并盡可能降低空氣制動介入時的vinv值。

車輛實施電制動的過程中，牽引電機定子的旋轉(zhuǎn)磁場頻率低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率，牽引電機所需提供的反向電磁轉(zhuǎn)矩可依據(jù)式(1)，由車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)、牽引傳動系統(tǒng)參數(shù)及車輛運行外特性而得:

式中:Eeb——牽引電機在電制動過程中反饋的電能;

v0、vt——電制動過程中的計算始末速度。

由式(3)可知，從動力學(xué)關(guān)系上，車輛產(chǎn)生的電制動能量總量主要由車輛自重、載客量、制動減速度決定，同時制動電能的產(chǎn)生受制動模式的影響。

1.2 基于供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的制動能量

牽引主電路與牽引網(wǎng)能量交換特性可表示為

式中:Ptot——車輛從牽引網(wǎng)取得的總功率;

Pmain——車輛牽引主回路消耗的功率。

當牽引加速過程中為正，電制動過程中為負值，當網(wǎng)壓高于設(shè)定值(上海地鐵網(wǎng)壓設(shè)定值為1 800 V)，轉(zhuǎn)為電阻制動，此時Pmain計入電阻制動功率。Paux為輔助用電功率，運行過程中始終為正值。

取供電系統(tǒng)中的一個供電臂做研究，且認為其

兩端的變電站端電壓不受其它供電臂電流情況的影響，簡化后的牽引網(wǎng)等效模型如圖1所示。

圖1 牽引供電網(wǎng)絡(luò)簡圖Fig.1 Electric network of traction system

供電臂阻抗R11、R21和R31以及走行軌阻抗R12、R22和R32都是車輛與變電站距離的線性函數(shù)。地鐵車輛用受控電流源來代替，其電制動過程中向電網(wǎng)反饋的電功率可根據(jù)式(3)的數(shù)學(xué)模型進行車輛牽引計算得到。

基于車輛制動過程中的動力學(xué)及供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，車輛制動過程中產(chǎn)生的制動能量的大小與多種因素相關(guān)，如:車輛運行圖編排，單車輛的載重與速度信息，制動模式和ATP防護模式，并且因素間存在耦合及相互約束關(guān)系，如圖2所示。

圖2 制動能量產(chǎn)生因素約束Fig.2 Factors of braking energy

2 制動能量回收方法

2.1 實驗系統(tǒng)

文中采用一種基于車載的脫網(wǎng)方式的制動能量回收系統(tǒng)，以超級電容為儲能器件，回收不能回饋電網(wǎng)的即將發(fā)生電阻制動的那部分能量，并用于車廂輔助電路的供能，即式(4)中的Paux中的一部分。回收方法原理圖如圖3。

實驗系統(tǒng)對應(yīng)模擬上海地鐵2號線6編組車輛使用的西門子車型牽引系統(tǒng)，4節(jié)動車，2節(jié)拖車，共16臺牽引電機(每臺190 kW)。實驗室內(nèi)選用低功率的30 kW交流異步電機來模擬實際地鐵的牽引工況。整車輛近似看作單質(zhì)點運動的情況下，將牽引轉(zhuǎn)矩、整車慣量和運行阻力平均分配到每臺牽引電機上，并按照19∶3的比例等比例減小。超級電容器組由若干單體容量為2 400 F的電雙層電容器(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)以串并聯(lián)的形式組成。儲能組件中的每組電雙層電容器上均裝有旁路電流達100 A的平衡電路板，以其均衡在串聯(lián)工作狀態(tài)下每支電雙層電容器上的工作電壓，保證電雙層電容器的工作安全。儲能單元提供給旁路開關(guān)兩路DOWN和UP的干接點信號，其中DOWN干接點信號對應(yīng)電雙層電容器組工作起始狀態(tài)，UP干接點信號對應(yīng)電雙層電容器組工作截止狀態(tài)。其中，DOWN干接點信號對應(yīng)電壓可在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)［4］。

圖3 制動能量回收方法原理Fig.3 Recovery principle of braking energy

2.2 實驗結(jié)果與分析

制動能量與超級電容儲存能量測試實驗結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 輕載制動和回收能量Fig.4 Braking and recovery energy of light load

圖5 滿載制動和回收能量Fig.5 Braking and recovery energy of full load

圖6 超載制動和回收能量Fig.6 Braking and recovery energy of overload

由圖可見，在55 s時開始制動，能量瞬時增加。能量的增加值和負載有關(guān)。輕載工況時，由于負載較小，能量增加值也相對較小;超載工況負載大，能量增加值也大。

圖中的能量波形圖有兩次明顯的能量上升拐點，代表兩次明顯的制動。第一段制動更為明顯，第二段相對較弱。

測試圖中的能量有效值的計算公式為

式中:u(t)——電壓的瞬時值;

i(t)——電流的瞬時值;

Wp——正負電能總和。

測試中，三種工況下電制動總能量及超級電容所儲存的能量如表1所示。

表1 各種工況下能量的回收效率Table 1 Recovery efficiency of braking energy

由于在直流脈沖能量轉(zhuǎn)換器上(DC/DC)有一定的能量損耗，超級電容儲存的能量要小于消耗在制動電阻上的能量。從圖中也可以看出，由于直流脈沖能量轉(zhuǎn)換器在吸收轉(zhuǎn)換從變頻器出來的能量時，需要一定的時間，故兩種能量在時間軸上有一定的滯后現(xiàn)象，滯后時間約為2 s。ACU輔助控制技術(shù)對回收系統(tǒng)和原供電系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫切換，且具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)束語

在分析城市軌道車輛制動能量特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于車載儲能方式的脫網(wǎng)式的能量回收實驗系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)可以對城市軌道車輛制動能量進行有效回收，回收效率高達83.47%。但大功率條件下的變流技術(shù)、超級電容的儲能均壓技術(shù)以及如何提高能量回收系統(tǒng)的工作效率，將同樣是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

［1］RUFER A，BARRADE P，HOTElLIER D.Power-electronic interface for a supercapacitor-based energy-storage substation in DC-transportation networks［J］.European Power Electronics and Drives Journal，2004，14(4):43 －49.

［2］NANKYO M，ISHIHARA T，INOOKA H.Feedback control of braking deceleration on railway vehicle［J］.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，2006，128(2):244 －250.

［3］許愛國.城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

［4］楊 儉，李發(fā)揚，宋瑞剛，等.城市軌道交通車輛制動能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展［J］.鐵道學(xué)報，2011，33(2):26－33.

Recovery method of braking energy for urban railway vehicle

YANG Jian，SONG Ruigang
(School of Urban Railway Transportation，Shanghai University of Engineering，Shanghai 201620，China)

This paper is an attempt to address the waste of the braking energy such as occurs when a lot of electrical energy produced by the frequent braking process of the urban railway vehicles is often consumed in the form of breaking resistor due to the failure to fulfill the requirements of braking energy feedback to power grid.The paper describes the analysis of the characteristics and restrained conditions of producing braking energy of the urban railway vehicle by combining vehicle dynamics with power supply，proposes a novel recovery method of braking energy free from power grid on the urban railway vehicle and introduces the experimental research depending on an experimental system of braking energy recovery.The results show that the system is capable of an effective recovery of braking energy.

urban railway vehicle;braking energy;recovery method

U266.2

A

1671－0118(2012)04－0424－04

2012－06－30

國家自然科學(xué)基金項目(51075255)

楊 儉(1962－)，男，黑龍江省哈爾濱人，教授，博士，研究方向:機電裝備可再生能量回收技術(shù)，E-mail:yang2580@sues.edu.cn。

(編輯 晁曉筠)