摘 要：目前，節(jié)能減排已成為我國的基本國策，建設(shè)低碳型交通基礎(chǔ)設(shè)施、推廣應(yīng)用低碳型交通運輸裝備是城市軌道交通建設(shè)者責(zé)任。地鐵由于站間距比較短，制動頻繁、列車起動，考慮各鐘車型、站距、編組、發(fā)車間隔等差異，列車電制動時產(chǎn)生的再生能量可達到牽引能量的40%以上。充分利用列車再生能量將節(jié)約大量能量，產(chǎn)生效益可觀，為節(jié)能減排做出貢獻。西安市地鐵已經(jīng)運營1、2號線，在建3、4、5、6號線，如何在保證線路運行安全的前提下，提高供電水平，同時為城市節(jié)能減排做出貢獻，是我們必須考慮的問題。

關(guān)鍵詞：軌道交通；列車制動；能量回饋

1 傳統(tǒng)列車車載制動電阻方案存在的問題

目前國內(nèi)外城市軌道交通動車組列車均采用VVVF牽引/制動系統(tǒng)，采用交流電機驅(qū)動列車，制動系統(tǒng)普遍采用空氣制動和電制動混合的形式。列車在運行時，牽引系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)為機械能，使機車啟動加速；在制動時，一部分采用電制動，將機械能轉(zhuǎn)為電能使列車制動，另一部分采用空氣制動，通過剎車閘瓦與車輪踏面摩擦而產(chǎn)生制動使列車減速。傳統(tǒng)列車上設(shè)置了車載制動電阻。當列車制動時，首先采用再生制動方式，列車電機從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能返回到牽引網(wǎng)系統(tǒng)，返回到牽引網(wǎng)系統(tǒng)的能量部分被相鄰列車吸收，由于線路的行車密度等多種因素，很大部分能量不能被回饋，此時大量電能量得不到釋放，將會使系統(tǒng)供電網(wǎng)電壓急劇上升，為此列車上設(shè)置了制動電阻，將這部分能量通過電阻變成熱能吸收，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。電阻所轉(zhuǎn)化的熱能，車站環(huán)控專業(yè)通過隧道活塞風(fēng)、車站軌頂排風(fēng)和車站軌底排風(fēng)，將熱量排出車站外。

車載制動電阻使用雖然方便，但也有缺點：（1）列車制動電阻吸收再生制動能量轉(zhuǎn)換為熱能白白消耗了，沒有起到節(jié)能減排作用。（2）列車制動電阻吸收再生制動能量轉(zhuǎn)換為熱能散于隧道內(nèi)，雖然部分可以通過隧道活塞風(fēng)排出隧道，但還有部分遺留在隧道，這部分熱量使隧道溫升逐步上升；（3）列車制動電阻重量大，列車運行時，不僅沒有節(jié)能，還增加列車牽引能耗。（4）制動電阻體積大，而且考慮制動電阻散熱需在列車上安裝通風(fēng)設(shè)備，這樣會使列車底部其他設(shè)備安裝布局困難；（5）制動電阻發(fā)熱會對車體底板形成烘烤效應(yīng)，有引發(fā)火災(zāi)危險。（6）列車采用車空氣制動，增加閘瓦的損耗，加大車輛維修工作量，提高了運營成本，摩擦閘瓦產(chǎn)生大量金屬粉塵，造成環(huán)境污染。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在國外城市軌道交通運輸系統(tǒng)中，再生制動能量吸收技術(shù)發(fā)展歷程主要有車載電阻耗能式、逆變回饋式、超級電容儲能式以及飛輪儲能式吸收等。其中最先發(fā)展的車載電阻耗能式因其可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點應(yīng)用最為廣泛，相對較少的是能量回饋式和能量存儲式的應(yīng)用。國外軌道交通研究制動能量吸收技術(shù)較早，已有成熟產(chǎn)品，而國內(nèi)在這方面的研究剛起步，使用車載電阻耗能式較多，不能夠很好的把再生制動能量充分利用起來。

圖1

2.1 車載電阻耗能型吸收

在國外的城市軌道交通運輸系統(tǒng)中，已經(jīng)投入運營的再生制動能量吸收裝置幾乎95%以上是采用車載電阻耗能技術(shù)，國內(nèi)目前大部分地鐵線路車輛也是采用該技術(shù)。該方式的優(yōu)點是控制簡單，制動力穩(wěn)定，是比較成熟的技術(shù)。

2.2 地面式電阻耗能型吸收

對于地面式電阻耗能吸收裝置的設(shè)置，國內(nèi)外均有應(yīng)用。該技術(shù)主要是采用多相IGBT斬波器和電阻配合的恒壓吸收原理，通過調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比使再生制動時母線直流電壓的變化狀態(tài)，達到改變吸收功率，使直流電壓穩(wěn)定在一定值的范圍內(nèi)，使吸收電阻消耗掉再生制動能量。

系統(tǒng)根據(jù)對直流母線電壓的變化情況來確認相關(guān)車輛正進行再生制動，并調(diào)節(jié)斬波器的吸收電流與列車的制動回饋電流相匹配，最大限度利用列車的電制動力，減少列車空氣制動的投入并降低鋼軌磨耗。

利用該技術(shù)的再生能量吸收裝置一般放置在地下變電所內(nèi)，單獨放置電阻，較易采取相關(guān)措施對電阻實施通風(fēng)散熱，有效的防止了火災(zāi)的發(fā)生。減少了車輛的維修工作量，消除因車載電阻最高溫度隔離不當引發(fā)的火災(zāi)隱患，提高運營安全性。

另外，采用該技術(shù)的再生能量吸收裝置一般集中布置在牽引站，減小了列車自重和體量，便于列車電器布置，提高車輛載荷能力。

其缺點是不能對再生電能進行回收利用。另外電阻放置困難，尤其是在市區(qū)線路，北京地鐵10號線設(shè)置在地面以上，占地約50平方米，征地困難。

2.3 逆變回饋式

該技術(shù)主要采用IGBT等大功率電力電子器件構(gòu)成三相逆變器。將逆變器的直流側(cè)與牽引電網(wǎng)直流母線直接相聯(lián)，其輸出連接到變電所的中壓或低壓母線。當再生制動使牽引網(wǎng)直流電壓超過定值時，逆變器投入啟動并從直流母線吸流，將吸收電能逆變成工頻交流電回饋至地鐵供電系統(tǒng)交流電網(wǎng)中。

逆變回饋型吸收裝置充分利用了城軌內(nèi)部交流電網(wǎng)（一般為35kV，北京為10kV）的負載容量，可實現(xiàn)列車再生制動電能的全吸收。除要求逆變器具備足夠功率并能保證回饋電能質(zhì)量外，無其他特殊要求，其逆變技術(shù)本身已相當成熟。

但由于列車制動再生能量為沖擊性負荷，而且能量較大，一般達到2MW～4MW以上，持續(xù)時間一般不超過30S，如此大的浪涌負荷將對35kV交流電網(wǎng)造成一定程度的沖擊，目前各地供電局對此類設(shè)備的接受程度有待觀察。

2.4 飛輪儲能型吸收

采用的是真空環(huán)境和特殊軸類制造技術(shù)，可在相關(guān)技術(shù)文件上查到，因其使用壽命難以滿足要求，維護維修不便，國內(nèi)外應(yīng)用實例少，不建議推廣使用。

2.5 超級電容儲能型吸收

電容儲能型吸收技術(shù)是采用超級電容作為儲能元件，設(shè)置直流雙向變流器作儲能和回饋的功率控制轉(zhuǎn)換。在列車制動時將能量儲存在超級電容中，在列車牽引時將儲存的電能回送至牽引直流電網(wǎng)，保持牽引直流電網(wǎng)的穩(wěn)定。

超級電容是一種新型的儲能元件，其利用電極和電解液之間形成的界面雙電層電容來存儲能量，其充放電不需要能量轉(zhuǎn)換，直接以電勢能的形式儲存。超級電容具有容量大（可達幾千法拉）、充放電壽命長（可達100萬次）、可承受充放電電流大（可達千安以上）、充電迅速（可在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充）、大電流能量循環(huán)效率≥90%等優(yōu)點。相比于其它儲能方式，超級電容更適合于再生制動能量的存儲。

多年來，為了解決軌道交通制動能量的回收利用，國內(nèi)外廣泛展開此項技術(shù)的研究，但由于超級電容技術(shù)發(fā)展的限制，一直沒有大的突破，直到近幾年國內(nèi)外超級電容技術(shù)的發(fā)展，該裝置得到大發(fā)展。

國外目前法國ADETEL公司、西門子公司、ABB公司及日本明電舍等公司均有成熟的產(chǎn)品在軌道交通中應(yīng)用。西門子公司開發(fā)了基于超級電容的儲能器Sitras SES用于750V和600V直流供電的地鐵和輕軌系統(tǒng)；龐巴迪公司也使用超級電容開發(fā)出車載式Mitrac Energy Saver，并成功應(yīng)用于Mannheim輕軌車輛；法國ADETEL公司的超級電容形再生能量吸收裝置也在里里昂輕軌2號線、TOURS 輕軌、巴黎RER-C地鐵等項目中進行了應(yīng)用。

國內(nèi)一些企業(yè)和高校如時代、中聯(lián)、中科院、南京航空航天大學(xué)等也開展了基于超級電容器儲能的能量回收和利用技術(shù)研究，成功推出了應(yīng)用于混合動力汽車和混合動力挖掘機的產(chǎn)品，但其技術(shù)性能和可靠性與國際先進水平目前仍存在一定差距。國內(nèi)暫無直接應(yīng)用于1500V供電城市軌道交通系統(tǒng)的成熟產(chǎn)品，但目前，國內(nèi)一些企業(yè)如西安道齊、湖南恒信、株洲南機等正在積極自主研發(fā)、引進消化吸收國外技術(shù)。

3 列車再生制動能量產(chǎn)生分析

采用電制動時，其它的運行列車若沒有被吸收轉(zhuǎn)化的電能，這將導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓升高。如若列車上裝設(shè)有制動電阻，網(wǎng)壓升高，牽引系統(tǒng)啟動斬波器制動，將多余電能消耗在制動電阻內(nèi)，即實現(xiàn)列車電阻制動；如若牽引變電所設(shè)置了地面制動電阻或者中低壓逆變回饋裝置等再生制動能量利用裝置時，網(wǎng)壓升高，裝置投入，多余的電能被再生制動能量利用裝置吸收利用。

理論計算列車開始制動時，能保證相鄰有運行列車吸收再生能量交路排布需滿足的最大追蹤間隔如下：

即在理想情況下，若行車追蹤間隔大于6.3min，制動列車牽引網(wǎng)壓將超過制動電阻投入電壓，制動列車制動電阻投入，制動能量基本被制動列車本身制動電阻消耗，相鄰列車將無法吸收。

國內(nèi)地鐵設(shè)計初期行車追蹤間隔為6～8min，近期追蹤間隔為3～4min，遠期追蹤間隔為2min。依據(jù)追蹤間隔推算，在理想條件下，其制動產(chǎn)生的再生制動能量能夠被相鄰車輛吸收，但區(qū)間長短不一，運行圖不能做到理想狀態(tài)，實際吸收效果不可能達到理論計算值。初期，吸收效果差，近、遠期，被相鄰列車吸收效果較好。

4 采用逆變回饋裝置方案牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

4.1 取消列車制動電阻節(jié)能分析

每輛動車車重約35噸，拖車車重約30噸，按額定載客1440人，每人60公斤計算，一列車在額定載客情況下重量約為286噸。根據(jù)牽引計算結(jié)果得出：1噸重量單趟上下行折返消耗能量為2.25千瓦時。

每輛動車安裝一組制動電阻及相應(yīng)的軸流冷卻風(fēng)機，其重量約500公斤，4輛動車相應(yīng)的制動電阻設(shè)備重量約為2噸，一列車往返制動電阻車重引起的牽引能耗大約4.5 千瓦時。

車載電阻采用強迫風(fēng)冷，風(fēng)機功率約1.4kW，根據(jù)牽引計算結(jié)果可知，單列車上下行一個折返投入制動電阻消耗的累積時間約6分鐘，可以認為與風(fēng)機運行時間相同，一列車往返強迫風(fēng)冷風(fēng)機耗能大約8.4kW。

這樣，可計算得出各運營期間由車載電阻重量及風(fēng)機所增加的電度及費用如表所示。

車載制動電阻引起的能耗

采用地面再生能量利用方案，可以取消車載制動電阻，上表中的車載制動電阻引起的能耗可以節(jié)約。重慶地鐵已經(jīng)明確在將來的線路中，取消車載制動電阻。

4.2 再生能量利用裝置節(jié)能案例分析

重慶地鐵在2014年上半年，一、六號線逆變回饋節(jié)能436萬千瓦時，減去反饋至110kV系統(tǒng)電量以及損耗，實際節(jié)能393萬千瓦時，實現(xiàn)制動能量利用90%，效果比較明顯。電費按0.793元/千瓦時計算，可節(jié)約電費約311萬元。并且裝置在渡過調(diào)試期后，整體運行穩(wěn)定，沒有發(fā)生影響系統(tǒng)安全的事故發(fā)生。

另外間接效益體現(xiàn)在：（1）由于取消了車載電阻制動，減少了車站空調(diào)系統(tǒng)容量或者使用率；（2）由于取消了車載電阻制動，隧道內(nèi)溫度在運行多年后，依然保持常溫，減少了通風(fēng)風(fēng)機的使用率；（3）由于取消車載電阻制動，車輛采用閘瓦制動的速度值由10km/h降至5km/h，極大減少了閘瓦損耗。重慶單軌原計劃8年更換閘瓦，目前運行10年了，仍不需更換。

5 初步結(jié)論

北京、重慶的地面再生制動吸收裝置運行狀況基本良好，這2座城市在后續(xù)的建設(shè)中，繼續(xù)設(shè)置地面再生制動吸收裝置；在設(shè)備選型方面，逆變至0.4kV+電阻模式已經(jīng)成熟使用，逆變至35kV系統(tǒng)的再生制動吸收裝置也已經(jīng)進入實際運營2年以上，技術(shù)也基本成熟，可以大面積推廣。超級電容和飛輪儲能型各城市都在摸索中，目前還沒有得到運行考驗。隨著超級電容行業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展及國內(nèi)企業(yè)對1500V供電的軌道交通超級電容形產(chǎn)品及技術(shù)的消化與吸收，電容儲能型技術(shù)正在逐步成熟，產(chǎn)業(yè)化進程正在進行。建議緊密追蹤超級電容儲能型技術(shù)，并開展局部試驗。

建議繼續(xù)緊密追蹤地面再生制動吸收裝置的技術(shù)發(fā)展及實際使用情況，將成熟可靠的產(chǎn)品，在西安地鐵后續(xù)線路中使用。

參考文獻

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