陳光東　劉麗雯　黃寧

摘要：城市軌道交通車輛電制動過程中會向線網(wǎng)反饋電能，當(dāng)線網(wǎng)電壓過高無法繼續(xù)吸收時，利用車載制動電阻吸收電能。本文簡單介紹了電阻吸收性、電容或飛輪儲能型、逆變-電阻混合吸收性、逆變回饋型的車體外的再生制動能量吸收裝置，并對其各自的優(yōu)缺點進(jìn)行的簡要分析。

關(guān)鍵詞：再生制動 軌道交通 能量吸收裝置

一、前言

車輛在制動工況下優(yōu)先利用電制動，電制動能力不足時，再將不足的制動力分配給空氣制動。再生制動和電阻制動為電制動的兩種形式。當(dāng)供電線網(wǎng)的網(wǎng)壓高于限定值時。無法再吸收由再生制動反饋回來的能量，則利用電阻制動吸收線網(wǎng)未能吸收的能量。當(dāng)再生制動觸發(fā)時，車輛的牽引電機轉(zhuǎn)換成發(fā)電機產(chǎn)生再生能量。并將電能通過整流裝置反饋給線網(wǎng)。由于采用二極管整流設(shè)備，僅能單向向電網(wǎng)傳輸，無法反饋到上級電網(wǎng)，只能被直流電網(wǎng)暫時存儲。因此若供電電網(wǎng)中無其他車輛吸收，將會導(dǎo)致直流供電網(wǎng)壓升高。

二、不同形式的車體外吸能裝置介紹與優(yōu)缺點分析

車輛利用自身制動電阻進(jìn)行能量吸收的方法是：當(dāng)再生制動反饋給線網(wǎng)上的能量過多，線網(wǎng)無法繼續(xù)吸收時，列車?yán)弥苿与娮鑼⑽茨芪盏哪芰哭D(zhuǎn)化為熱能消耗。但車輛自帶制動電阻會增加列車的自重：并且制動電阻工作時散發(fā)的熱量易影響列車運營的安全性等。所以將再生制動多余的能量吸收裝置移至車輛外尤為必要。

目前，將再生制動的能量吸收裝置設(shè)置在車輛外的方案已應(yīng)用在國內(nèi)外軌道交通中，主要形式有：電阻吸收型；電容儲能型＼飛輪儲能型：逆變-電阻混合吸收型及逆變回饋型。下面對這4種裝置形式進(jìn)行簡要介紹及優(yōu)缺點的探討。

（一）電阻吸收型

電阻吸收型主要利用多相IGBT斬波器配合制動電阻的進(jìn)行恒壓吸收，根據(jù)線網(wǎng)的電壓變化來控制斬波器的導(dǎo)通比，從而改變線網(wǎng)的吸收功率，將線網(wǎng)電壓維持在設(shè)定值的范圍內(nèi)。能量消耗在電阻上。

目前。北京機場線、天津地鐵1號線等工程中均使用了該類裝置，其運行效果良好。該類裝置優(yōu)點在于成本較低、易于控制、功率組合便捷、可靠性高、易于維修、長使用壽命。缺點是：吸收電阻在工作時熱量集中，若采用風(fēng)冷時需要解決相應(yīng)的通風(fēng)動能裝置將熱能排出。若用水冷時需要解決好絕緣問題；并且再生制動能量未被利用，浪費了再生制動的電能。

（二）電容或飛輪儲能型。

電容儲能型或飛輪儲能型兩種裝置原理相似。均是利用大容量電容器組或飛輪電機將再生制動的能量儲存起來。當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有車輛進(jìn)行加速或者啟動時，電容或飛輪的儲能器將存儲的電能釋放到供電線網(wǎng)上。

該類形式的優(yōu)點是能量利用率高。再生制動能量可直接在直流牽引系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對交流系統(tǒng)不會造成影響。缺點在于：電容儲能型裝置由于短時吸收功率大。需求較多的組合電容和設(shè)備存放空間：并且電容頻繁處于充放電工況，電容使用壽命縮短；維護(hù)量大運營成本高；該設(shè)備容量較小，當(dāng)車輛進(jìn)行再生制動時。電容存儲的電能必須通過線網(wǎng)或其他耗能設(shè)備進(jìn)行釋放，否則由于容量的限制，下一周期吸收電容無法吸收再生能量，在運營量較大的線路上，無法達(dá)到完全吸收利用再生制動能量的要求。而飛輪儲能型裝置同樣存在占地面積大。維護(hù)工作復(fù)雜、運營成本高等問題。

（三）逆變.電阻混合吸收型

逆變-電阻混合吸收型裝置主要由吸收電阻和逆變組成。逆變-電阻混合吸收裝置裝于供電線網(wǎng)上。當(dāng)再生制動的能量低于逆變器設(shè)定的吸收能力時，再生能量可以完全經(jīng)過逆變器逆變成與交流電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電送回400V電網(wǎng)。供相關(guān)交流設(shè)備使用；當(dāng)逆變器無法全部吸收再生制動的能量時，系統(tǒng)將會利用電阻部分消耗能量，當(dāng)能量降至逆變器可吸收能力范圍內(nèi)時，電阻消耗能量退出，完全由逆變部分進(jìn)行吸收。

該類裝置的優(yōu)點是：易于控制，可靠性高；既能滿足對再生制動能量的吸收。又能進(jìn)行較好的能量利用：維護(hù)方便、設(shè)備低廉。從技術(shù)的成熟性、經(jīng)濟(jì)性、工程可實施性等方面都具有明顯優(yōu)勢。

（四）逆變回饋型

逆變回饋型吸收能量裝置原理是利用大功率的三相逆變器將直流側(cè)與牽引變電所中的直流母線相連。交流側(cè)與交流電網(wǎng)相連：當(dāng)車輛制動產(chǎn)生的再生制動的能量過多，使直流側(cè)的電壓超過限定值時，觸發(fā)三相逆變器工作，將直流側(cè)的母線吸收電流逆變成與交流電網(wǎng)同電壓、頻率、同相的交流電傳輸給交流電網(wǎng)。

逆變回饋型的優(yōu)點在于充分利用了車輛的再生制動能量，提高了再生能量的利用率；其能量可直接傳輸?shù)焦╇娋€網(wǎng)中，無需配置儲能元件及吸收電阻。

缺點是：直流經(jīng)過逆變后的交流電的諧波分量較大，須增設(shè)功率補償器及諧波抑制器，防止高次諧波對通訊信號的干擾；交流電站需要增設(shè)電網(wǎng)分配自動平衡裝置，以平衡再生制動時輸送給交流線網(wǎng)的浪涌電流；增強能量回收效果，逆變回饋裝置應(yīng)在車輛制動區(qū)域分段就近設(shè)置。目前該類裝置在國內(nèi)還處于研制階段，技術(shù)難題尚未解決。設(shè)備尚需完全進(jìn)口。

三、結(jié)語

本文對再生制動能量吸收的各類裝置進(jìn)行了簡要的分析，其中，逆變-電阻混合吸收型、逆變回饋型這兩種裝置的利用率較其他兩種高。逆變回饋型裝置的再生制動能量的綜合利用率最高，符合世界節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢。目前由于技術(shù)難題尚未完全攻破，建議先將逆變-電阻混合吸收裝置在我國廣泛推廣。待技術(shù)成熟后，逆變回饋裝置必將成為車輛再生制動能量吸收裝置的主流，從而達(dá)到將車輛再生制動能量的完全利用，以最大限度地達(dá)到節(jié)能減排的目的。