馮 驥

（武漢鐵路技師學院機電系，湖北 武漢 430064）

地鐵多采用直流電供電，整流時采用電力二極管，能量由交流側(cè)單向流向直流側(cè)。在列車降速制動時,速度大于8 km/h時，一般都是采用再生制動，牽引電機會從電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電工況，將吸取機械動能，轉(zhuǎn)化成電能，能量可以被列車自身的輔助電力設(shè)備消耗除一部分，剩余的將回饋到牽引網(wǎng)上，一般情況下，將有列車動能的60%左右變?yōu)殡娔芑仞伒街绷骶W(wǎng)中。下圖為上海地鐵3、4號線部分站所監(jiān)測的制動能耗與牽引能耗對比圖（見圖1）。

圖1 能耗對比圖 上條為可吸收的制動能耗 下條為牽引能耗

同一供電區(qū)段內(nèi)，如果在該時段有其他列車正在牽引，直流牽引網(wǎng)上的能量可以被吸收，但如列車發(fā)車密度較低（空閑時段）時，同一供電區(qū)段沒有其他列車吸收能量，或者其他列車不能夠完全吸收再生能量，結(jié)果就是網(wǎng)壓出現(xiàn)竄升，當超過限定值（1900V）時，會啟動車輛設(shè)備（逆變器）的保護閉鎖，所以必須有具備吸收能力的設(shè)備。

目前，投入使用的列車再生能量吸收裝置主要是電阻耗能型、儲能型和逆變回饋型這三類。

電阻耗能型。以重慶地鐵為代表的早期設(shè)計是在牽引變電所附近設(shè)置64D再生制動吸收設(shè)備，由斬波器與電阻構(gòu)成，直流母線電壓的變化狀態(tài)可以開啟調(diào)節(jié)電子開關(guān)的導通比，網(wǎng)壓高時投入制動電阻，將多余制動能量變成熱能消耗掉，從而改變吸收功率，這可在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)恒定直流電壓，這樣可以使持續(xù)穩(wěn)定車輛發(fā)出的再生電流最大限度地使用電制動功能。這種方案原理與控制器件相比，簡單也很可靠，早期得到成熟應用，但主要缺點是該方案的電能是白白將能量轉(zhuǎn)換為熱能，同時電阻的散熱將會導致環(huán)境溫度升高，這會造成浪費。變電所一般將此裝置加裝相應的通風裝置后置于通風良好的區(qū)段。

儲能型?，F(xiàn)在使用的儲能型再生能量吸收裝置價格較高，從原理上一般分為電容型和飛輪型。

電容儲能型再生能量吸收裝置使用大電容或電池，采用ICBT控制投入，投入后將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中[1]。如果網(wǎng)壓較低（1400V），有列車需要取流時，則由電容反饋電網(wǎng)，將所儲存的電能釋放出去，抬升電壓。北京地鐵5號線采用了德國西門子生產(chǎn)的SITRASSES成套產(chǎn)品，主要設(shè)置在牽引供電區(qū)間較長和坡度較大區(qū)間的4座牽引變電所內(nèi)[2]。設(shè)備投入早期由于電容的性能，造成儲能容量相對較小，再生能量大部分未被吸收，吸收能量極為有限。電容器的體積龐大，占地要求高，電容在頻繁充放電后，一般會出現(xiàn)使用壽命短的問題。

飛輪儲能型的基本原理也是用網(wǎng)壓投入儲能元件，但儲能元件變?yōu)榱孙w輪電機。電動機得電后，將帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，顯然，電能變?yōu)榱藙幽軆Υ嫫饋?。沒有再生能量時，飛輪靠慣性帶動發(fā)電機進行發(fā)電。目前，飛輪型裝置國內(nèi)無成熟產(chǎn)品，國外產(chǎn)品的價格較高。且由于高速旋轉(zhuǎn)飛輪運行時間極長，造成轉(zhuǎn)動慣量大，且機構(gòu)要求高，摩擦耗能問題嚴重，飛輪工作壽命短，整個系統(tǒng)復雜，空間需求大，處于技術(shù)研究和實驗室驗證階段。

在使用耗能型、儲能型裝置時，不用考慮交流側(cè)，只需考慮地鐵直流牽引網(wǎng)壓，這樣的話控制邏輯比較簡單，穩(wěn)壓效果良好?？紤]除投資經(jīng)濟性外，現(xiàn)儲能型裝置在使用壽命、安全性能及維護維修便利性上當下較難滿足地鐵運營要求，但可視為今后理想的應用類型加以研究。

逆變回饋型。這種裝置是將能量回饋到地鐵供電系統(tǒng)當中，直流電要逆變成交流電，按交流側(cè)電壓進行分類，相對可以分為三個等級：

低壓回饋：400V

中壓回饋：1180V

高壓回饋：10kV,35kV（33kV)

逆變回饋型再生能量吸收裝置將能量回傳電網(wǎng)，主要采用三相逆變電路，不需要配置大容量儲能元件或電阻[3]。當網(wǎng)壓升高時，通過逆變器，將能量從直流母線逆變成交流電，回饋至本站0.4 kV低壓交流電網(wǎng)或整個地鐵的35 kV中壓網(wǎng)。

低壓0.4 kV逆變裝置的容量要能同時滿足低壓側(cè)負荷與動力變的反送，同時又要考慮到0.4 kV的穩(wěn)定可靠，故因為容量問題，常與電阻配合使用，節(jié)能效果有限，在北京地鐵9號線投入運行，但因為容量限制，還是有再生失效的狀況。

中壓能饋型再生制動電能利用裝置有一種是將能量反饋至1180V側(cè)，也就是整流變的副邊，逆變出能量通過整流變返回，同時交流側(cè)開關(guān)柜對這種裝置還可起保護作用，設(shè)計裝置容量時當需考慮整流變壓器副邊容量。

中壓能饋型再生制動電能利用裝置應用最為廣泛的是多將能量獨立反饋至中壓電網(wǎng)的方式，條件少，方便計量，但要多設(shè)一臺開關(guān)柜，此外，設(shè)計時多還考慮到整個交流中壓電網(wǎng)的諧波與無功補償。典型應用方案如下：

圖2 典型應用方案

這種再生制動電能利用裝置主要由變流器柜、低壓開關(guān)柜、回饋變壓器、35kV開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、負極隔離柜共六大部分組成，這種方式需要新增一個大功率的逆變器[4]。逆變器將觸網(wǎng)上的直流電變?yōu)榻涣麟?，回給交流側(cè)。為了滿足實際的容量、安全、維護需求，現(xiàn)通常改變整流柜的單向整流單元，將其變?yōu)殡p向變流器，這也就是將電力二級管改為雙向變流器，這就同變壓器、開關(guān)柜等構(gòu)成雙向變流機組。或者新增一個變流器，然后與原有的二極管整流機組并聯(lián)。這樣，雙向變流器柜內(nèi)含2臺雙向變流器，雙向變流器通過由網(wǎng)壓的大小和相位控制開關(guān)，進而傳輸有功功率和無功功率。

圖3 CH1為電壓波形 CH2為電流波形

從以上分析可知，當前主流方案是采用中壓逆變回饋型裝置，這可以滿足各公司的節(jié)能與控制網(wǎng)壓的要求，且回饋網(wǎng)電流波形良好，功率因素也能得到提高。但是，設(shè)備費用高，也對通風散熱的配置提出了進一步的需求，這些問題需要進一步解決。

對本文的附加思索。除飛輪儲能型再生能量吸收裝置外，其他方式在地鐵均有應用。中壓逆變回饋型裝置的投入要盡可能的早，在各地鐵公司初期運量不大的情況下，鄰近列車吸收不大，這時中壓逆變回饋型裝置能更多地吸收回饋，回收成本，且雙向變流器可以起到整流器的備用，只是器件成本高，但控制策略已相當成熟，隨著器件的改進，今后必是應用的重點。