姚永高 梁焜

重慶市軌道交通（集團）有限公司 重慶 400064

1 城市軌道交通供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

軌道交通供電系統(tǒng)是城市軌道交通必不可少的，是城市軌道交通正常運行的動力保障，主要向地鐵機車牽引供電系統(tǒng)傳送電能，同時給動力照明系統(tǒng)供電，包括車站、車輛段、區(qū)間、控制中心、停車場等設(shè)施。跟據(jù)系統(tǒng)的不同功能，城市軌道交通供電系統(tǒng)主要是由：外部交流電源、主變電所、直流牽引供電系統(tǒng)、動力照明系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等幾個不同功能系統(tǒng)構(gòu)成。為了保證地鐵的正常運營，城市軌道交通供電系統(tǒng)不僅要具備可靠性、安全性、適用性、經(jīng)濟性、先進性等基本性能，還應(yīng)具有調(diào)度方便、經(jīng)濟適用的特點。

2 城市軌道交通再生制動方式分析

目前，城市軌道交通列車制動一般為電制動和空氣制動相結(jié)合。在制動過程初期，列車速度較快，采用電制動，而當(dāng)速度減小到電制動不起作用時，則利用空氣閘瓦制動方式，將剩余的機械能通過機械摩擦轉(zhuǎn)化為熱能。

2.1 耗散型再生吸收方案

該方案將直流母線電網(wǎng)多余的能量消耗在電阻負載上，以熱能的形式耗散掉，從而維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。其中，耗散電阻多裝在地面上，從而減輕機車的散熱及裝載壓力。電阻負載在制動過程中會放掉大量熱量，會使周圍環(huán)境溫度升高，特別是低下車站，空間比較狹窄，還需要加裝大功率散熱設(shè)備。雖然這種方案有利于減小機車機械制動裝置的磨損，但從能力的利用角度來看，該方案并沒有很好的實現(xiàn)能量的可再生利用[1]。

2.2 儲能型再生吸收方案

儲能方案主要是經(jīng)過變換器將直流母線中多余的再生制動能量吸收并存儲在儲能設(shè)備中。常用的儲能方式主要有電池儲能、飛輪儲能、電容儲能以及集中儲能。

2.3 逆變回饋方案

采用大功率晶閘管三相逆變器，直流側(cè)與牽引變電所直流母線相連，交流側(cè)與交流母線相連，當(dāng)再生制動使直流母線的電壓超過設(shè)定值時，逆變器啟動將多于的制動能量回饋到電網(wǎng)中。再生制動能量回饋可以通過晶閘管有源逆變、PWM逆變和脈寬調(diào)制可逆整流三種方式實現(xiàn)。

2.3 .1混合型逆變裝置

混合型逆變裝置是將耗散型再生吸收方案和逆變回饋方案相結(jié)合的逆變模式，該裝置分為兩大部分，一是電阻吸收部分，主要由控制系統(tǒng)、斬波系統(tǒng)、電阻柜組成；二是再生逆變部分，主要由逆變柜、隔離變組成。

當(dāng)1500V電網(wǎng)電壓升高時，混合型逆變裝置首先通過逆變系統(tǒng)將電能逆變至400V母線并通過站內(nèi)設(shè)備進行利用消耗，當(dāng)逆變功率飽和電網(wǎng)電壓仍無法下降時，多余的電能則通過電阻吸收轉(zhuǎn)換為熱能進行消耗[2]。

混合型逆變裝置雖然相比耗散型吸收裝置來看，由節(jié)約電力資源的效果，但回收利用率并不完美，仍有部分電能通過電阻吸收損耗。該裝置逆變部分和電阻吸收部分可獨立運行，任何一部分故障后仍可保障系統(tǒng)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，穩(wěn)定性相對較高。

2.3 .2中壓能饋型逆變裝置

隨著社會的進步，對環(huán)保和節(jié)能的要求越來越高，因此軌道交通再生制動吸收方案中，對節(jié)能的效果也越來越看中，中壓能饋型逆變裝置相比混合型逆變裝置來看，它拋棄了電阻吸收部分，只保留逆變部分，從而達到電能有效回收和利用效果。

中壓能饋型逆變裝置是將列車制動產(chǎn)生的直流電能逆變成與交流電網(wǎng)同幅值、同相位的交流電能。它的直流側(cè)與牽引變電所的1500V直流母線相連，交流側(cè)與中壓環(huán)網(wǎng)相連。當(dāng)1500V系統(tǒng)電壓升高至整定值時，逆變系統(tǒng)啟動，將直流電能逆變?yōu)橥?、同相位的交流電能，并輸送至中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中供各車站設(shè)備使用。

中壓能饋型逆變裝置主要由控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)和升壓變壓器組成，其逆變功率可根據(jù)實際運營數(shù)據(jù)進行配置獨立逆變模塊，每個模塊可獨立運行，故障后可隨時退出，互不影響，因此可靠性相對較高，但控制系統(tǒng)故障后可能導(dǎo)致整個逆變裝置退出運行。

中壓能饋型逆變裝置相較混合型逆變裝置來看，其電能回收率較高，節(jié)能效果較好，但須合理配置逆變功率避免向電網(wǎng)反送電情況，從系統(tǒng)穩(wěn)定性來看，各逆變模塊獨立運行，安全性較高，但控制系統(tǒng)未實現(xiàn)冗余配置，故障后將導(dǎo)致整所逆變系統(tǒng)退出運行，因此須加強維護管理，配置足夠備件[3]。

2.4 超級電容型再生制動吸收裝置

超級電容型再生制動吸收裝置相對逆變裝置來說工作方式差別較大，其工作原理是當(dāng)列車制動產(chǎn)生的直流電能導(dǎo)致1500V系統(tǒng)電壓升高至整定值時，該裝置通過電容陣列將電能存儲起來，當(dāng)附近有列車啟動或者列車加速導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降時，該裝置釋放電能供列車使用，在一定程度上實現(xiàn)了穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用，也可降電能輸送至車站設(shè)備使用。

超級電容是近年內(nèi)逐步興起的新型儲能元件，通過實踐證明，它具有使用容量大、壽命長、充放電速度快、無污染等優(yōu)勢，近年來也逐步應(yīng)用到軌道交通再生制動領(lǐng)域中，其主要結(jié)構(gòu)包括控制系統(tǒng)、變流器、超級電容陣列，目前超級電容的配置采用模塊化設(shè)計，便于維護，靈活擴容、故障處理便捷。

在再生能源吸收能功能上看，相較以上幾種方案，節(jié)能效果均優(yōu)于耗散型和混合型系統(tǒng)，從電能質(zhì)量上來看，不會對交流側(cè)電能質(zhì)量造成影響。除了可吸收再生制動能量以外，還可補償牽引時所需的能量。

總之，城市軌道交通中再生制動能量吸收問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義。制動能量的可在生利用不但可以節(jié)約電能，保護環(huán)境，同時可以降低地鐵運營成本，促進公共交通的進一步發(fā)展。通過對多種方案的研究，在配置軌道交通再生制動系統(tǒng)吸收方案時，可根據(jù)環(huán)境、空間、地理位置、投資情況以及運營的需要選擇合適的吸收方案。電力電子技術(shù)對推動制動能量的可再生利用發(fā)揮重要作用，進一步提高電能利用率、保障運營穩(wěn)定安全等方面還需更深入研究。