馬嘉輝

北京市地鐵運(yùn)營有限公司，中國·北京100032

1 引言

隨著中國大力開展節(jié)能環(huán)保工作，北京地鐵也緊隨其后，在裝配再生能耗設(shè)備方面也更加重視，不光是在新建地鐵線路中使用再生能耗裝置，在既有線路改造計(jì)劃中，也加入了再生能耗裝置的安裝工作。這在實(shí)現(xiàn)北京地鐵公司努力建設(shè)節(jié)約型地鐵合創(chuàng)新型地鐵的道路上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

在北京地鐵的建設(shè)初期，一般采用在地鐵列車上安裝大容量吸收電阻的方法來吸收再生能，但在車上安裝容量吸收電阻就會影響車內(nèi)的空間，同時(shí)吸收電阻工作時(shí)會釋放大量熱量，造成車輛和洞體的溫度升高。如果北京地鐵公司在每條線路使用再生能耗吸收裝置的話，理論上可以節(jié)省12%～15%的電能。

2 再生能耗裝置工作原理

不同類型的再生能耗裝置是根據(jù)裝置的工作方式區(qū)分的，目前北京地鐵所使用的再生能裝置分為三種。

2.1 電阻型

電阻型能耗裝置是將再生能引入電阻回路從而使電阻發(fā)熱耗能的方式進(jìn)行能量吸收。由于裝置工作時(shí)會產(chǎn)生噪音和散發(fā)出大量熱，一般將裝置安裝在地面。將電阻型能耗裝置安裝于直流牽引系統(tǒng)的正負(fù)母線之間，在地鐵列車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，再生電流將會從直流牽引系統(tǒng)正母線流入到電阻型能耗裝置的回路當(dāng)中。回路是有二極管和電阻組成的回路，能有效單向?qū)?，并采用多相IGBT斬波器（因普通開關(guān)動(dòng)作時(shí)間較慢不能滿足直流母線電壓變化調(diào)節(jié)的要求）和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定的范圍內(nèi)，通過吸收電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。

2.2 逆變型

逆變型再生能饋裝置是將地鐵列車電制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的直流電通過逆變器后將交流電反饋到車站電網(wǎng)從而重復(fù)利用。逆變型再生能饋裝置又分成兩個(gè)類型：低壓回饋型和中壓回饋型。低壓回饋型再生能饋裝置是將地鐵列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生能回饋到400V低壓母線，供給車站內(nèi)的其他低壓母線所帶設(shè)備使用。中壓回饋型是將地鐵列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生能回饋到10kV中壓母線中，從而使車站中的所有10kV中壓系統(tǒng)所帶設(shè)備都可以使用反饋電能?，F(xiàn)在低壓回饋型再生能量吸收裝置在北京地鐵7號線、9號線投入使用，中壓回饋型再生能量吸收裝置在北京地鐵線10號線投入使用。低壓逆變型再生能量吸收裝置，是將地鐵列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生能逆變輸出至400V母線的再生能量利用裝置，因?yàn)槭盏?00V電網(wǎng)容量的限制必須與電阻消耗型裝置相結(jié)合才能夠滿足使用條件，所以大多采用逆變器+電阻吸收裝置的形式。

為了解決低壓回饋型再生制動(dòng)裝置在使用中對400V低壓網(wǎng)絡(luò)電壓的影響，在裝置中加裝400V低壓網(wǎng)絡(luò)電壓檢測，在網(wǎng)絡(luò)中的用電器消耗有限無法完全將返回的能量使用殆盡時(shí)，切入電阻吸收裝置將多余電能進(jìn)行消耗，從而保證400V低壓網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

中壓回饋型再生制動(dòng)裝置連接在容量較大的10kV中壓網(wǎng)絡(luò)中，所以大多不用考慮反饋能量無法消耗，導(dǎo)致中壓電網(wǎng)電壓上升的問題。但是中壓回饋型再生制動(dòng)裝置工作時(shí)，回饋的電能會影響到10kV中壓系統(tǒng)所在電網(wǎng)的電壓，所以在設(shè)計(jì)使用階段，要提前與所在電力公司溝通設(shè)計(jì)方案，在滿足條件的情況下進(jìn)行使用。

2.3 電容儲能型

在地鐵列車進(jìn)行制動(dòng)過程中，電容儲能型再生能裝置會吸收直流牽引網(wǎng)中的再生能并存貯，當(dāng)供電區(qū)間有其他地鐵列車運(yùn)行，存貯裝置會釋放電能供地鐵列車運(yùn)行使用。

在運(yùn)行中的地鐵列車進(jìn)行電制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的再生能會使接觸網(wǎng)網(wǎng)壓升高，當(dāng)電容儲能再生能裝置在系統(tǒng)中檢測到網(wǎng)壓升高，就會啟動(dòng)IGBT將再生能儲存到電容儲能元件中，這樣就可以使接觸網(wǎng)的網(wǎng)壓處于正常范圍內(nèi)。當(dāng)供電區(qū)間中有地鐵列車啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，裝置將電容儲能元件中存儲的電能釋放供車輛使用。這樣既保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，又能保證再生能的循環(huán)利用。

3 再生制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 電阻型

優(yōu)點(diǎn)：技成熟，已經(jīng)在北京地鐵投入運(yùn)行十余年，該裝置原理簡單，易于安裝維護(hù)，操作便捷，裝置穩(wěn)定。因裝置安裝在直流牽引系統(tǒng)內(nèi)部，與其他電壓等級設(shè)備不連接，不會造成干擾。具有體積小、重量輕，施工簡便的優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：只能將再生能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行消耗，不能達(dá)到節(jié)能目的。由于該裝置在工作狀態(tài)下產(chǎn)生大量熱能，所以對設(shè)備的安裝位置有嚴(yán)格的要求，并且在車輛密集的線路會有設(shè)備元件超溫跳閘退出運(yùn)行的情況。吸收電阻在運(yùn)行過程中噪聲大，所以實(shí)際安裝位置都在距離住宅或公共場所較遠(yuǎn)的地區(qū)。

3.2 逆變型

優(yōu)點(diǎn)：有效減少電能的浪費(fèi)，可將一部分機(jī)車再生能加以利用，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)也有利于車輛平穩(wěn)運(yùn)行，目前在地鐵建設(shè)中被廣泛使用。發(fā)熱量相對小，不會因過熱導(dǎo)致設(shè)備退出運(yùn)行，所以裝置運(yùn)行可靠性較高。因散熱少，噪音低所以對環(huán)境影響較小。低壓回饋型單套約210萬，中壓回饋型單套約340萬，價(jià)格適中，裝置體積與重量適中。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比純電阻型復(fù)雜。因低壓回饋型受AC400V電網(wǎng)容量限制，所以需要設(shè)計(jì)吸收電阻配合使用，降低了再生能源利用率，造成能源浪費(fèi)同時(shí)也帶來電阻消耗型的缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際計(jì)量電能數(shù)據(jù)，因負(fù)載與再生制動(dòng)能量會產(chǎn)生瞬時(shí)不平衡（其反饋能量僅僅是被本站站內(nèi)設(shè)備利用，因此回饋容量受限）造成再生制動(dòng)電能流入城市電網(wǎng)，地鐵內(nèi)部無法通過回饋型裝置完全利用再生能源。

3.3 儲能型（電容型）

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)可在直流供電區(qū)間內(nèi)無車，電網(wǎng)空載的狀態(tài)下自行充電，在車輛通過時(shí)進(jìn)行釋放，從而達(dá)到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的作用。再生能量直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，與其它設(shè)備無接口，對地鐵供電系統(tǒng)其它部分不會產(chǎn)生電壓波動(dòng)和諧波注入的影響。不需要逆變、變壓等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，從而更好的減少能耗，節(jié)能效果更好。

缺點(diǎn)：受技術(shù)條件的約束，要設(shè)置體積龐大的電容器組才能滿足地鐵設(shè)備的運(yùn)行要求，設(shè)備運(yùn)行時(shí)電容需頻繁處于充放電狀態(tài)所以導(dǎo)致使用壽命短，造價(jià)高，而且電容器對環(huán)境要求比較高，后期維護(hù)比較困難。電容儲能元件存在噪聲和溫升問題。

4 總結(jié)

根據(jù)以上設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和理論分析，不難看出不同類型再生制動(dòng)能量利用裝置都有著各自不同的優(yōu)勢與特點(diǎn)如表1所示。

表1 優(yōu)勢與特點(diǎn)

電阻耗能雖然在地鐵部分線路使用多年，但因不符合節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，應(yīng)盡早進(jìn)行更新?lián)Q代。中壓逆變回饋型，需要考慮對交流系統(tǒng)諧波和電壓波動(dòng)的影響。儲能型要繼續(xù)提高儲能電容或飛輪的能力密度，在減小尺寸和整體重量同時(shí)還要增加容量，但因較好的滿足了節(jié)能環(huán)保的要求，所以儲能型是未來再生能量利用裝置的發(fā)展方向。

5 建議

①不應(yīng)只根據(jù)理論結(jié)果衡量再生能量利用裝置的效率，應(yīng)運(yùn)用合理的方法進(jìn)行實(shí)際檢測和計(jì)算，結(jié)合線路坡度、彎道、客運(yùn)量、行車密度、電網(wǎng)容量等因素，合理配置線路再生能量利用裝置容量，提高節(jié)能效率。

②儲能型再生能量利用裝置，目前因儲能元件能量密度較低，占用空間大成本較高的原因，所以地鐵現(xiàn)只安裝有三套電容型再生制動(dòng)裝置和一套飛輪型再生制動(dòng)裝置，建議保留現(xiàn)四套儲能型再生制動(dòng)裝置的同時(shí)，增加飛輪型再生制動(dòng)裝置在地鐵的測試，積累數(shù)據(jù)，為今后大規(guī)模應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

綜上所述，經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用，再生能耗制動(dòng)裝置解決了車輛在制動(dòng)時(shí)，向電網(wǎng)反輸電能造成網(wǎng)壓過高，危害設(shè)備的問題。列車不再使用車載制動(dòng)電阻，減小了列車的負(fù)載，同時(shí)也降低了牽引網(wǎng)的負(fù)荷，在降低負(fù)荷的同時(shí)還能對再生能加以利用，從某種意義上講再生制動(dòng)系統(tǒng)的使用，不但降低了能耗也節(jié)約了能源。在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，打造節(jié)約型社會的今天，儲能型及反饋型再生能耗系統(tǒng)更加適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求。為節(jié)約能源并減少車輛機(jī)械制動(dòng)帶來的環(huán)境污染，在未來地鐵軌道交通的建設(shè)中，如果能合理的解決儲能型系統(tǒng)自身存在的技術(shù)和成本問題，儲能型及反饋型再生能耗系統(tǒng)在打造節(jié)約型地鐵的征程中將會發(fā)揮重要作用。