城市轨道交通列车再生制动能量回收技术研究

万宇翔　张钢

摘  要：为了最大限度实现供电系统节能，文章在分析对比了电阻能耗技术、电容/电池储能技术、飞轮储能技术等几种制动能量处理技术的基础上，着重对能量回馈技术进行了研究。根据并网等级的不同，能量回馈技术分为低压能馈和中压能馈，分别介绍了其运行原理及设备构成。给出了能量回馈装置的主电路结构以及电压电流双闭环控制框图并简要分析了其控制原理。对基于能量回馈装置的城轨牵引供电系统进行了建模和仿真分析。给出了二极管整流机组、能量回馈装置及列车的仿真模型。通过对仿真结果的分析，验证了能量回馈装置在列车制动时具有将多余制动能量回馈交流电网，并保持直流电压稳定的作用。

关键词：轨道交通;再生制动;能量回馈;逆变器

中图分类号：U270.35       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）31-0161-06

Abstract： In order to maximize the energy saving of power supply system， this paper focuses on the energy feedback technology on the basis of analyzing and comparing several braking energy treatment technologies， such as resistance energy consumption technology， capacitance/battery energy storage technology， flywheel energy storage technology and so on. According to the different grades of grid connection， the energy feedback technology is divided into low voltage energy feed and medium voltage energy feed， and its operation principle and equipment composition are introduced respectively. The main circuit structure of the feedback device and the voltage and current double closed loop control block diagram are given， and the control principle is briefly analyzed. The modeling and simulation analysis of urban rail traction power supply system based on energy feedback device are carried out. The simulation models of diode rectifier unit， energy feedback device and train are given. Through the analysis of the simulation results， it is verified that the energy feedback device can feed the excess braking energy back to the AC power grid and keep the DC voltage stable.

Keywords： rail transit; regenerative braking; energy feedback; inverter

1 研究背景及目的

隨着科技的发展，城市轨道交通逐渐成为了中国各大城市的重要出行方式。城市轨道交通采取直流供电方式，因其速度快、运量大等特点，被广泛认作是一种节能环保的出行方式。

通常，城市轨道交通采取集中供电方式。轨道交通公司从电网获取110kV/220kV交流电，利用地铁内部主变电所降压至35kV（或10kV）并输送至中压环网。中压环网下，每个车站配一座牵引变电所，利用整流机组将交流35kV（或10kV）电变为直流1500V（或750V），供列车牵引使用。

列车制动通常有两种方式：机械制动和电制动。机械制动即使用列车转向架上配备的闸瓦制动，利用摩擦力做功消耗动能。机械制动会让列车动能直接消耗掉，并造成闸瓦的磨损，以及因摩擦产生的金属碎屑污染和噪音污染。电制动将列车的动能转化为电能，反送到直流接触网上。如果线路上有其它列车恰好处于牵引状态，电制动会起到节能的效果;如果没有其他列车用能，电制动会造成网压升高，危及设备安全。传统方式为在网压允许条件下尽可能使用电制动，网压过高时使用机械制动。

由此可见，传统方式既不利于节能，也不利于设备安全。所以能量回收技术的发展对节能来说至关重要。

2 几种可能的解决方案

2.1 电阻吸收技术

电阻吸收技术是利用电阻来消耗列车制动时产生的多余能量，电阻消耗能量的大小通过斩波器来控制。电阻吸收装置分为车载式和地面式两种。

车载电阻吸收装置通常安装在车底部，设备重达400-500kg，导致列车运行能耗大幅增加。此外，电阻发热还会导致隧道温升，使得环控系统不得不消耗更多能量控制隧道温度。

地面电阻吸收装置最早应用于重庆跨坐式单轨轻轨2、3号线。因跨坐式单轨列车底部空间有限，设备只能从车上转移到地面。将设备安装在地面，解决了车载电阻重量大和隧道温升问题。但无论把设备安放在何处，列车制动能量会直接被消耗，所以电阻吸收技术并不是一种节能的选择。

图1所示为地面式电阻吸收装置原理示意图。

2.2 电容/电池储能技术

超级电容/电池储能技术在列车制动时将产生电能储存到超级电容或电池中，在列车牵引时将存储的电能送回接触网供列车使用。

功率密度指单位体积电池或电容能输出的最大功率，能量密度指单位体积电池或电容中可储存能量的大小。相对而言，超级电容的功率密度大，但是能量密度小，适合快速充放电。而电池的功率密度小，但是能量密度高，充放电慢却存储能量大。图2所示为超级电容储能原理示意图。

电容/电池储能技术虽能有效吸收列车制动时产生的能量，节能效果明显，但其也存在着设备容量小、体积大、价格昂贵等缺点。

2.3 飞轮储能技术

飞轮储能技术是将列车制动能量以动能的形式存储在飞轮中。飞轮通常有质量大，速度高的特点，这能使储存的动能最大化。一般而言，飞轮的速度可以达到每秒5-10万转。当列车牵引时，飞轮储能装置能够将存储能量转换成电能送到接触网，供线路上列车使用。

飞轮储能技术虽能有效利用列车再生制动能量，但是飞轮制造工艺复杂，国内尚没有相关成熟产品。

2.4 能量回馈技术

能量回馈技术，又称逆变回馈技术，当列车处于制动状态时，牵引网电压高于设定值，此时通过逆变器将电制动产生的直流电转化为交流电，随后再经变压器回馈给交流电网或其它负载重复利用。

能量回馈技术能够对列车制动时产生的回馈能量进行有效利用，并可减少车载制动电阻容量，减小对于环境的污染，且易于日常维护，大大提升了节能效果显著。总体来说，能量回馈技术优势在于能够将列车制动产生能量高效回收并能灵活应用，值得被广泛应用。

3 能量回馈技术研究

3.1 系统应用方案

能量回馈技术分为中压能馈和低压能馈。中压能馈回馈装置将列车制动产生的多余直流电转化为中压环网的35kV或10kV交流电，实现电能的重复利用。低压能馈回馈装置将能量转化为380V交流电，供车站内的各种电子设备使用，如空调、电梯等。相对来说，低压能馈回馈装置有成本低的优势，但是380V电网容量大小有限，无法将列车制动产生能量完全回收。相反，中压能馈回馈装置虽成本较高，但可以更有效地回收列车制动能量。

图5和图6所示分别为中压能馈回馈装置和低压能馈回馈装置应用方案示意图。

3.2 主电路控制方法

三相逆变器是能馈回馈装置的核心部分，其主电路如图7所示：它由1个电容，3个电感和6个IGBT组成。

三相逆变器单相等效电路如图8所示。

从图8可以看出，单相等效电路满足下式：

Ia=■ （1）

因而，可通过控制电压Ua来控制流过电感L的电流Ia大小，其中电感L还具有滤波的作用。图9所示为能量回馈装置的工作相量图，可以看出通过控制Ua的相位，就能实现其电网侧功率因数为-1，设备处于逆变工况。

能馈回馈装置通常采用基于同步旋转坐标系的双闭环控制方法，其实质是将设备三相静止坐标系模型转换至dq同步旋转坐标系下，交流量经过相应的数学方法变换为直流量，以此实现对交流量的跟随和控制。规定d轴表示有功分量，q轴表示无功分量，则可以通过对d、q轴的控制实现对无功和有功电流分量的控制。双闭环控制原理框图如图10所示，电压外环通过对udc的调节实现直流电压稳定，电流内环通过对iq、id的调节分别实现对有功和无功的控制。其中，由于逆变器的d、q分量相互耦合，采用前馈解耦控制算法。

4 系统建模及仿真分析

4.1 二极管整流机组建模

图11为基于Matlab/Simulink电力系统仿真模块搭建的24脉波整流机组模型，三相交流电源为10kV，两个移相变压器分别为△/△+7.5°和△/△-7.5°的连接方式，以此产生15°相位差，再连接至三相变压器，连接方式为Y-Y/Y-△，在每台整流器低压侧引入30°相位差，两台整流器并联形成12脉波整流器，两台12脉波整流器并联形成24脉波整流器。

4.2 能量回馈装置建模

能馈系统仿真模型如图12所示，主要由三相电源、变压器、三相逆变器模块、控制模块及测量单元组成。图中交流侧电感L为300μH，直流侧电容C为30000μF，开关频率2kHz。其中三相逆变器采用电流前馈解耦算法进行电流闭环控制，同时采用电压外环保证直流侧电压稳定。

4.3 列车建模

由于列车只是整个供电系统的负载，因此在供电系统仿真中，可以用功率源模型来模拟列车载荷。在matlab仿真平台搭建仿真模型时，用已有的可控电流源模块来搭建等效功率源，如下图所示。其中，P为功率源模型的给定功率，Idc为电流源给定电流，经过限功处理，再通过一个简单的数学运算，便可实现电流源到功率源的转换。

4.4 仿真及分析

基于二极管整流机组和能量回馈装置的供电系统仿真模型如图14所示。列车处于牵引工况时，基于二极管的24脉波整流器为列车提供牵引能量，列车处于制动状态时，能量回馈装置将列车再生制动能量回馈交流电网，列车以功率源模型代替，空载时二极管整流机组直流侧电压维持在850V左右，仿真时间设定为2s。

图15为模拟列车的一次启停过程功率曲线。由图可知，0～0.1s为列车准备启动阶段，0.1～0.4s为列车加速启动阶段，0.4～0.5s为恒功率运行阶段，0.5～1.5s为列车惰行阶段，1.5～1.9s为列车制动阶段，1.9～2s列车停止运行;列车最大牵引功率为3000kW，最大制动功率为2500kW。

图16为中压能馈回馈装置投入运行后直流侧电压波形，可以看到：在列车启动阶段，随着列车功率的逐渐增加，直流侧电压随之下降，此时二极管整流机组开始工作为列车提供牵引能量，阻止电压继续下降;当列车处于惰行阶段时，直流侧电压保持为850V;在列车制动阶段，能馈回馈装置投入工作，直流电压快速上升，但被有效抑制在920V以下，之后随着列车制动功率的下降，直流电压也随之下降至850V。

图17给出了牵引电流Idc的仿真波形。由图可以看出：牵引电流随列车运行状态的变化而变化，变化规律与给定功率相同;列车处于牵引状态时，牵引电流为正，说明此时由二极管整流机组供电以驱动列车前进;列车惰行状态时，牵引电流始终为零;列车处于制动状态时，牵引电流为负，说明此时二极管整流机组已停止工作，能馈回馈装置吸收制动电流并反馈回交流侧。

圖18所示为能量回馈装置10kV侧的交流电压、电流波形。由图可以看出，列车牵引时，能量回馈装置电流为零;列车制动时，直流电流经能量回馈装置送回交流电网，电流波形的正弦度良好，与电压相位相差180°，此时功率因数为-1。以上仿真验证了所研究的能量回馈装置能够将列车再生制动能量反馈回交流电网再利用，从而起到很好的节能效果。

5 结论

能量回馈技术作为一种热门节能技术，能将列车制动时产生的能量高效回收和灵活再利用，具有广阔的发展前景。

参考文献：

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