城轨车辆再生制动能量吸收方案研究

公丕柱

(济南轨道交通集团有限公司, 山东济南 250101)



城轨车辆再生制动能量吸收方案研究

公丕柱

(济南轨道交通集团有限公司, 山东济南 250101)

对城轨车辆再生制动特性进行了分析，定量计算出列车再生制动能量和功率。基于目前的技术发展现状，提出了低压逆变回馈和超级电容储能混合型方案；阐述了系统各部分组成和功能，并给出了逆变系统优先吸收再生能量的控制策略。为满足列车再生能量需全部吸收利用的需求，提出了混合型系统的容量配置方法并进行了实例计算。本方案既能将列车再生能量全部吸收利用，又可稳定牵引网电压，对于降低建设投资和减少运营费用具有现实意义。

再生制动； 逆变回馈； 超级电容； 储能； 容量配置

城市轨道交通站间距离较短，列车起动、制动频繁，为了节省电能、减少机械制动装置的磨损，列车制动一般采用以电制动为主、机械制动为辅的控制原则，当电制动力不足或失效时，由机械制动补足或替代。因此，列车在制动过程中会产生巨大的再生制动能量。

牵引供电系统一般采用二极管不可控整流器实现由三相交流电能向直流电能的转换，能量只能单向流动，当列车再生制动能量没有被邻近车辆完全吸收时，为了维持直流牵引网电压的稳定，需要通过制动电阻以热能的形式消耗。电阻制动不仅浪费了电能，同时也增加了空调通风装置的负担，使城市轨道交通的运营成本增加。

目前，列车再生制动能量的高效利用主要是通过逆变回馈和能量存储两种方式[1-2]。基于超级电容在国内储能领域的飞速发展以及性价比的不断提高，提出了低压逆变回馈+超级电容储能混合型方案，融合了低压逆变装置和超级电容储能装置的优点，既能将列车再生能量循环利用，又可减小直流电网电压的波动，改善供电质量。

1　再生制动能量计算

1.1再生制动特性分析

再生制动是指列车牵引电机工作在发电机工况，牵引电机产生的三相交流电通过牵引变流器整流为直流电并反馈回电网。电机再生制动特性曲线一般设计为两个区域，分别为恒转矩区域和自然特性区域，如图1所示，图中：B为制动力，v为列车运行速度，AB段为自然特性区域；BC段为恒转矩区域；C0段为空气制动逐渐替代电制动区域。

图1　电机再生制动特性曲线

电机再生功率为：

(1)

列车回馈至电网的瞬时功率为:

(2)

式中n1为列车动车数量，n2为动车电机数量，η1为齿轮传动效率，η2为电机效率，η3为牵引变流器效率，Psiv为列车辅助设备实际用电功率。

电机再生制动能量为：

(3)

式中a为列车平均减速度。

(4)

1.2实例计算

以国内某线路为例，列车编组形式为4动2拖，最高运行速度100 km/h，牵引网额定电压为1 500 V，常用制动平均减速度为1.0 m/s2，AW2载荷时列车总重为287.6 t，辅助设备实际用电功率为200 kW，齿轮传动效率为0.97，牵引变流器效率为0.98，电机效率为0.92，电机再生制动力为19.04 kN，电机自然特性点速度为65 km/h，再生制动退出速度为65 km/h。利用式(1)～式(4)计算出列车再生制动功率和能量，列车回馈至电网的再生功率与速度关系见图2，列车回馈至电网的再生制动能量与制动初始速度关系曲线见图3。

如图2、图3所示，列车再生制动功率为尖峰状，且尖峰功率很大(最大可达4 600 kW)；列车再生制动能量随制动起始速度的减小而减小，若列车从90 km/h时开始制动，则列车产生的再生制动能量为18.4 kW·h。

图2　列车再生功率与速度关系曲线

图3　列车再生能量与制动初始速度关系曲线

2　系统方案设计

由于列车再生制动能量和功率都很大，再生制动能量吸收装置如果单独采用低压逆变回馈方式，受车站动力照明负载功率和配电变压器容量的限制，列车再生制动能量不能完全吸收，需要电阻制动补充吸收。再生制动能量吸收装置如果单独采用储能方式，则要求储能装置具有很大的功率与容量，导致成本与体积增大。因此，本文提出将低压逆变回馈和超级电容储能两种方式相结合的方案，图4为再生制动能量吸收装置系统原理图。

2.1逆变回馈系统

逆变回馈系统主要由直流开关柜、逆变柜、隔离变压器、交流开关柜等几部分组成，各部分组成和功能：

(1)直流开关柜主要包括直流接触器、隔离开关等器件。用于控制逆变柜与牵引网的接通与分断。

图4　再生制动能量吸收装置系统原理图

(2)逆变柜主要包括IGBT单元、测量与控制电路。用于判断逆变装置准确投入工作，并根据再生能量的大小调节相应的吸收容量，将再生电能逆变为与AC 400 V电网同相位、同频率的交流电回馈电网。

(3)隔离变压器的主要作用是匹配逆变器输出电压与电网电压，实现前后级电网隔离。

(4)交流开关柜主要包括交流接触器、隔离开关等器件。用于控制逆变柜与AC 400 V电网的接通与分断。

2.2储能系统

储能系统主要由直流开关柜、DC-DC功率变换器、超级电容器组3部分组成，各部分组成和功能：

(1)直流开关柜主要包括直流接触器、隔离开关等器件，用于控制储能系统与牵引网的接通与分断。

(2) DC-DC功率变换器主要包括IGBT单元、储能电感、测量与控制电路。在功能上相当于Boost变换器和Buck变换器的组合，主要工作在3个状态，列车牵引时，变换器等效为升压斩波器，将超级电容中的能量释放到牵引网上；列车惰行时，变换器停止工作，处于备用状态；列车制动时，变换器等效为降压斩波器，将牵引网的能量储存到超级电容。通过以上3个状态的切换，完成对再生制动能量的吸收和释放。

(3)超级电容器组是储存能量的载体。超级电容由于单体电压较低，一般为2.5～2.7 V，不能满足列车再生制动能量吸收装置的电压和能量等级要求；实际应用中，常采用同型号的超级电容单体通过串、并联构成超级电容器组。

超级电容可近似等效为电阻与电容的串联[3]，假设超级电容器组有m个特性相同的电容单体串联成一条支路，再由n条相同的支路并联组成，则超级电容组的等效电容、额定电压和等效内阻为：

(5)

式中Cc为单体容量；Rc为单体内阻；Uc为单体额定电压。

超级电容组储存的能量为:

(6)

式中Ue为超级电容额定工作电压；U0为超级电容放电终止电压；α为超级电容放电深度。

2.3控制策略

再生制动能量在逆变系统与储能系统之间的分配可以有多种策略，主要通过判断直流母线电压、电流实现2个系统之间的切换。基于低压逆变回馈系统在国内已有较多的应用，本文主要研究逆变系统优先控制策略，在再生制动能量吸收的过程中，逆变系统始终工作，而储能系统作为逆变系统的补充，吸收再生能量的尖峰功率。

再生制动能量吸收装置控制系统根据直流母线电压升高以及电流流向的变化判断车辆处于制动工况，当直流母线电压上升达到第1预设值时，向逆变系统发出启动信号，并且以该值作为逆变系统的电压基准值，当电压进一步上升时，逆变系统以实际的直流母线电压与该基准值的差值控制输出电流，直到输出电流达到逆变系统的最大输出电流。如果直流母线电压进一步上升并达到第2预设值，则启动储能系统，与逆变系统共同吸收再生能量，将直流母线电压限定在系统最高电压值以下。随着车辆制动过程的进行，车辆再生制动输出能量逐渐减小，直流母线电压也将随之降低，当该电压低于第2预设值后，储能系统退出工作，由逆变系统独自吸收再生能量。当直流母线电压下降第1预设值时，逆变系统停止工作。

当列车处于牵引工况时，由于牵引整流器内阻的存在，直流母线电压随着列车牵引功率的增加而下降，当直流母线电压下降到预设值时，储能系统放电，维持直流母线电压稳定。当超级电容荷电状态达到设定值时，储能系统停止工作。

3　容量配置

列车制动时产生的再生能量一部分会被邻近车辆吸收，相关研究表明，随列车运行密度和区间距离的不同，该比例系数的变化范围为20%～80%[4]。因此，再生制动能量吸收装置的总容量应根据列车运行仿真结果和类似线路的数据进行计算确定。

3.1逆变系统容量

低压逆变系统回馈的电能一部分供车站内动力照明负荷使用，另一部分通过配电变压器回馈至35 kV中压网络。为保证400 V电网的可靠性及稳定性，逆变系统最大容量不能超过配电变压器的容量。目前，国内产品功率等级主要有650，900，1 200，2 000 kW[5]。具体项目选型时必须结合车站负荷功率和配电变压器容量选择合适的功率。

3.2储能系统容量

储能系统容量配置时需考虑双向DC/DC变换器变压比、需吸收的列车再生能量和最大功率3个约束条件。

(1)双向DC/DC变换器并联在直流供电网中，超级电容向直流网放电时工作在Boost模式，为保证电路工作稳定，将Boost电路升压比限制在3之内[6]，因此，超级电容器最小工作电压为U0>Ue/3。考虑超级电容内阻以及充放电端口电压变化大对超级电容效率的影响[7]，选择最大放电深度为0.5，超级电容器组的额定工作电压Ue=2U0。

(2)根据前述控制策略，车辆再生制动能量优先为邻近车辆吸收，剩余部分制动能量首先被逆变系统吸收，然后由储能系统吸收。因此，储能系统容量满足：

(7)

式中WG为列车回馈至电网的再生能量；k为邻近车辆吸收系数；Winv为逆变系统的吸收容量；ηDC为双向DC/DC变换器效率。

实际工程计算时，将计算所得的单体数量适当向上取整数，弥补因忽略内阻而损耗的能量。

(3)超级电容器组充电时，工作电压为动态且变化范围较大，故超级电容器组充电功率的是动态的，如果超级电容器组采用恒流充电方式，则充电功率为：

(8)

式中U0为超级电容器组的充电初始电压；I为超级电容器组的最大充电电流；C为超级电容器组等效电容；t为超级电容器组充电时间。

由式(8)可知，超级电容器组的功率和电压随时间直线增大，根据列车再生制动能量的特点，超级电容器组采用在充电初期恒流充电而后逐渐减小电流方式，充电峰值功率满足：

(9)

式中PGp为列车回馈至电网再生能量的峰值功率；Pinv为逆变装置额定功率。

3.3实例计算

假设列车再生制动能量和功率采用前面参数，低压逆变系统的额定功率为1 200 kW，双向DC/DC变换器的效率为0.95，超级电容器组额定电压为1 000 V，超级电容器参数如下：额定电容值为3 000 F，额定电压2.7 V，短路电流值为4 800 A，质量为0.55 kg，体积为0.475 dm3。当邻近车辆吸收系数分别为0，20%，40%，60%时，根据式(5)～式(9)计算超级电容器组配置结果见表1。

由表1可以看出，提高邻近车辆吸收系数可显著减少再生制动能量吸收装置的容量，从而减小设备体积和降低成本。

表1　超级电容器组配置结果

4　结束语

电力电子技术的发展使得列车再生制动能量回收系统越来越多样化，混合型再生制动能量吸收方案可有效降低装置研制难度，提高系统可靠性，在保证列车进行正常制动的前提下以较合理的设备投资实现了全部再生电能的回收利用。该方案是解决列车再生制动能量利用问题的一种有益探索，具有良好的工程应用前景。

[1]冯剑冰. 再生制动能量利用方式的探讨[J].城市轨道交通研究，2007，10(5)：46-48.

[2]胡婧娴，林仕立，宋文吉,等. 城市轨道交通储能系统及其应用进展[J]. 储能科学与技术，2014，3(2)：106-116.

[3]林寒.城市轨道交通能量再生储能系统仿真研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[4]陈建君，周才发.再生制动能量吸收装置设置方案研究[J]. 电气化铁道，2011，22(5): 32-35.

[5]北京城建设计院.济南市轨道交通R1线工程初步设计[R].济南，2015.

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[7]Barrade P， Rufer A. Current capability and power density of supercapacitors considerations on energy efficiency[C]. European Conference on Power Electronics and Applications， Toulouse， France， 2003：2-4.

Study on Regenerative Braking Energy Absorption for Urban Rail Vehicle

GONGPizhu

(Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101 Shandong, China)

The regenerative braking characteristics of urban rail vehicles are analyzed, and the energy and power of the regenerative braking are calculated. Based on the present situation of technology development, a hybrid scheme of low voltage inverter feedback and super capacitor energy storage is proposed. The components and functions of the system are described, and the control strategy with a preference to the inverter system absorption is given. In order to absorb all the regenerative braking energy of the train, the capacity allocation method for the hybrid system is proposed, and the practical calculation is carried out. This hybrid scheme not only can absorb all the regenerative braking energy of the train, but also can stabilize the traction network voltage, which has practical significance for reducing construction investment and operation cost.

regenerative braking; inverter feedback; super-capacitor; energy storage; capacity allocation

1008-7842 (2016) 02-0120-04

��)男，工程师(

2015-11-16)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.29