城市轨道交通可再生制动方案

城市轨道交通可再生制动方案

摘要：城市轨道车辆运行具有频繁启动、制动的特点，机车制动能量的可再生利用已成为了城市轨道交通节能的主要方式。本文对比分析了城市轨道交通可再生制动能量吸收的若干方案，重点分析了基于超级电容的储能型和逆变回馈型可再生制动系统的工作原理和典型拓扑结构。最后介绍了储能-逆变回馈复合型制动方案。

关键词：城市轨道交通；可再生制动；双向直流变换器；逆变回馈

Research on Absorb Project of Regenerative Braking in Urban Rail

Transit

Abstract: Frequent start and braking are the main features of urban rail transportation, and theregenerative utility of braking energy has been considered as one of the most important approach to saveenergy of urban rail transit. Some strategies of regenerative braking energy absorbing is analyzed andcompared in the paper. The principle and typical topological structures of regenerative braking systembased on energy storage of super capacitors and feedback inverters are discussed in detail. Finally, thestrategy that combines energy storage and feedback inverter is presented.

Key words: unban rail transit; regenerative braking; bi-directional DC/DC converter; feedback inverter

1. 引言

随着城市化进程的逐渐加快，城市轨道交通发展迅速。中国人口众多，城市人口密度大，因此城市轨道交通作为重要的公共交通工具在中国发展尤其迅猛。城轨车辆主要为电力牵引，电能费用在运营成本中占据了很大的份额，优化电能的利用率是发展城轨交通的重要问题。其中，对车辆制动能量的可再生利用研究是一个重要方向。

相比长途运输轨道列车，城轨车辆有着频繁启动、制动的显著特点，制动过程所消耗的能量是非常可观的，不但浪费了能源，而且耗散的热量对周围环境造成了一定的影响。因此，对城市轨道车辆制动能量吸收利用的研究具有重要的实际意义

2. 城市轨道交通牵引供电系统简介

城市轨道交通的牵引供电系统主要由牵引降压变电所和牵引网组成[1]，其中牵引网包括反馈电线、接触网或接触轨、钢轨、回流线。电能从 10kV ～35kV 交流电压母线经牵引降压变电所降压整流输出 750/1500 直流电，经反馈电线、接触网，流入车辆，为车辆提供动力以及为车辆的辅助电源供电，而产生的电流从钢轨，回流线流回到变电所，形成了完整

的供电回路，如图 1 所示。

图 1 牵引供电系统原理图

由于城市轨道列车的编组一般较短，运输功率不是很大，而且其供电半径也不大，供电电压不需要太高，而且直流电与交流电相比，不需要考虑电抗压降，因此，城市轨道交通的供电采用直流制供电。我国国家标准《地铁直流牵引供电系统》（GBB10411-89）和《城市无轨电车和有轨电车供电系统》（CJ/T1-19999）建议我国城市地铁、轻轨线路牵引电压制式采用 750V//1500V 两种，其电压波动范围分别为 5000V-900V 。高电压可以增大供电范围，减少牵引变电所数量，同时还可以提高供电电压质量。当然高电压供电对输电及电机设备的绝缘水平要求较高。

直流牵引变电所的主要功能是降压和整流，即将交流电线降压在整流成直流电供机车使用。为了减小输出直流电的纹波，提高直流电的质量，整流器多采用多脉波整流方式。现在国内新建的线路都采用两个相位相差 15°的十二脉波整流器实现二十四脉波整流，如下图

a ）十二脉波整流电路（b ）二十四脉波整流电路

图 2 牵引变电所整流电路

3. 可再生制动方式分析

目前，城市轨道交通主要采用 VVVF 动车组列车，其制动一般为电制动和空气制动相结合。在制动过程初期，列车速度较快，采用电制动（电阻制动和再生制动），而当速度减小到电制动不起作用时，则利用空气闸瓦制动方式，将剩余的机械能通过机械摩擦转化为热能。

这种制动方式虽然现在被普遍使用，但其存在明显的弊端：1、再生制动产生的能量直接馈到直流母线上，当电能无法被相邻列车吸收时，会导致母线电压升高，会对牵引变压设备造成冲击；

2、电阻制动其实质是将制动过程中吸收的电能通过电阻负载转化为热能释放，会造成隧道环境温度升高，甚至需要外加的散热设备，进一步增加了能耗。当前，城轨制动能量再生吸收方案主要耗散型、储能性、逆变能馈型。

3.1. 耗散型再生吸收方案

该方案将直流母线电网多余的能量消耗在电阻负载上，以热能的形式耗散掉，从而维持电网电压的稳定。其中，耗散电阻多装在地面上，从而减轻机车的散热及装载压力。电阻负载在制动过程中会放掉大量热量，会使周围环境温度升高，必要时还需要加装散热设备。虽然这种方案有利于减小机车机械制动装置的磨损，但从能力的利用角度来看，该方案并没有很好的实现能量的可再生利用。其工作原理如图 3 所示。

图 3 耗散型可再生制动原理图

3.2. 储能型再生吸收方案

储能方案主要是经过变换器将直流母线中多余的再生制动能量吸收并存储在储能设备中。常用的储能方式主要有电池储能、飞轮储能、电容储能，对集中储能方式对比如下：

表 1 几种储能方式比较

有上表可以看出，超级电容功率密度高、效率高、寿命长，相比前两种储能方式具有明显的优势。飞轮储能需要设置体积庞大的飞轮机械装置作为储能设备，应用较少。电池储能需要对电池频繁的进行充放电，会降低电池寿命，而且电池容量有限，储能有限。当然无论是哪种储能对储能设别的容量要求都是很高的。

电容储能方案的原理图如下：

图 4 电容储能方案原理图

超级电容器（UUltra-capacitor ）作为一种新型的储能元件，超级电容器具有如下优点：能量密度大、功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、充放电速度快等。但对于城轨交通这种高压大

功率的应用场合，其仍存在若干缺点，如：

1）超级电容的耐压低，需要多个电容串联方可适应高电压的工况，在城轨机车制动能量吸收的应用中，需要多电容并联来满足大容量的需要，但电容本身并没有自动均流均压的功能，所以不能够无限制的进行串并联。

2）超级电容端电压波动较大。在充放电过程中，端电压会不断的上升或下降。

因此，我们需要根据不同的应用计算出不同的电容组储能容量，进而确定电容组的串并联方案。由于电容端电压波动较大而且单个电容耐压低，在实际应用中，不能直接将储能电容直接为车辆供电的直流母线相连，否则波动的电压会对电网电压造成干扰而且直流母线电压较高，要求多电容串联，均压问题突出，电容组稳定性下降。因此，需要在直流母线和电容组间增加 DC-DC 变换器。

电容组需要在直流电网电能过剩（直流母线电压过高）的时候，吸收电能；在直流母线电压较低（多为启动过程）时，释放电能。因此，变换器应具有双向变换功能。

关于双向变换器拓扑结构的选择，我们可以选择隔离型和非隔离型，但由于多组电容间不需要相互隔离，而且非隔离性变换器没有磁损等附加损耗，效率较高，故选择非隔离性变换器。现有的实现方案中多为bucck/boost 拓扑结构，如图 5。

图 5 buck/booost双向变换器拓扑结构图

双向 DC —DC 变换器问题主要工作在 3 个状态：列车牵引或加速时，变换器等效为升压斩波器，超级电容中的能量释放给中间电容，经逆变器提供给牵引电机；列车运行时，变换器停止工作，处于备用保持状态；列车制动或减速时，牵引电机向直流电网反馈能量，使线网电压抬高，变换器动作，等效为降压斩波器，把电网上的多余能量传递给超级电容。通过以上 3 个状态的切换，即可使直流电网电压避免大范围波动，改善供电质量，同时将机车制动能量再生利用，节约电能。

为了更好的实现大功率变流，我们可以考虑采用多通道并联的 buck/boostt拓扑，如下图

图 6 多通道并联 buck/booost双向变换器

多通道并联结构可以对电流进行分流，降低开关管的电流额定值，提高开关的动态性能，降低损耗。

3.3. 逆变回馈方案

采用大功率晶闸管三相逆变器，直流侧与牵引变电所直流母线相连，交流侧与交流母线相连，当再生制动使直流母线的电压超过设定值时，逆变器启动将多于的制动能量回馈到电网中。

图 7 逆变回馈吸收方式原理图

再生制动能量回馈可以通过晶闸管有源逆变、PWM 逆变和脉宽调制可逆整流三种方式实现。

3.3.1. 晶闸管有源逆变

晶闸管为半控器件，通流能力强，适合于高功率工况，而且其驱动电路和保护电路都比较简单，价格低廉，不过由于其为电流驱动，所以开关损耗较大。而且，该方案对电网电压、电流波形产生畸变影响，并且使功率因数降低，增加了谐波和无功治理成本。

3.3.2. PWM( Pulse Width Modulation)逆变

随着全控型器件的出现和发展，半导体的器件开关频率越来越高，集成度也越来越高，如 GTR 、MOSFET 、、IGBT 采用高频开关器件实现的变换器具有谐波含量小、控制方法灵活并且动态性能好等优点。基于 PWM 并网逆变器的再生制动能量吸收方案基本原理如下图所示。

图 8 PWMM 并网逆变器的再生制动能量吸收方案原理图

这种方案不但可以在机车再生制动时稳定直流测电网，而且与晶闸管有源逆变相比，还有如下优点：

1) 交流电网侧采用电感滤波，并且交流电流谐波含量小，电压、电流畸变小，对电网的谐波污染小；

2) 入网功率因数高，并且不因回馈功率变化而变化；

3) 开关频率比较高，动态性能好，滤波更容易，滤波装置的体积可以设计的更小；

3.3.3. PWM 可逆整流器

由于牵引变电所中的整流器不允许电能反向传输，所以当直流母线中的能量超过总负载所消耗的能量时，电网电压会升高，会对与电网连接的设备造成冲击，因此需要将多余的能量吸收掉。

PWMM 可逆整流器允许能量双向流动，能够使电网电压在设定范围内维持稳定。 常见的 PWM 整流电路结构与并网逆变器结构相同，其工作原理如图 1. 111 所示。采用 PWM 可逆整流器的牵引变流所除了具有输入高功率因数、低谐波含量、动态响应快以及可以吸收再生制动能量以外，与其它能馈式方案相比，在车辆加速启动时还可以调节直流电网电压，提高车辆电机的调速运行性能，另外还可增加牵引变流器的供电区间，减少变电所的数量。

图 9 PWWM 可逆整流再生制动能量吸收工作原理示意

由于这种直流牵引变电所自身具有能馈能力，不需要增加附加的逆变能馈装置，可以节约运营成本。PPWM 整流器良好的输入输出特性符合城市轨道交通发展的需求，应用前景较为广阔。

3.4. 储能-逆变回馈复合方案

本方案结合了双向直流变换器和并网逆变器。其主要工作于三个状态：

图 10 基本原理图

状态一：地铁列车制动期间，当直流母线电压高于一定值时，断路器 1 和断路器 2 闭合，双向直流变换器运行于 Buck 模式，占空比由零过渡到全导通，将制动能量转为采用超级电容储能；同时，三相变流器工作，以额定功率向电网回馈能量。

状态二：地铁列车非制动期间，断路器 1 开，而断路器 2 闭合，双向直流变换器运行于 Boost 模式；同时，三相变流器工作，以额定功率电网回馈能量，减少超级电容储能，降低电容电压，为下一制动过程做好储能准备。

状态三：地铁列车牵引期间，直流母线电压下降，此时，断路器 1 闭合，而断路器 2 开，双向直流变换器运行于BBoost 模式，超级电容向直流母线提供能量，维持母线电压平衡。

这种方案具有以下特点：在非制动期间，电容能够向电网回馈能量，使并网逆变连续，从而减小对电网的冲击。由于在非制动期间电容放能，电压降低，有利于下次制动过程对能量的吸收，在一定程度上可以减小电容容量。在制动期间，直流母线上的能量可以部分回馈到电网，减小了对储能电容容量的要求。

4. 结论

城市轨道交通中再生制动能量吸收问题的研究具有重要的现实意义。制动能量的可在生利用不但可以节约电能，保护环境，同时可以降低地铁运营成本，促进公共交通的进一步发展。通过对多种方案的研究，可以发现，并网逆变的吸收方式不受储能容量的限制，可以与牵引系统良好结合，是很有潜力的吸收方案。电力电子技术对推动制动能量的可再生利用发挥重要作用，进一步提高变换器的变换性能以及对多种变换器进行组合应用将成为未来再生制动的重要研究方向。

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