地铁车辆再生制动能量利用方案

地铁车辆再生制动能量利用方案摘要：目前，节能减排已成为我国的基本国策，建设低碳型交通基础设施、推广应用低碳型交通运输装备是城市轨道交通建设者责任。地铁由于站间距比较短，制动频繁、列车起动，考虑各钟车型、站距、编组、发车间隔等差异，列车电制动时产生的再生能量可达到牵引能量的40%以上。充分利用列车再生能量将节约大量能量，产生效益可观，为节能减排做出贡献。西安市地铁已经运营1、2号线，在建3、4、5、6号线，如何在保证线路运行安全的前提下，提高供电水平，同时为城市节能减排做出贡献，是我们必须考虑的问题。关键词：轨道交通；列车制动；能量回馈1传统列车车载制动电阻方案存在的问题目前国内外城市轨道交通动车组列车均采用VVVF牵引/制动系统，采用交流电机驱动列车，制动系统普遍采用空气制动和电制动混合的形式。列车在运行时，牵引系统将电能转为机械能，使机车启动加速；在制动时，一部分采用电制动，将机械能转为电能使列车制动，另一部分采用空气制动，通过刹车闸瓦与车轮踏面摩擦而产生制动使列车减速。传统列车上设置了车载制动电阻。当列车制动时，首先采用再生制动方式，列车电机从电动机状态转换为发电机状态，将机械能转换为电能返回到牵引网系统，返回到牵引网系统的能量部分被相邻列车吸收，由于线路的行车密度等多种因素，很大部分能量不能被回馈，此时大量电能量得不到释放，将会使系统供电网电压急剧上升，为此列车上设置了制动电阻，将这部分能量通过电阻变成热能吸收，稳定系统电压。电阻所转化的热能，车站环控专业通过隧道活塞风、车站轨顶排风和车站轨底排风，将热量排出车站外。车载制动电阻使用虽然方便，但也有缺点：（1）列车制动电阻吸收再生制动能量转换为热能白白消耗了，没有起到节能减排作用。（2）列车制动电阻吸收再生制动能量转换为热能散于隧道内，虽然部分可以通过隧道活塞风排出隧道，但还有部分遗留在隧道，这部分热量使隧道温升逐步上升；（3）列车制动电阻重量大，列车运行时，不仅没有节能，还增加列车牵引能耗。（4）制动电阻体积大，而且考虑制动电阻散热需在列车上安装通风设备，这样会使列车底部其他设备安装布局困难；（5）制动电阻发热会对车体底板形成烘烤效应，有引发火灾危险。（6）列车采用车空气制动，增加闸瓦的损耗，加大车辆维修工作量，提高了运营成本，摩擦闸瓦产生大量金属粉尘，造成环境污染。2国内外现状在国外城市轨道交通运输系统中，再生制动能量吸收技术发展历程主要有车载电阻耗能式、逆变回馈式、超级电容储能式以及飞轮储能式吸收等。其中最先发展的车载电阻耗能式因其可靠、结构简单等优点应用最为广泛，相对较少的是能量回馈式和能量存储式的应用。国外轨道交通研究制动能量吸收技术较早，已有成熟产品，而国内在这方面的研究刚起步，使用车载电阻耗能式较多，不能够很好的把再生制动能量充分利用起来。图12.1车载电阻耗能型吸收在国外的城市轨道交通运输系统中，已经投入运营的再生制动能量吸收装置几乎95%以上是采用车载电阻耗能技术，国内目前大部分地铁线路车辆也是采用该技术。该方式的优点是控制简单，制动力稳定，是比较成熟的技术。2.2地面式电阻耗能型吸收对于地面式电阻耗能吸收装置的设置，国内外均有应用。该技术主要是采用多相IGBT斩波器和电阻配合的恒压吸收原理，通过调节斩波器的导通比使再生制动时母线直流电压的变化状态，达到改变吸收功率，使直流电压稳定在一定值的范围内，使吸收电阻消耗掉再生制动能量。系统根据对直流母线电压的变化情况来确认相关车辆正进行再生制动，并调节斩波器的吸收电流与列车的制动回馈电流相匹配，最大限度利用列车的电制动力，减少列车空气制动的投入并降低钢轨磨耗。利用该技术的再生能量吸收装置一般放置在地下变电所内，单独放置电阻，较易采取相关措施对电阻实施通风散热，有效的防止了火灾的发生。减少了车辆的维修工作量，消除因车载电阻最高温度隔离不当引发的火灾隐患，提高运营安全性。另外，采用该技术的再生能量吸收装置一般集中布置在牵引站，减小了列车自重和体量，便于列车电器布置，提高车辆载荷能力。其缺点是不能对再生电能进行回收利用。另外电阻放置困难，尤其是在市区线路，北京地铁10号线设置在地面以上，占地约50平方米，征地困难。2.3逆变回馈式该技术主要采用IGBT等大功率电力电子器件构成三相逆变器。将逆变器的直流侧与牵引电网直流母线直接相联，其输出连接到变电所的中压或低压母线。当再生制动使牵引网直流电压超过定值时，逆变器投入启动并从直流母线吸流，将吸收电能逆变成工频交流电回馈至地铁供电系统交流电网中。逆变回馈型吸收装置充分利用了城轨内部交流电网（一般为35kV，北京为10kV）的负载容量，可实现列车再生制动电能的全吸收。除要求逆变器具备足够功率并能保证回馈电能质量外，无其他特殊要求，其逆变技术本身已相当成熟。但由于列车制动再生能量为冲击性负荷，而且能量较大，一般达到2MW～4MW以上，持续时间一般不超过30S，如此大的浪涌负荷将对35kV交流电网造成一定程度的冲击，目前各地供电局对此类设备的接受程度有待观察。2.4飞轮储能型吸收采用的是真空环境和特殊轴类制造技术，可在相关技术文件上查到，因其使用寿命难以满足要求，维护维修不便，国内外应用实例少，不建议推广使用。2.5超级电容储能型吸收电容储能型吸收技术是采用超级电容作为储能元件，设置直流双向变流器作储能和回馈的功率控制转换。在列车制动时将能量储存在超级电容中，在列车牵引时将储存的电能回送至牵引直流电网，保持牵引直流电网的稳定。超级电容是一种新型的储能元件，其利用电极和电解液之间形成的界面双电层电容来存储能量，其充放电不需要能量转换，直接以电势能的形式储存。超级电容具有容量大（可达几千法拉）、充放电寿命长（可达100万次）、可承受充放电电流大（可达千安以上）、充电迅速（可在数十秒到数分钟内快速充）、大电流能量循环效率≥90%等优点。相比于其它储能方式，超级电容更适合于再生制动能量的存储。