列车再生制动

列车再生制动能量回收的方法及分析一、什么是再生制动•再生制动和动力制动(DynamicBraking)原理接近，较为简单的动力制动是把电动机转成发电机使用，把车辆的动能转换成电能。动力制动通常只会把产生的电，经过电阻转成无用的热放走。而再生制动则会把制动时的动能转变为电能，回馈接触网，这样电力将被储存起来或透过电网送走，从而实现制动，而转移的能量可以再生循环使用。使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动，以提供快速、强力的制动。一般的再生制动只会把约百分之三十的动能再生使用，其余的动能还是成为热。具体效率要根据不同的使用环境而有所不同。再生制动在电气化铁路列车，及电力或电、油混合动力汽车上应用较为广泛。电动列车通常是把产生的电力输回电网，而道路车辆则可能把电力存储在飞轮、电池或电容器之内。二、几种再生制动方式•1.常规再生制动•将牵引电机产生的电能通过变流器变成直流电反馈给直流电网，供给其他列车使用。所以这种再生制动也叫做反馈制动。•经过调研，在目前国内外的城市轨道车辆中，绝大多数都是采用这种再生制动方式。这种方式不需要在额外的增加设备，因为目前的城市轨道车辆的主变流器大都采用技术十分成熟的逆变器，这种变流器可以在四个象限运行，即正向牵引，正向制动，逆向牵引，逆向制动。其工况间转换十分的简单、可靠。所以，这种再生制动方式在绝大多数城市轨道车辆上得到广泛的应用。但是这种制动方式也有其致命的弱点，那就是其利用率很低。2.能馈式牵引供电变流技术城市轨道交通车辆再生动能量具有幅值高、时间短的特点,功率冲击较大。再生制动能量处理问题产生的根本原因是城市轨道交通供电系统采用了不可逆的整流电路,利用一种新型能馈式轨道交通牵引供电变流方案,采用双向阶梯波合成变流器实现城市轨道交通系统的供电与再生制动能量回馈。阶梯波合成变流器具有开关频率低、开关损耗小、电磁兼容性好、输入谐波少、总谐波含量低、滤波器体积小等优点,特别适合城市轨道交通系统的大功率能馈供电。•3.超级电容储能再生制动技术•其次随着储能装置技术的不断发展,大能量密和功率密度的储能装置不断涌现,这就为解决再生制动问题开辟了一条蹊径。可将新型储能装置——超级电容器应用在城市轨道车辆电器制动系统中,以超级电容器为储能元件,实现能再生制动的方法应用于实际。采用IGBT为开关元件设计了超级电容储能再生制动的主电路,以80C196单片机为核心,设计储能再生制动系统的控制电路、保护电路构,对储能再生•制动的控制可以达到很高的精度,可以使得城市轨道车辆在常用工况下均能实现再生制动。再生制动的原理CRH2型动车组制动控制系统原理图•以已经投入运行的北京地铁5号线为例简单说明超级电容储能的应用。•当具有再生制动能力的车辆在变电站能量存储系统附近释放能量时，牵引网网压上升，能量存储系统的调节器可探测到这种情况，并将牵引网系统中暂时多余的能量存储到电容器中，使牵引网网压保持在限定范围内。若车辆在变电站能量存储系统附近起动或加速，牵引网网压下降，此时，能量存储系统的调节器将能量从存储系统输送回牵引网系统中，保持牵引网网压稳定。在直流牵引网的空载状态下，能量存储系统从牵引系统吸收一部分能量，通过这种方式可以帮助车辆起动。•储能系统的基本工作原理如下：+SlAl—Sl为隔离开关，维护设备时，可将系统从干线牵引网隔离开来。并可使用+SlA2—Q0断路器隔离系统。+SlA2—QO断路器发生故障导致短路时，熔断器+S1Fl将熔断。充电时，与+SlA2—QO断路器并联的预充电路(+S1A1—Fl、+S1Al—K1和+S1A1—Rl和)将对间接电容器(Czk)进行“软”预充，避免充电冲击电流太大损坏设备。间接电容器为一组直流滤波电容器。牵引网产生瞬变电压时，+S3—L1滤波电抗器将保护能量存储系统。此外，该电抗器将牵引网和变流单元的谐波电流有效地分隔开来。+S3—Gl、+S3—G2是变流单元的2个变流器模块(图2)，每个变流器模块分别包括2条变流器分路，共4条变流器分路对能量的总量及流向进行调节控制。+S3—Fl、+S3—F2、+S3—F3，+S3—F4为带熔断器的手动隔离开关，+S4—L1、+S4—L2、+S4—L3、+S4—L4为平波电抗器。进行设备维修时将系统从牵引网隔离出来以后，使用由+S3—V1和S9—R1组成的放电支路对能量存储系统进行放电。+S5—E1……+S8—E8为储能双层电容器。双层电容器特点：高动态充电容量，具有频繁充放电能力，免维护，高效率，可分级控制储能容量。•该系统的应用具有明显优势：能量存储系统先进、高性能的控制回路，在实时检测到牵引网的网压波动达到设定的条件后，能够快速地启动充放电装置，对牵引网进行充、放电；而同时由于采用了能够快速进行充放电的双层电容器，整套装置能够对牵引网的电能变化做出及时反应，从而改善牵引网供电质量，满足车辆起动和制动需要。但是造价昂贵，相信不久的将来再生电能吸收技术能在地铁领域得到大面积应用，成为轨道交通牵引供电技术发展的方向。其次是逆变装置以及相关技术•采用如图1所示原理图。虚线框中的部分即所提出的再生制动能量回馈系统，从主接线上看，该系统与牵引供电支路并列布置在交流中压电网和直流牵引母线之间。系统包含1台多重化变压器以及多个四象限PWM变流器模块，整套装置与传统的二极管整流机组并列布置。系统的多重化变压器一次侧通过高压开关柜QFac与交流中压电网相连，其低压侧每套绕组都与一个四象限变流器模块交流侧相连，四象限变流直流侧则并联在一起后通过直流开关柜QFdc和负极柜QCdc与直流牵引母线相连。•系统检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛值时，进入回馈模式。此时装置将多余的再生制动能量通过各重IGBT变流器以及多重化变压器回馈到交流中压电网，此时装置内能量的流动方向是从牵引直流母线流向交流中压电网，且交流中压电网侧的功率因数接近-1。•针对目前城轨供电系统再生制动能量回馈的几个问题，该方案提出了基于多重化四象限变流器的制动能量回馈系统。仿真和样机试制表明，该系统可以在满足电网兼容性要求的前提下实现制动能量回馈至中压电网的功能，加之所述系统与现有牵引供电系统并列连接，并与中压交流电网和直流牵引网之间相互间兼容性好，有着较大实际意义和推广价值。由上述分析可知：•电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸收装置主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组或飞轮电机中，当供电区间内有列车起动或加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。该类吸收装置的电气系统主要包括储能电容器组或飞轮电机、IGBT斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等。该装置充分利用了列车再生制动能量，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量。•其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，因此应用实例较少。列车实施再生制动必须满足以下两个条件：（1）再生反馈电压必须高于直流牵引电网电压。（2）再生制动能量可被本列车的辅助设备吸收利用，也可提供相邻列车使用。