李国玉

李国玉，工程师，青岛地铁集团有限公司，从事供电专业技术管理和工程建设工作。

介绍了目前城市轨道交通车辆再生制动能量回收利用的几种方法，即电阻耗能型、飞轮储能型、电容储能型和逆变回馈型四种方法，并分析比较了四种系统方案的优缺点及经济效益。重点分析了逆变回馈型再生制动能量回收利用方案。采用逆变回馈型制动能量回收装置，不仅可以回收再利用制动能量而且可以稳定牵引网电压，是未来工程应用的主要方向。

在21 世纪，城市轨道交通将是绿色的节能环保型交通方式。在轨道交通系统中，车辆的能耗占整个系统能耗的50%甚至更多，所以，减少车辆的能耗将符合我国的可持续发展节约型社会，对轨道交通的可持续发展也产生重要影响。

目前，在国内给机车供电的直流接触网大多是采用二极管整流得来的，有12 脉波和24 脉波。当机车制动时，将再生制动的能量回馈到直流牵引网，使直流电网的电位升高；当直流电压大于牵引网的电压时，多余的这些再生制动能量除了被其他相邻的机车吸收使用外，剩余能量主要被车载制动电阻消耗掉，以发热的方式释放出去。因此，再生制动能量不能得到有效的利用。随着电力电子技术的飞速发展，轨道交通机车制动能量的回收方案也有很多种，机车的制动能量可以转换为电能回收再次利用，如果可以从系统设计方面着手，使机车再生制动时的二次电能得到充分利用，则轨道交通系统可以节约非常可观的能源，对城市轨道交通的节发展产生重要影响。

机车制动能量回收利用方法与原理

目前，国内外对机车制动能量的回收方案均有一定的研究，主要的方法有：电阻消耗型、飞轮储能型、电容储能型、逆变回馈型。

电阻消耗型

电阻消耗型再生制动能量回收装置主要元件是IGBT斩波器和吸收电阻，通过它们之间的配合实现恒压吸收，如图1 所示，通过监测直流接触网上电压的变化来实时控制IGBT 斩波器的导通比，从而改变电阻的消耗功率，将直流接触网的电压维持在某一设定的范围内，并将机车制动的能量消耗在吸收电阻上。

飞轮储能型

飞轮储能型吸收装置的主要功能元件是IGBT 斩波器、储能飞轮电机、电动隔离开关、直流快速断路器、控制模块和传感器等。飞轮储能型制动能量吸收装置主要是利用飞轮机旋转的惯性，通过电动机将机车制动的能量转化为飞轮机的动能储存起来。装置通过检测变电所的直流空载电压和接触网母线电压，来判断机车再生制动的能量是否被本车的动力设备或相邻车辆吸收完。如果检测测到变电所还有多余的制动能量，飞轮机将加速旋转，将电能储存为动能；如果检测到附近本机车启动或附近有列车经过，飞轮机将减少转速，又将储存的动能转化为电能释放给直流接触网。装置示意图如图2 所示。

电容储能型

超级电容的应用比较广泛，所以利用超级电容来回收机车的制动能量是可取的，电容储能装置是将多个超级电容元件单体通过串、并联构成一个满足所需容量的电容器组，电容储能装置除了超级电容组之外还有直流快速断路器、双向DC/DC变换电路、控制电路和电压电流传感器等，用来控制电容器组的充、放电，其装置原理图如图3 所示。电容储能装置的工作原理是通过检测电压传感器测量到的直流接触网的电压信号，来决定电容器的充、放电模式，这两种工作模式可以实现自动切换，电容储能装置不仅可以充分回收机车的再生制动能量能，同时还可以稳定牵引网的电压，从而改善接触网供电效果。

逆变回馈型

图1 电阻消耗装置原理图

图3 电容储能型装置示意图

图4 逆变回馈型原理图

逆变回馈型再生制动能量吸收方案采用PWM 逆变器，可以通过将原有的二极管整流电路改为可控硅整流电路，也可以在原有的整流支路两端重新并联一组可控硅整流电路来实现。该装置主要部件有开关柜、隔离变压器、PWM 逆变器。其中，PWM 逆变器主要由电力电子功率模块、滤波器、控制单元等组成。逆变回馈型再生制动能量回收装置的原理图如图4 所示。

逆变回馈方案的比较与选择

电阻消耗型再生制动能量吸收装置是通过IGBT 和电阻的相互配合配合的来实现的，根据机车制动时直流牵引网的电压来调节IGBT 的导通比，将制动能量消耗在电阻上，从而将牵引网电压稳定在一定的范围值内。该装置国内已有比较成熟的产品制造经验，价格较低。但是再生电能不能有效利用，消耗的热能会带来变电所环境温升等问题。

电容储能型再生制动能量吸收装置主要工作原理是通过DC/DC 变换器来控制超级电容器对再生制动能量的吸收，如果在供电区间内有机车启动，则超级电容将其所储存的电能释放到牵引网上，供需要取流的列车利用。从而达到稳定牵引网的电压。该方案节能效果好，更换器件和维护方便。但由于技术国产化程度低，而且国外相关产品价格又较高，体积大，储能量有限，对于运量较大的地铁线路，如果储能电容的容量较小，则列车再生制动能量不能得到完全吸收。

飞轮储能型是利用飞轮机的转动惯量来储存机车的制动能量，节能效果良好，但是国内产品研究较少，达不到应用水平，需要完全进口国外产品，价格比较昂贵。

图5 再生制动能量逆变回馈系统原理框图

逆变回馈型制动能量吸收方案主要采用由IGBT 构成的逆变器，逆变器的交流侧接到整流变压器35kV 或变电所0.4kV 动力照明电网，直流侧接到1500V 直流母线上。这样不仅可以使再生制动能量回收利用，而且稳定了牵引网的电压。随着大功率电力电子技术的发展，研发更高效、可靠的逆变回馈型再生制动能量利用技术已成为热点。因此从节约能源的角度综合考虑，逆变回馈型是未来必然发展的趋势。国内相对有实力的研究机构如许继电气、株洲时代等正在研发大功率逆变装置，其中部分已挂网试验成功，为未来逆变回馈制动能量回收装置产品的生产国产化和工程应用奠定了基础。

逆变回馈型再生制动方案

逆变回馈装置的原理

如图5 所示再生制动能量逆变回馈系统的原理图，主电路主要由整流变压器、隔离变压器、LC 滤波器和PWM型逆变器组成。PWM 型逆变器电路是由六个IGBT 构成，将牵引直流电逆变到交流电侧。因为逆变器采用的是6 脉波逆变，所以输出的交流电中含有大量的谐波成分，因此在交流输出侧设置一个滤波电路进行滤波。当逆变器的某一桥臂发生故障时，为了防止直流侧电流进入交流侧系统，所以在整流器与逆变器之间设置一台隔离变压器，确保直流侧电流不会进入交流侧系统。

当检测到直流母线电压高于设定值时，通过逆变回馈装置将直流电逆变回馈到交流侧，逆变回馈装置可以稳定直流母线电压在某一设定值。

设置逆变回馈装置的原则

机车制动能量的大小与线路条件、行车密度等密切相关，因此设置车辆再生制动能量逆变回馈装置应满足以下两个基本原则：

（1）应能最大程度的吸收机车制动能量，并将其逆变回馈到所连接的供电网络，实现电能的回收利用，保证轨道交通供电系统的节能运行。

（2）衡量该种回收装置的节能效果与投资成本之间关系，不仅达到节能效果同时满足经济性要求。

结语

通过分析，在轨道交通系统中安装车辆制动能量吸收装置是必不可少的，符合我国节约型社会的要求。使用逆变回馈型机车制动能量回收装置，在国产化水平、技术成熟度、经济效益等方面均符合国内轨道交通工程建设运营的发展要求，是未来工程应用的主要方向。机车制动能量吸收装置的设置应根据供电方案、设备投资、车辆形式、行车组织、电费水平等因素进行综合选择，最终选择的设置方案不仅要满足机车牵引制动节能效果好、投资少，而且使运营成本降低，满足经济效益与社会效益并行。