姚永高 梁焜

重庆市轨道交通（集团）有限公司 重庆 400064

1 城市轨道交通供电系统的结构

轨道交通供电系统是城市轨道交通必不可少的，是城市轨道交通正常运行的动力保障，主要向地铁机车牵引供电系统传送电能，同时给动力照明系统供电，包括车站、车辆段、区间、控制中心、停车场等设施。跟据系统的不同功能，城市轨道交通供电系统主要是由：外部交流电源、主变电所、直流牵引供电系统、动力照明系统、电力监控系统等几个不同功能系统构成。为了保证地铁的正常运营，城市轨道交通供电系统不仅要具备可靠性、安全性、适用性、经济性、先进性等基本性能，还应具有调度方便、经济适用的特点。

2 城市轨道交通再生制动方式分析

目前，城市轨道交通列车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，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。

2.1 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，特别是低下车站，空间比较狭窄，还需要加装大功率散热设备。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[1]。

2.2 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、电容储能以及集中储能。

2.3 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。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。

2.3 .1混合型逆变装置

混合型逆变装置是将耗散型再生吸收方案和逆变回馈方案相结合的逆变模式，该装置分为两大部分，一是电阻吸收部分，主要由控制系统、斩波系统、电阻柜组成；二是再生逆变部分，主要由逆变柜、隔离变组成。

当1500V电网电压升高时，混合型逆变装置首先通过逆变系统将电能逆变至400V母线并通过站内设备进行利用消耗，当逆变功率饱和电网电压仍无法下降时，多余的电能则通过电阻吸收转换为热能进行消耗[2]。

混合型逆变装置虽然相比耗散型吸收装置来看，由节约电力资源的效果，但回收利用率并不完美，仍有部分电能通过电阻吸收损耗。该装置逆变部分和电阻吸收部分可独立运行，任何一部分故障后仍可保障系统电网电压的稳定，稳定性相对较高。

2.3 .2中压能馈型逆变装置

随着社会的进步，对环保和节能的要求越来越高，因此轨道交通再生制动吸收方案中，对节能的效果也越来越看中，中压能馈型逆变装置相比混合型逆变装置来看，它抛弃了电阻吸收部分，只保留逆变部分，从而达到电能有效回收和利用效果。

中压能馈型逆变装置是将列车制动产生的直流电能逆变成与交流电网同幅值、同相位的交流电能。它的直流侧与牵引变电所的1500V直流母线相连，交流侧与中压环网相连。当1500V系统电压升高至整定值时，逆变系统启动，将直流电能逆变为同幅值、同相位的交流电能，并输送至中压环网系统中供各车站设备使用。

中压能馈型逆变装置主要由控制系统、逆变系统和升压变压器组成，其逆变功率可根据实际运营数据进行配置独立逆变模块，每个模块可独立运行，故障后可随时退出，互不影响，因此可靠性相对较高，但控制系统故障后可能导致整个逆变装置退出运行。

中压能馈型逆变装置相较混合型逆变装置来看，其电能回收率较高，节能效果较好，但须合理配置逆变功率避免向电网反送电情况，从系统稳定性来看，各逆变模块独立运行，安全性较高，但控制系统未实现冗余配置，故障后将导致整所逆变系统退出运行，因此须加强维护管理，配置足够备件[3]。

2.4 超级电容型再生制动吸收装置

超级电容型再生制动吸收装置相对逆变装置来说工作方式差别较大，其工作原理是当列车制动产生的直流电能导致1500V系统电压升高至整定值时，该装置通过电容阵列将电能存储起来，当附近有列车启动或者列车加速导致电网电压下降时，该装置释放电能供列车使用，在一定程度上实现了稳定网压的作用，也可降电能输送至车站设备使用。

超级电容是近年内逐步兴起的新型储能元件，通过实践证明，它具有使用容量大、寿命长、充放电速度快、无污染等优势，近年来也逐步应用到轨道交通再生制动领域中，其主要结构包括控制系统、变流器、超级电容阵列，目前超级电容的配置采用模块化设计，便于维护，灵活扩容、故障处理便捷。

在再生能源吸收能功能上看，相较以上几种方案，节能效果均优于耗散型和混合型系统，从电能质量上来看，不会对交流侧电能质量造成影响。除了可吸收再生制动能量以外，还可补偿牵引时所需的能量。

总之，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，在配置轨道交通再生制动系统吸收方案时，可根据环境、空间、地理位置、投资情况以及运营的需要选择合适的吸收方案。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，进一步提高电能利用率、保障运营稳定安全等方面还需更深入研究。