陈建君，周才发

0 前言

传统的城市轨道交通车辆再生制动能量吸收装置分散安装在各动车上，采用电阻吸收装置，即车载制动电阻。根据经验，城市轨道交通列车再生制动产生的能量一般为其牵引能量的20%～40%，该再生制动能量除了按一定比例（一般为 20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分主要被车载制动电阻吸收，这将导致区间隧道和车站站台内的温度升高，增加环控系统负担，造成大量的能源浪费并使工程的建设费用和运行费用增加。同时，由于车载制动电阻的数量较多，也增加了列车自重和投资。

另外，由于列车技术要求越来越高，导致车上电气布局紧张，因而车载电阻的热量散发容易对列车的安全运营造成一定影响；车载电阻方式对闸瓦的消耗也高于再生制动能量吸收装置设置在车体外的方式，这使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，污染环境。

为减少车载设备、降低隧道内温升、节约能源消耗、节省长期运行费用，将再生制动能量吸收装置设置在车体外显得尤为重要。

目前，再生制动能量吸收装置设置在车体外的多种方案开始在国内外城市轨道交通工程中使用，国内如重庆轻轨、天津地铁1号线、广州地铁4号线等，国外如日本多摩、东京、大阪轻轨和地铁线路，加拿大多伦多轻轨，意大利米兰地铁3号线等。

1 再生制动能量吸收装置方案介绍

目前，设置在车体外的再生制动能量吸收装置主要有5种形式：电阻吸收型、电容储能型、飞轮储能型、逆变吸收型和逆变-电阻组合吸收型。

（1）电阻吸收型。电阻吸收型主要采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。该装置的电气系统主要包括IGBT斩波器、吸收电阻、续流二极管、滤波装置（滤波电容和滤波电抗器）、电动隔离开关、避雷器、电磁接触器、传感器和微机控制单元等。电网电压变化由电压传感器 SV1检测，牵引、制动工况的信号由母线电流信号SA10、SA11及电压信号SV2及SV1传感器检测，送给微机控制系统HXMXZ，由微机控制系统HXMXZ综合判断得出牵引或制动状况。其原理如图1所示。

制动能量消耗在吸收电阻上产生的热能可以采用风冷，将热量排出洞外，也可以采用水冷，用循环水进行冷却，热水可以作为其他用途，但要解决好绝缘问题。

图1 电阻吸收型装置原理示意图

目前，国内湘潭市恒信电气有限公司已研制出电阻耗能型再生制动能量吸收装置，并已在重庆轻轨较新线、天津地铁1号线、北京首都机场线、广州地铁四号线工程中实施，目前运行效果良好。

（2）电容储能型。电容储能型主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去进行再利用。该装置具有储能（储存车辆再生电能）和稳压（稳定牵引网电压）2种工作模式，并可以自动切换。

该装置的电气系统主要包括储能电容器组、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，其原理如图2所示。

图2 电容储能型装置原理示意图

吸收装置的启动过程：启动时，先由电站室远程控制使控制电源合上，“综合自动化系统”发出“启动”命令给快开“S1”的合闸回路，然后合上快速断路器（S1），此时完成吸收装置投入工作前的准备。一旦列车处于再生制动状态并使电网电压抬高时，吸收电容开始吸收该部分能量，电容器所蓄电能为A=(1/2)×CUC2，电容吸收的电流与电容量、电压增量有关，I=C×du/dt。当车辆再生制动完成后，吸收电容上的电能必须通过直流电网或其他耗电设备将其能量释放掉，否则下一周期吸收电容无法吸收再生能量。

欧洲的法兰克福和马德里的轨道交通以及北京地铁5号线都配置了该类装置。

（3）飞轮储能型。飞轮储能型是利用飞轮的惯量将能量储存起来。它通过对变电所直流空载电压、母线电压的跟踪判断，确定是否有列车在再生制动且再生制动电能不能完全被本车辅助设备和相邻车辆吸收。当判断变电所附近列车有再生制动电能需要吸收时，飞轮加速转动，将电能转换成动能储存；当判断变电所附近有列车启动牵引用电时，飞轮转速降低，飞轮吸收系统将飞轮电机转换成发电机运行，把储存的惯性动能转成电能反馈至电网。该方式由于一个飞轮在一个制动时间内只能吸收200 kW的电能，如果要吸收近2 000 kW的电能，则所需飞轮将为10组，造成投资较大，该装置除具有电能吸收功能外还具有稳压功能，通过设置运行状态，可在牵引网电压较高时吸收电能、在电压较低时释放电能，稳定电压。

该装置的电气系统主要包括储能飞轮电机、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。该装置直接接在变电所正负母线或牵引网和回流轨间，其核心技术是利用核物理工业的物质分离衍生技术制造飞轮，该装置设置在真空壳体内，飞轮经过特殊材料和加工工艺制成的轴支撑在底部结构上，其原理如图3所示。

图3 飞轮储能型装置原理示意图

目前，只有英国UPI公司有成熟的飞轮储能型装置产品，并在英国、香港电力系统、纽约部分地铁、香港巴士公司有应用。德国西门子公司曾研制过该类装置，但因飞轮关键技术不过关，寿命评估很低，目前已停止生产。国内某大学实验室也曾研制出类似的小功率产品，但飞轮的寿命和转速、功率均无法满足工程应用需要。

（4）逆变吸收型。逆变吸收装置则是利用电力电子器件构成逆变器，将直流电逆变成工频交流电馈送交流电网。由于该交流电谐波分量较大，所以必须设置谐波抑制器和功率补偿器，为了平衡再生制动时反馈到交流网的浪涌电流，交流电站需要设置电网分配自动平衡装置。为了减小高次谐波对供电电网的污染，由车辆再生制动时的直流电逆变成工频交流电不是直接馈送至10（35）kV供电电网，而是逆变成380 V交流电与车站内380 V电网并网，消耗在站内电梯、通风、照明等用电设施上。当车辆再生制动经判断由吸收设备吸收其能量时，通过电子并网装置与站内380 V电网并网；当车辆再生制动完毕，通过电子并网装置与站内380 V电网自动切除。为了确保吸收效果，再生制动逆变吸收装置不是设置在牵引变电所，而是在每个车站设置一套，车辆再生制动时的能量由最近的一套吸收装置吸收。逆变吸收装置原理如图4。

图4 逆变吸收型装置原理示意图

该产品在日本轨道交通中应用较多，日本日立和德国西门子公司均有生产该产品的业绩。目前，国内厂家正在开发研制，但还没有成熟产品，国内城市轨道交通尚无应用业绩。

（5）逆变-电阻组合吸收型。逆变-电阻组合型装置由IGBT斩波器、吸收电阻、续流二极管、滤波装置（滤波电容和滤波电抗器）、电动隔离开关、避雷器、电磁接触器、传感器、晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流电压变换器和微机控制单元等构成，其直流侧与接触网相连，交流侧与车站低压配电系统（0.4 kV）相连。

电路由3部分组成，开关及滤波环节、电阻吸收单元、逆变吸收单元；用电设备为各车站380 V系统用电装置。

微机控制系统根据电网电压的大小来判断吸收装置是否工作。微机控制系统首先合上 KM2、KM4充电接触器，给滤波电容充电，然后合上线路接触器（KM1、KM3），完成吸收装置投入工作前的准备。此后微机控制系统将自动测定线网空载电压值和吸收电压值，或接收人工功率限制档位信号，根据各个传感器检测信号综合判断线网上是否有列车处于再生电制动状态。一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，系统设置了二级判断基准值，当电网电压升到第一级判断电压时，系统首先投入逆变吸收，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至车站低压配电系统（0.4 kV），再生能量消耗在用电设备上，实现节能运行。一旦逆变吸收消耗不了该能量，将引起电网电压进一步的上升，当电网电压升到第二级判断电压时，电阻斩波器立即投入工作，电阻吸收装置将再生制动能量消耗，稳定电网电压不再上升，确保列车充分有效利用电制动。该装置原理如图5。

图5 逆变-电阻组合吸收型装置原理示意图

目前国内有些公司已研制出逆变-电阻组合吸收型装置，并分别通过了铁道科学研究院主持的产品型式试验和挂网与车辆的配合试验。目前已有2套装置分别安装在北京地铁车辆厂和天津地铁 1号线进行运营考核。

2 技术经济综合比较分析

（1）电阻吸收型装置。该装置是目前国内外普遍采用的吸收装置，已经成功地应用在运营线上，其价格在几种方案中最低（价格为 150万元/套左右）。其功率组合方便、控制简单、工作可靠、维护维修方便、使用寿命较长、应用成熟；采用斩波调阻控制系统实现对接触网电压的恒压调节，可以有效控制列车再生制动时可能引起的过电压，特别适用于间隙工作的情形。但再生制动能量在吸收电阻上集中发热，需要相应的通风动力装置将热能排出，再生电能没有有效利用。从长远的角度看，不能代表再生制动电能吸收方案的技术发展方向。

（2）电容储能型装置。该装置对列车再生制动能量利用率较高，节能效果好，再生制动电能直接在直流牵引系统内转换，对交流系统不会造成影响；该装置为静态电容储能装置，维护和元器件更换较为方便。但由于短时吸收功率大，导致组合电容多、占地面积大。电容频繁处于充、放电状况，电容的使用寿命短（一般在5年左右），维护工作量较大，运营成本较高。该产品需要完全进口，设备价格较高（约650万元/套）。该产品只适用于额定电压不大于DC 825 V的牵引系统，目前的产品容量较小，对于运量较大的轨道交通线路，不能满足完全吸收列车再生制动电能的需要。

（3）飞轮储能型装置。该装置同样具有再生制动能量利用率较高，节能效果好，再生电能直接在直流系统内转换，对交流系统不会产生影响的特点。但飞轮装置占地面积大；维护工作复杂、运营成本高；设备价格高（约600万元/套）；该设备需要完全进口，但因为某些原因，目前英国UPI公司已停止向中国大陆推广该产品。

（4）逆变吸收型装置。该装置有利于能源的综合利用，实现了节能。但是目前，该装置国内还处于研制阶段，设备需要完全进口，价格高（约1 100万元/套）；为了抑制谐波率，防止高次谐波对通信、监控等弱电设施的干扰，吸收设备必须配备滤波和谐波抑制装置；为了平衡再生制动时反馈到交流网的浪涌电流，交流电站需要设置电网分配自动平衡装置；为了确保吸收效果，再生制动逆变吸收装置不是设置在牵引变电所，而是在每个车站设置一套，设备投资大。

（5）逆变-电阻组合吸收型装置。该装置控制简单，安全可靠，系统首先满足逆变吸收，在逆变吸收不能完全吸收列车的再生能量时，再投入电阻进行吸收，对再生制动能量进行了较好的利用；该设备的国产技术处于国际先进水平，对后期的运营维护方便，设备价格低（约250万元/套）。

综合比较，在现阶段，逆变-电阻组合吸收型装置从技术的成熟性、经济性、工程可实施性等方面都具有明显优势。加之国内能够生产，给今后的维护维修带来很大的便利，提高了国产化率，同时也带动了国内企业相关技术的发展。所以，现阶段逆变-电阻组合吸收型装置在城市轨道交通工程中值得推荐。

3 结束语

值得注意的是，逆变回馈型装置不需要储能元件，也不需要吸收电阻，直接将列车再生制动直流电能转换为交流电能，由在线设备实施消耗，节能效果显著，实现了列车再生制动能量的综合利用，符合世界节能技术发展趋势。虽然目前国外类似产品价格昂贵，但是笔者相信，随着国内电力电子技术的不断发展，通过科研院校、设计和制造厂商的共同努力，一定会在不远的将来研制成功并运用于工程实践。

[1]湖南恒信电气有限责任公司.HXXS-NB/380V型电阻-逆变混合再生制动吸收装置[R].湘潭，2008.

[2]中铁二院工程集团有限责任公司.南昌地铁1号线供电系统投标文件[G].成都，2009.

[3]中铁二院工程集团有限责任公司.青岛地铁2号线一期工程供电系统投标文件[G].成都，2011.