张天彤高民富

（1.郑州铁路职业技术学院，450052，郑州；2.郑州大学机械工程学院，450001，郑州；3.郑州轨道交通有限责任公司，450046，郑州∥第一作者，讲师）

郑州地铁1号线制动电阻选型方案分析

张天彤1，2高民富3

（1.郑州铁路职业技术学院，450052，郑州；2.郑州大学机械工程学院，450001，郑州；3.郑州轨道交通有限责任公司，450046，郑州∥第一作者，讲师）

结合国内外城市轨道交通制动电阻选型的发展趋势对制动电阻几种设置方案进行综合比较分析，最终确定郑州地铁1号线采用电阻+逆变型（回馈中压）地面化方案。该方案可将车辆制动时产生的电能有效转化利用，将本应被消耗的能量最大限度地实现回馈，达到节能减排的目标，为后续线路建设及其他城市的城市轨道交通建设提供了有益的参考。

再生制动；能量吸收；逆变回馈

First-author'saddressZhengzhou Railway Vocational and Technical College，450052，Zhengzhou，China

城市轨道交通具有站间距短、行车密度高等特点，在频繁起动与制动的过程中会产生数量可观的制动能量。当车辆发生再生制动时，产生的制动能量通过牵引电机转换为电能，并通过牵引整流逆变单元传输到接触网中，其中大部分能量通过接触网被其他列车所吸收，很小的一部分用于自身的供能。在网压较低、电流较大、无再生变电所的直流牵引网中，一般仅有30%～50%的制动能量得到利用［1］。剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收，将导致地铁直流电网电压大幅度升高，会威胁牵引电网及列车行车安全［2］。

目前，国内外开通地铁运营线路的制动电阻大多采用车载制动电阻方式，也有部分城市的线路制动电阻直接挂接在牵引变电所直流母线而安装到地面上［2］。在制动电阻地面化设置上存在几种方式，包括电阻耗能型、电阻+逆变型、电容储能型、飞轮储能型及双向可控型等，已有许多研究机构针对这个问题开展相关的研究，并取得了实质性的进展和进入商业化应用的研究成果。

郑州地铁1号线分一期工程和二期工程，其中一期工程均为地下线，全长约26.2 km，设20座车站，计划于2013年12月全线通车运营。车辆采用中国南车株洲电力机车有限公司生产的B型车，4M2T，6辆编组。制动方式采用再生制动为主、空气制动为辅，空气制动为德国克诺尔生产的主流产品EP2002系统，而再生制动具体方式即制动电阻的选择则对车辆、沿线设备的确定有相当关键作用，尤其该线路为郑州市规划建设的第一条地铁线路，如何进行制动电阻选型对其他规划线路有着十分重要的示范意义。

1 制动电阻设置方案

1.1 常规车载电阻方案（方案一）

常规车载制动电阻均匀分散悬挂于动车车底架下。当采用再生制动时，转化的电能若未被其他运行列车吸收，则导致直流母线电压升高，当网压升至上限时，牵引系统启动制动斩波器，将过量电能消耗在车载制动电阻上。目前国内已开通地铁线路大多采用该方式，如图1所示。

1.2 制动电阻地面化方案（方案二）

即将制动电阻从车上转移到地面，如图2所示。当采用再生制动时，转化的电能若未被其他运行列车吸收，则导致直流母线电压升高，当制动控制系统

检测到直流母线网压升至上限时导通制动电阻，将过量电能消耗在地面制动电阻上。

图1 牵引系统组成示意图

图2 制动电阻地面化示意图

1.3 两种设置方案的技术性能比较

针对这二个方案，通过对其十几项技术性能在全国地铁公司和供货商中进行了调查研究，技术性能比较详见表1。

表1 两种制动电阻设置方案的技术性能比较

两者比较，制动电阻置于车上在国内各地铁公司运用较广且业绩成熟，但分散安装在各动车底板下，增加自重及增加风机导致列车功率增大，且因电阻发热对列车运行产生一定安全隐患。而制动电阻地面化将会减少车辆重量，节省电能，消除火灾隐患，降低洞内温度，节省运营成本，提高运营品质。从实际投资分析上看，制动电阻设置在地面上，环控设备费与车载制动电阻方式相当［3］。从国内外城市轨道交通状况来看，把制动电阻的位置由车上逐渐改为车下是发展方向。

2 制动电阻地面化方案的比较及选取

在目前国内外采用的制动电阻地面化方案中，电容储能型、飞轮储能型、双向可控型等设备目前均未国产化，或存在出口限制，或价格过高，国内推广应用的可行性较小［4］。现就电阻耗能型和电阻+逆变两种形式进行分析并加以选择，而电阻+逆变则根据回馈方式又分为低压和中压两种。

2.1 电阻耗能型

电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要采用多

相IGBT（绝缘栅双极晶体管）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，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制动电阻上。在国内，电阻耗能型再生制动能量吸收装置已在重庆轻轨（单轨）、广州地铁4号线、天津地铁1号线、北京机场线等线路上使用。该吸收装置的电气系统如图3所示。

图3 电阻吸收装置接线示意图

2.2 电阻+逆变型（回馈至低压400V）

电阻+逆变型（回馈至低压）如图4所示，其中逆变单元设置在牵引变电所内，电阻柜设置在地面或风道，并设置散热通风装置。电阻+逆变混合吸收装置采用电阻和逆变成低压交流电源的混合吸收装置，通过逆变回馈方式回收大部分制动能量至变电所低压交流400 V母线。它将再生能量逆变成400 V三相交流电能回馈至400 V配电系统，实现电能再利用；在再生能量较大、超过一定安全容量的情况下，利用电阻吸收超出的那部分能量，确保车辆制动的安全稳定和400 V配电系统的安全［5］。

2.3 电阻+逆变型（回馈至中压35kV）

电阻+逆变型（回馈至中压）如图5所示，为目前国内再生制动最新方式，采用回馈变流器经1 180 V并网方案，其中再生制动回馈变流器直流端接入接触器网，交流馈电端经隔离变压器后并入牵引整流变低压端1 180 V侧，逆变容量大，再生回馈效率高，系统提供隔离保障，即使变流器故障时也不会影响原供电系统，可在原电阻耗能型基础上进行改造，对原系统改动小，只需并入回馈变流器及低压隔离变压器，占地面积少，2011年已于广州地铁5号线挂网试验成功，填补了国内地铁再生制动能量吸收新方式的空白，实现了城市轨道交通领域自主创新的重大突破。

图4 电阻+逆变（回馈至低压400 V）原理图

图5 电阻+逆变（回馈至中压35 k V）原理图

2.4 地面化方案的比较及选型

在明确车辆取消制动电阻后，再生制动能量吸收装置应从电阻耗能型与电阻+逆变型（低压与中压）3种方案中选取。电阻耗能型没有将电能再吸收利用，本质上只是将制动电阻从车上转移到地面，不具有节能效果。目前国内应用的几条线路主要还是为了解决系统的特定制约因素，比如：天津地铁1号线主要是因为既有段改造隧道断面受限，环控系统无法解决隧道温升问题而提出；广州地铁4号线、北京机场线和重庆轻轨均是由于车辆的设备布置空间紧张，无法携带大容量的制动电阻［6］。

采用电阻+逆变的模式，则将再生能量逆变回馈至电网系统，真正实现了节能效果。同时考虑到电网的容量，在大的再生能量吸收时，逆变吸收不了的能量再由电阻吸收，确保车辆再生制动的安全稳定。回馈至低压400 V方式实现较为简单，目前国内已在天津地铁挂网运行，性能考核满足电网电力系统的要求。但由于列车制动属于间歇式的，无法

提供稳定用电负荷，故只能供给三类负荷，国际上仅在日本小规模应用。而回馈至中压35 k V方式相对于前者，则回馈效率更高，充分使用再生回馈能力，在欧洲、日本均有成熟应用。原先因部分关键部件的技术复杂限制了国内的应用，近几年国内已成功攻克各种技术难题并成功应用，迎合了电网智能化及城市轨道交通绿色化的主题要求。

3种地面化模式相比较，电阻+逆变型（回馈至中压型）将本应被消耗的能量最大限度地实现回馈，符合国家的节能减排的产业政策，有利于保护环境，节约了能源，降低了电耗。从经济效益上看，电阻耗能型初期设备投资约为逆变低压型投资的40%左右，而逆变高压型投入更大，从30年长远效益上，后两者每公里线路可节约电力成本400万元以上。另外国内外经验表明，再生能量吸收装置设于运营初期运行，因列车较少，可再生功率更为客观。为符合地铁未来发展趋势，经多方论证，郑州地铁1号线推荐采用电阻+逆变型（回馈至中压）再生能量吸收装置。

3 郑州地铁1号线一期工程逆变方案

郑州1号线一期工程供电系统采用110/35 k V两级集中供电方式，设4个供电分区。新建主变电站2座，设牵引降压混合变电所10座（含车辆段及停车场），降压变电所13座（含控制中心），车站跟随式降压变电所4座，区间跟随式降压变电所2座。

基于综合考虑，目前定为在三处牵引变电所采用回馈变流器1 180 V逆变并网方案，其他牵引变电所预留电阻耗能型空间。该回馈装置主要包括变压器、并网开关柜和变流器柜。启动后，回馈装置首先按照启动时序将各断路器、接触器闭合，使回馈装置进入待机状态。进入待机状态后，回馈装置实时检测直流母线电压，当检测到母线电压高于设定值后，会即刻开启PWM（脉宽调制）脉冲，控制功率器件IGBT，使其工作，通过快速调节电流，使直流母线侧由地铁制动时产生的的能量，快速回馈到电网中；同时稳定直流母线电压，将直流母线电压稳定在设定值（1 680 V，可调节），确保地铁直流供电系统的稳定。此时，由于直流母线电压值高于整流器不控整流值，整流器二极管会自动停止工作。

当装置检测到直流电流的方向发生改变（直流电流＞-10 A）时，此时回馈变流器工作在整流状态，即车辆处于牵引状态，因地铁牵引启动需要的能量大于回馈装置的容量，此时回馈装置即刻退出运行，进入待机状态，地铁牵引所需能量完全由牵引整流器提供，直流母线电压快速回落至DC 1 500 V附近。

另外当回馈装置运行后，检测到回馈的能量接近于零（30 s内平均值），装置会自动退出运行，进入待机运行，此时避免了电网电压AC 1 180 V侧较高时，引起的回馈装置的误动作。同时，如果检测到接触网电压低于低压阈值并维持一段时间，即认为接触网欠压故障，以避免牵引变整流器切除时回馈变流器仍通过整流状态给接触网供电。

根据郑州地铁1号线一期工程线路情况、车站分布、列车特性、运行密度等，结合国内制动电阻吸收概况，考虑余量得出全线总平均再生功率约为2 760 k W。为更好回馈，三处变流器总功率应高于此值20%。实际回馈变流器主要技术参数为：额定容量1 200 k W；额定电流587 A（1 180 V接入点）/ 693 A（变流器输出1 000 V）；效率＞97%；功率因数＞0.99；再生制动动作值整定范围DC 1 600 V～DC 2 200 V（可调）。

回馈装置有以下运行状态：启动、回馈运行、待机、故障、急停、停机。具备过流保护、过欠压保护、短路保护、过热保护、过载能力、故障诊断与自恢复本地/远程控制和无功补偿能力。在车辆正常运行时，牵引功率由牵引变整流器提供，回馈系统处于待机状态；在车辆转入制动时，回馈系统进入回馈模式，经牵引变馈入中压电网，牵引整流器处于截止状态。此外一方面回馈功率小于牵引功率，另一方面回馈变流器待机回馈转换过程中电流可实现平稳过渡，不会对电网造成冲击。

为保证整个系统可靠工作，当变流器装置出现故障的情况下，要有相应的应急方案，以免供电系统其它设备的运行造成影响，使整个系统安全可靠地继续运行。主要具备故障智能诊断、故障自恢复、故障告警等功能。

后台监控系统方案分为接入SCADA（数据采集和监控）系统和本地后台监控系统两种，考虑到SCADA系统协议及接口问题，采用为独立设置后台监控装置对全系统安全性更为有利，后台监控装置又分为本地及远程操作两种方式。

4 结语

目前城市轨道交通网络正处于高速发展阶段，人们在关注城市轨道交通车辆舒适性和自动化程度的同时，也逐渐意识到轨道车辆的环境效益和节能问题的重要性，如何采用合理的制动电阻方案在建设初期显得尤为重要。从国内外城市轨道交通状况来看，把制动电阻的位置由车载逐渐改为地面化是发展趋势，地面化方案如果采用电阻耗能型，本质上没有将电能再吸收利用。而电阻+逆变型（回馈至中压）可将本应被消耗的能量最大限度地实现回馈，符合国家节能减排的产业政策。郑州地铁1号线在建设阶段，经多方考察论证，最终采用该方案，通过联调联试、实际投入运营时的数据收集，将为后续线路及国内城市地铁提供了有益的参考及借鉴。

［1］ 杨俭，李发扬，宋瑞刚，等.城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展［J］.铁道学报，2011，33（2）：26.

［2］ 李友瑜，杨守焕，阳吉初，等.地铁列车制动电阻的种类及优化设计［J］.城市轨道交通研究，2010（5）：49.

［3］ 连鹏飞.深圳地铁2号线制动电阻设置浅析［J］.电气化铁道，2007（3）：45.

［4］ 叶飞.城市轨道交通地面制动电阻设置方案［J］.城市轨道交通研究，2011（10）：75.

［5］ 冯艳艳，孙才勤.城市轨道交通混合逆变装置的应用［J］.城市轨道交通研究，2011（1）：115.

［6］ 叶芹禄，周伟志.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案［J］.铁道勘测与设计，2009（3）：60.

Analysis on the Selection Schemes of Braking Resistor for Zhengzhou Metro Line 1

Zhang Tiantong，Gao Minfu

According to the current situation and development trend of urban rail transit in the world，and with a comprehensive analysis on some selection schemes of braking resistor，the resistor and inverter（feedback to the medium voltage）on the groundis adopted for Zhengzhou Metro Line 1.This scheme could transform and utilize effectivelythe electric energy produced from train braking，and realize the maximum feedback，thus to achieve the goal of energy saving and emission reduction，and offer beneficial reference to the follow-up lines and other urban metros.

regenerative braking；energy absorption；feedback inverting

U 260.35

2012-11-20）