列车再生制动能量回收的方法及分析

列车再生制动能量回收的方法及分析 城市轨道交通是耗电大户。而如何高效利用电能是目前城市轨道交通节能 技术的关键问题。车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，因此要求起动加 速度和制动减速度比较大，并具有良好的起动和制动性能。城轨交通供电系统 一直采用二极管整流技术实现交流电源到直流牵引电源的转换，特别是采取 24 脉波整流技术后，与电网的谐波兼容问题得到较好地解决。该技术虽然可以较 好地满足车辆牵引取流的需求，但是此类系统存在以下问题： （1）只能实现能量的单向流动，对于需要频繁起动和制动的地铁、轻轨等 交通工具，制动能量的回收有着很大的潜力。车辆再生制动产生的反馈能量一 般为牵引能量的 30甚至更多。而这些再生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，剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸 收装置吸收。如果在一列地铁列车刹车时附近没有其他列车加速运行，那它所 回馈的电能中只有 3050能被再次利用( 尤其是在低电压、高电流的网络系 统里)。如果当列车发车的间隔大于 10 min 时，再生制动能量被相邻列车吸收重 新利用的概率几乎为零。 （2）由于制动电阻的发热引发站台和地下隧道热量积累、温度上升，某些 城轨系统隧道温度高达 50，不得不加大通风设备的容量，造成严重的二次能 耗； （3）对于车载制动电阻模式制动电阻增加车体自重造成的电能消耗十分可 观 ； （4）牵引网上同时在线运行的车辆有十几对甚至几十对，负荷的变化造成 牵引网压波动严重，不利于车辆平稳、可靠运行。可见车辆的制动能量至今还 是一种没有被很好地开发利用的能量。 目前,在我国大力提倡节能降耗的形势下，城轨供电系统的发展进度已滞后 列车车辆技术的发展，多个待建的城市轨道线路，如无锡、苏州、长沙、西安、 深圳和广州等多条线路，都提出了对现有牵引供电系统进行技术改造的需求或 者是寻求更好的储能装置去回收这些多余的再生能量。再生制动能量循环利用 主要有储能和逆变两种方式:储能所采用的技术主要有蓄电池储能、电容储能、 飞轮储能 3 种;而能量回馈所采用的技术主要是逆变至中压网络和低压网络两类。 首先介绍储能型回收装置 (1)蓄电池储能 蓄电池储能系统如图所示，该装置是将制动能量吸收到电池介质中，当供 电区间有列车需要取流时，再将所储存的能量释放出去，由于蓄电池本身的特 点充放电电流小，瞬间不能大功率充放电，所以该装置体积较大电池处于频繁 充放电状态将影响其使用寿命，储能容量相对较少。 （2）飞轮储能型 采用飞轮储能方式的吸收装置由储能飞轮电机、IGBT 斩波器、直流快速断 路器、电动隔离开关、传感器和控制模块等组成。该装置直接接在变电所正负 母线间或接触网和回流轨间，其核心技术是利用核物理工业的物质分离衍生技 术而制造的飞轮，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。 近几年，英国 UPT 电力公司生产的成熟运营的飞轮储能型产品，在香港电 力系统、香港巴士公司、英国、纽约部分地铁均有应用。国内北京大学某实验 室有类似的小功率产品研制，但飞轮的机械参数难以达到国外的水平，无法在 工程中投入使用。该产品的优点：有效利用了再生制动能量，节能效益好；并 可取消(或减少)车载制动电阻，降低车辆自重，提高列车动力性能；直接接在接 触网或变电所正负直流母线间，再生电能直接在直流系统内转换，对交流供电 系统不会造成影响。该产品的缺点：飞轮是高速转动的机械产品，对制造工艺 要求很高，需采用真空环境和特殊轴类制造技术，成本较高。使用寿命是否能 满足要求，维护维修是否方便，另外国内无成熟技术和产品等都成为制约其推 广的因素。 （3）超级电容储能 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：+SlAlSl 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+SlA2Q0 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+SlA2QO 断路 器并联的预充电路(+S 1 A 1F l、+S1AlK1 和+S1A1Rl 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，+S3L 1 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。+S3G l、+S3G2 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。+S 3 Fl、+S3F2、 +S3F3，+S3F4 为带熔断器的手动隔离开关，+S 4L1、+S4 L2、 +S4L3、 +S4L4 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+S3V1 和 S9R1 组成的放电支路对能量存储系统进行放电。 +S5E1+S8E8 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。北京地铁 5 号线的 14 座牵引变电所均预留安装再生 电能吸收装置，从目前 4 套再生电能吸收装置的运行情况来看，在改善牵引网 供电质量、提高车辆舒适性方面，效果良好，达到了设计目的。北京地铁 5 号 线变电所的一套再生电能吸收装置设备采购费用为 51O 余万元人民币，造价昂 贵。因此，在计划采用这种设备时需要考虑经济效益，对近期和长期经济效益、 社会效益要综合比较，最终确定是否可行。随着产品的大规模化生产以及电子 产品的飞速发展，类似产品的价格必将大幅下降，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 （1）逆变至中压网络的应用 本方案采用如图 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。 （2）逆变至低压压负荷网络 逆变至低压网络利用再生制动能量逆变回馈装置来逆变多余的再生制动能 量, 采用直流牵引网的电压作为能量控制策略依据,提出 DC/AC 变换器电压外环、 电流内环的 SVPWM 控制策略;运用 Matlab/Simlulink 搭建了一个 750V 直流电气 化铁路等效模型仿真平台,并通过仿真和实验验证了该控制策略的可行性和有效 性。再生制动能量逆变回馈装置能满足地铁列车再生制动能量吸收利用及稳定 直流牵引网电压要求,实现车辆再生制动能量回馈利用。 图 1 示出再生制动能量逆变回馈装置主电路。该系统由三相交流电源经降 压变压器降压后与二极管构成不可控整流来模拟变电所直流牵引供电系统,整流 器输出 24 脉动整流电压到直流牵引供电网,电路后端加入逆变器和电机 ,通过控 制电机运行的不同状态来模拟地铁运行工况,再生制动能量逆变回馈装置并联在 直流母线电压端。 在三相静止对称坐标系数学模型中,因为并网逆变器的交流侧均为时变交 流量, 所以对控制系统的设计比较复杂。为使控制系统的设计变简单, 可通过坐标 变换转换到与电网基波频率同步旋转的 d,q 坐标系下。这样,经过坐标旋转变换 后, 三相对称静止坐标系中的基波正弦量将转化为同步旋转坐标系中的直流变量。 这里对电压源型逆变器采用输出电流控制,在与电网电压矢量同步旋转的 d,q 坐 标系下,应用同步矢量电流 PI 控制器对逆变器输出电流实施闭环控制 ,实现有功 和无功的解祸控制,达到逆变器输出单位功率因数并网的目的。图 2 示出 DC/AC 控制的流程图, 采用基于 SVPWM 的双环控制结构,直流牵引网的电压采用外环控 制, 而内环控制逆变器输出电流。 外环控制直流牵引网电压,实际直流牵引网电压叽与给定电压叽 的差值作为 直流电压 PI 调节器的输入 ,其输出作为对应有功功率的 d 轴电流参考值 ia*,通过 调节逆变器传送到电网的有功功率,使直流牵引网电压工作在给定参考电压。内 环为电流控制环, 在与电网电压矢量同步旋转的 d,q 坐标系统下, 利用两个 PI 调节 器对逆变器输出电流的 d,q 轴分量进行解祸控制,PI 调节器的输出分别为 Ud*和 Uq*。根据 Ud*和 Uq*及电网电压矢量旋转角度的值, 利用 7 段式 SVPWM 算法即 可得三相参考电压 Ua，Ub ，Uc 的调制波形。设置 iq*=0 使逆变器输出功率因 数为 1。该装置的驱动电路将无桥 Boost 的 PFC 和半桥谐振 LLC 电路有机结合, 具有器件少,成本低, 无电解电容, 控制简单,输入功率因数高等优点。 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。 逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸 管三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联， 其 交流