1500V城轨系统再生制动能量的储存利用

付志飞

近年来，我国城市交通发展迅速，且为人们的出行提供了较大的便利。随着低碳环保型城市建设目标的制定与实施，城轨系统中再生制动能量的储存与转换已成为当前城市建设中的重点工作。本文以1500V城轨系统的再生制动能量储存利用作为研究对象，通过分析实现系统再生制动能量储存装置的基本原理，进而对1500V城轨系统再生制动能量的储存与利用方法展开了深入研究。

【关键词】1500V城轨系统 再生制动能量 储存利用

作为城市交通的重要组成部分，城轨系统的运行情况不仅关系着其交通的建设情况，而且对于节约环保型城市的建立也具有重要的影响。本文通过对1500V城轨系统再生制动能量储存装置的特点及其基本原理展开研究，进而对装置的控制策略以及装置内各个模块功能的实现方法进行了详细分析。

1 1500V城轨系统再生制动能量存储装置简述

1.1 1500V城轨系统再生制动能量的储存装置特点

1500V城轨系统再生制动能量储存装置的特点为：以装置吸收的制动能量得以充分利用为目标，在利用储能模块优化技术与能量管理技术的基础上，降低城轨系统母线电压的波动，进而达到优化车辆电制动的效果。

1.2 再生制动能量储存装置的基本原理

当城轨系统中的地铁车辆处于再生制动的工作情况时，其所产生的再生制动能量并不能完全被本车的用电设备及系统中的其他车辆所吸收，进而使得系统母线电压快速升高。而此时，系统线路中的1500V（超级电容）再生制动能量储存装置则会将多余的能量吸收，在对超级电容进行充电的情况下，使得装置将系统多余的电能转化为电容的电场能并将其储存，从而达到控制系统母线线压、最大限度发挥车辆电制动性能的目的。

此外，在电能的利用方面，当1500V城轨系统的供电区间内有车辆启动或部分车辆具有供电需求时，超级电容在升压斩波放电的情况下，可以将其内部的电场能转化为电能，进而将电容存储的电能进行释放，回馈给直流母线以满足相关电力需求。

2 1500V城轨系统再生制动装置能量储存的实现

2.1装置模块的设置及其特点

1500V城轨系统再生制动能量储存装置的模块包括了超级电容模块、电阻吸收模块、蓄电池模块以及逆变模块。其中超级电容模块的特点是：功率密度较高、充放电时间较短，且具有控制简单和环保等优良特性，但模块的单体耐压较低，若单独使用并不能满足城轨系统再生制动能量储存利用装置的电压与能量等级的要求。所以，根据其特点可知，在使用超级电容时，需要视情况进行串联或并联使用。超级电容吸收或释放的总能量E=C（U22- U12），其中 与 分别表示装置在整个充放电过程中母线电压的最低值与最高值，C表示超级电容器组。电阻吸收模块在整个再生制动能量储存装置中的作用是补充上述超级电容储存模块对母线降压的不足，即当电容模块对母线的降压未达到制动能量储存的标准或电容器组出现内部故障时，电阻吸收模块则会将母线电压稳定在U1—U2 之间，进而确保地铁车辆可以有效利用电制动。

1500V城轨系统再生制动能量储存装置储存并利用电压的过程为：超级电容器持续充电使得电容电压高于系统的蓄电池电压时，超级电容则会自动对蓄电池进行充电，而上述电压转移的过程中则会使得直流母线的电压持续升高，此时，蓄电池将会和电容一同吸收城轨系统的多余能量；而当超级电容放电使得直流母线电压降低时候，则电容电压要低于装置内蓄电池的电压，此时，蓄电池则会对电容进行充电，即蓄电池一起将储存的电能回馈给城轨系统的电网中，使先前制动产生的多余能量得到充分利用。由此可见，上述过程对蓄电池本身的要求较高，根据实践经验可知，蓄电池应该选用放电性能较好的锂电池。

逆变模块的工作过程为整流电路、平波电流以及控制电路和逆变电路，其主要作用就是借助能量管理技术，将蓄电池中储存的制动电能转变为标准的工频交流电能，并将其供给城轨系统中的部分负载，例如站内的照明、空调和风机等。

2.2装置的控制策略

2.2.1双向变换器的控制

双向变换器就是在保持输入或输出电压稳定的情况下，根据系统用电的具体要求改变电流的方向，进而达到双向性电流运行的目的。1500V城轨系统中的双向变换器的工作模式主要分为如下四种：

（1）初始充电模式，即以恒流模式对初始阶段电容值为零时的超级电容进行充电，使超级电容具备满足装置运转的电压深度。

（2）充电模式，即当直流母线的电压持续升高到城轨系统容纳电压的上限 时，超级电容开始运作，直接从直流母线吸收能量。

（3）放电模式，即直流母线电压下降到系统下线电压 时，超级电容则开始运作，开始向直流母线释放能量。

（4）被有保持模式。当直流母线的电压处于装置放电模式与充电模式电压之间时（U1—U2 ），利用电流与电压双闭环控制的降压和升压电路对超级电容的内部电压进行微调，从而使电压值维持在装置所设定的电压深度。

2.2.2超级电容的控制

根据2.2.1中双向变换器的变换控制可知，超级电容的控制模块主要具有三种工作状态，分别为微调、放电和充电。微调、放电和充电根据城轨系统电网电压的变化进行协调并互相转化，使得装置对电网电压的优化性能得到了充分改善。

3 结论

本文通过对1500V城轨系统再生制动能量储存装置的特点及实现能量转化与储存的基本原理进行阐述，在对装置的超级电容模块、电阻吸收模块、蓄电池模块以及逆变模块等各模块功能实现方法进行研究的基础上，进而对装置的控制策略做出了具体分析。可见，未来加强对1500V城轨系统再生制动能量储存与利用方法的研究力度，对于建设节约环保型城市并促进我国城市交通发展具有重要的历史作用和现实意义。

参考文献

[1]苏玉京.基于储能技术的城轨交通再生制动能量利用方案研究.[D].华中科技大学，2013.

[2]武利斌.基于超级电容器的城轨再生制动储能仿真研究.[D].西南交通大学，2011.

[3]王钧正.城市轨道交通供电系统再生电能利用技术研究.[D].华中科技大学，2011.

作者单位

武汉大学动力与机械学院 湖北省武汉市 430072endprint