亚的斯亚贝巴轻轨列车再生制动能量回馈方案分析

侯 峰　薛 敏

（1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州；2.广州地铁运营总部基地维修中心，510380，广州∥第一作者，工程师）

亚的斯亚贝巴轻轨列车再生制动能量回馈方案分析

侯 峰1薛 敏2

（1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州；2.广州地铁运营总部基地维修中心，510380，广州∥第一作者，工程师）

摘 要结合亚的斯亚贝巴轻轨一期项目，介绍国内外各种再生制动能量回馈技术，分析了不同再生制动能量吸收方式的差异。推荐亚的斯亚贝巴轻轨一期工程的再生制动能量回馈逆变装置及逆变回馈方案：回馈装置采用逆变器，回馈至整流变压器次边。

关键词轻轨车辆；再生制动；能量回馈；逆变装置

First author＇s address Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.，Ltd.，510010，Guangzhou China

亚的斯亚贝巴轻轨为中国中铁在埃塞俄比亚的第一条轻轨项目，也是中国城市轨道交通技术走向海外的重要工程之一。该项目由东西线和南北线组成，车辆采用70﹪低地板的现代有轨电车，以地面线为主，部分地段采用高架线路和地下线路。

可行性研究规划方案中，亚的斯亚贝巴市的电网相对薄弱，故该项目采取分散式供电，变电所电源就近取自15 k V电网。近年来，随着埃塞俄比亚国家经济的发展，电网装机容量有了较大发展，因此，本次初步设计采用集中式供电方案。

1　列车再生制动能量分析

城市轨道交通具有站间距短、列车运行速度相对较高、列车起动和制动频繁等特点，列车制动必需吸收或者消耗的能量在列车运行能量中占据较大比例。列车在不同运行方式下的能量消耗流程如图1所示。

图1　列车运行能量消耗流程示意图

随着地铁列车交流传动技术水平不断成熟和提高，列车制动已经发展成为以再生电气制动为主和机械制动为辅的基本模式，其基本制动方案见表1。一般交流传动的地铁车辆再生制动反馈能量占牵引吸收能量的40﹪～50﹪，但此反馈比例与车辆的特性和线路特征密切相关。本次计算中表1所采用的车辆再生制动能量的反馈比例平均约为48﹪。

表1　列车的基本制动方案

列车再生制动能量在牵引能量中占据较大比例，因此，制动能量的充分利用具有非常重要的节能意义。目前列车再生制动能量主要有两种吸收方式：①当相邻列车具有吸收条件时，制动列车产生的再生能量通过直流牵引网被相邻处于牵引模式下的其他列车所吸收；②当再生能量不能完全被其他列车所吸收时，为了保证直流牵引网的电压安全，再生能量将由车载制动电阻所消耗，将电能转换为热能散发在隧道中（传统解决方案）。

2　列车再生制动能量吸收装置

从列车再生制动能量处理的方式上，列车再生制动能量吸收装置主要分为耗能型、储能型和逆变回馈型三类。消耗型吸收装置结构简单、技术成熟，主要采用电阻消耗。储能型产品根据储能介质的不同分为电容储能型和飞轮储能型两类。逆变回馈型吸收装置根据电网反馈电压等级的不同分为35 k V逆变装置和0.4 k V逆变装置。

2.1电阻耗能型

电阻耗能型再生制动能量吸收装置原理如图2所示。该装置主要采用多相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，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。该吸收装置的电气系统主要由隔离控制、滤波和IGBT斩波器、吸收电阻三部分组成。

该装置国内已有成熟产品，且已经在开通运营的重庆轻轨、天津地铁1号线、广州地铁4∕3号线、北京机场线上应用。

图2　电阻吸收装置结线示意图

2.2飞轮储能型

飞轮储能型制动能量回馈模型如图3所示。飞轮储能所用的飞轮分为高速飞轮与低速飞轮2种。其工作原理是：在列车发生再生制动时，电动机驱动转子旋转进行能量储存，直至达到允许的最大转速；当列车需求能量时，电能及时切换到发电机工况，释放飞轮中储存的能量直至达到最低工作转速并转变为变电所供电。飞轮储能的储能密度及效率较高，安装地点也很灵活，但其寿命容易受到机械部件磨损的影响而大幅降低。另外，飞轮储能的投资与维护费用较高。

图3　飞轮储能装置原理示意图

该产品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。

英国UPT电力公司有成熟的飞轮储能型产品，其在英国电力系统、纽约部分地铁、香港电力系统和巴士公司有应用。

2.3电容储能型

电容储能型能量回收装置原理如图4所示。与飞轮储能型相比，电容作为储能元件具有体积更小、容量更大、寿命更长及充放电速度更快等特点，使电容储能迅速成为器件储能型中最具市场应用竞争力的制动能量回馈技术。根据选择的电容不同，电容储能分为小电压大容量的超级电容技术和大电压小容量的物理电容技术。ESHSP系列超级电容额定容量可达5 000 F，额定电压为2.7 V，在提供2 500 A的最大放电电流情况下可充放电约500 000次。

图4　电容静态储能装置构成原理图

2.4逆变回馈型

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，当车辆再生制动使直流电压超过额定值时，交流电网将从DC 1 500 V∕750 V直流母线吸收直流电能，并通过逆变器、变压器将其转换为AC 35 k V∕33 k V工频交流电回馈至电网。这种方式主要局限于集中供电方式的城市轨道交通线路。对于分散式供电系统，由于电网与分散式系统间电流的双向流动，倒送回电网的电能会造成电网电压波动并增大电网的短路电流。其能量流程如图5所示。

图5　列车制动能量逆变反馈中压网络示意图

目前，逆变回馈型吸收装置主要以回馈至中压网络为主。反馈至中压网络具有系统容量大、抗干扰能力强、对供电系统中的其他负荷影响较小等优势。逆变回馈至0.4 k V的技术和产品目前国内有研究机构正在进行研究，且有试验装置正在进行挂网试验。

2.5再生制动能量吸收装置的比较

四类再生制动能量吸收装置的比较如表2所示。

电阻能耗型装置将列车再生制动产生的部分电能消耗在电阻上，未能加以利用，从长远的角度看，不代表列车再生制动能量吸收的技术发展方向。电容储能型装置由于体积庞大、电容器件寿命短、投资大等缺点，限制了其在地铁中的应用。飞轮储能型装置由于技术上受控的原因，在国内地铁应用有较大的困难。逆变回馈型装置由在线设备实时消耗列车再生电能，不需要储能设备，具有占地空间较小、节能效果好等优点，代表了列车再生制动能量吸收的技术发展方向。该技术目前在欧洲及日本均已作为成熟技术推广使用。

综合考虑以上技术经济因素，从技术成熟、安全可靠的角度出发，在初步设计中，针对亚的斯亚贝巴轻轨一期项目的再生制动能量吸收装置推荐采用逆变回馈型方案。

表2　四类再生制动能量吸收装置的比较

3　逆变回馈方案选择

3.1回馈点选择

3.1.1方案一：回馈至整流变压器次边

逆变单元一端通过断路器连接于直流母线上，另一端与整流变压器次边连接，如图6所示。系统根据交、直流电压的变化，如直流母线电压高于1 680 V（动作值可设定），并经直流侧电流极性进行综合判断，确定在线车辆处于再生制动状况后，自动跟踪系统电压相位、频率等参数，投入逆变回馈装置，实现并网，向整流变压器1 180 V侧逆变回馈电能，并根据线网再生反馈电流的大小，自动调节逆变回馈装置通过电流，实现线网电压稳定。再生制动逆变回馈装置将机车再生制动产生的能量通过整流变压器回馈到35 k V电网，当机车吸收再生制动能量，促使直流母线电压回到设定的整定电压值以下，或者当车辆由再生电制动转为其它工况运行时，经系统判断，再生制动逆变回馈装置将停止能量回馈。

图6　回馈至整流变压器次边原理接线图

3.1.2方案二：回馈至0.4 k V母线

系统根据交、直流电压的变化，如直流母线电压高于1 680 V（动作值可以设定），及直流侧电流的极性进行综合判断，确定在线车辆处于再生制动状况后，投入逆变回馈装置。随后，根据线网再生反馈电流的大小，自动调节逆变回馈装置通过电流，实现线网电压稳定。再生制动逆变回馈装置将机车再生制动产生的能量通过隔离变压器回馈到0.4 k V电网，当机车吸收再生制动能量，促使直流母线电压回到设定的整定电压值以下，或者当车辆由再生电制动转为其它工况运行时，经系统判断，再生制动逆变回馈装置将停止能量回馈。由于0.4 k V供电系统容量较小，不能完全消耗的再生电能需由装置自带的吸收电阻消耗。其原理接线图如图7所示。

图7　回馈至0.4 k V母线原理接线图

3.1.3方案三：回馈至35 k V母线

逆变单元一端通过断路器连接于直流母线上，另一端与牵引变电所35 k V母线连接（见图8）。系统根据交、直流电压的变化，如直流母线电压高于1 680 V（动作值可以设定），并经直流侧电流的极性进行综合判断，确定在线车辆处于再生制动状况后，自动跟踪系统电压相位、频率等参数；投入逆变回馈装置，将机车再生制动产生的能量直接回馈到35 k V电网；当机车再生制动能量吸收完，促使电压回到设定的整定电压值以下，或者当车辆由再生电制动转为其它工况运行时，经系统判断，再生制动逆变回馈装置将停止能量回馈。

图8　回馈至35 k V母线原理接线图

3.1.4方案比选

对三种回馈点方案进行分析论证，如表3所示。

表3　三种回馈点方案的比较

综合考虑技术经济因素，一期工程回馈方案推荐采用方案一，即采用回馈至整流变压器次边的方案。

3.2回馈装置类型选择

3.2.1逆变器方案

能量回馈至整流变压器次边，其原理框图如图9所示。

图9　方案一原理图

本方案逆变回馈装置只能工作在逆变状态。当机车再生制动，导致直流母线电压高于1 680 V（动作值可以设定）时，再生制动能量回馈装置将机车再生制动产生的能量通过自耦变压器、断路器DL3和整流变压器回馈到35 k V电网；当直流母线电压恢复到正常值时，再生制动逆变回馈装置停止能量回馈。

3.2.2半双向变流器方案

能量回馈至整流变压器次边，其原理框图如图10所示。

图10　方案二原理图

本方案能量回馈装置既可以给直流母线提供能量，也可以将直流母线上的能量回馈至电网。当机车再生制动导致直流母线电压高于1 680 V（动作值可以设定）时，再生制动能量回馈装置将机车再生制动产生的能量通过自耦变压器、断路器DL3和整流变压器回馈到35 k V电网；当整流器出现故障或者其他原因导致直流母线电压低于1 430 V（动作值可以设定）时，变流器工作在整流状态，给直流母线提供能量；当直流母线电压正常（处于1 430 V～1 680 V）时，变流器处于待机状态，变流器和直流母线间无能量交换。

3.2.3双向变流器方案

本方案采用双向变流器代替原来的整流器和电阻泄放制动单元，其原理框图如图11所示。双向变流器始终工作在稳压状态。其根据实际的直流母线电压自动调节工作状态（在整流和逆变状态之间自动转换），使直流母线电压始终稳定在1 500 V（可根据需要设定）。

图11　方案三原理图

3.2.4方案比选

三种回馈装置方案优劣比选如表4所示。

表4　三种回馈装置方案的比较

由表3可以得出，方案的复杂性和风险性逐渐增加。鉴于此，亚的斯亚贝巴轻轨一期工程推荐采用逆变器方案。

4　结语

随着城市轨道交通系统的日趋完善，车辆制动能量的回收利用逐渐成为关注的焦点。亚的斯亚贝巴轻轨一期工程的再生制动能量回馈，最终采用回馈至整流变压器次边的逆变回馈方案。下一步可对该工程采取的方案做进一步优化，如优化列车运行方案，提高再生能量利用率；研究逆变回馈再生制动与电阻制动能量综合利用等。制动能量回馈系统在应用过程中还存在一些技术上的制约因素，随着技术的日趋完善，制动能量回馈必将显现出显著的经济效益、环境效益以及良好的社会效益。

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Analysis of Regenerative Braking Energy Feedback Scheme for Addis Ababa Light Rail Transit

Hou Feng，Xue Min

AbstractCombined with the first phase of Addis Ababa light rail transit project，the regenerative braking energy feedback techniques adopted in the world are introduced，their different features are analyzed.The inversion device and inversion feedback scheme is recommended which has been applied to the regenerative braking energy feedback in Addis Ababa light rail transit project，in the scheme the inversion device will feedback the breaking energy to the rectifier transformer.

Key wordslight rail transit vehicile；regenerative braking；energy feedback；inversion device

中图分类号U 270.35：U239.3

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.015

收稿日期：（2014-07-03）