城市轨道交通制动能量协同吸收技术应用研究

白锡彬

0 引言

我国城市轨道交通建设发展迅速，北京、上海、广州、深圳等大城市及一些中等城市大力发展地铁、轻轨等城市轨道交通项目。城市轨道交通具有运量大、行车速度快、舒适性好等优点，由于采用电力牵引，不仅直接污染排放小，而且在同等运力情况下相对公共汽车等其他交通方式更加节能。随着城市轨道交通开通线路逐渐增多，其能源消耗越来越大，逐渐引起了人们的重视。随着环境污染的加剧和国家节能减排政策的出台，解决好城市轨道交通能耗问题，促进行业良好发展，构建更加绿色智能的城市轨道交通体系具有重要意义。

随着行业研究的逐步深入，城市轨道交通运营成本中的电能消耗往往占据了运营能耗的一半以上。牵引供电系统作为城市轨道交通重要组成部分，承担着提供电能的作用。由于大多数城市轨道交通线路站间距较小，车辆需要频繁启动、制动，在这过程中消耗了大量的能量，一般可达到总牵引电能消耗的20%～40%。传统的机械制动是通过设置在隧道内或车载的制动电阻将电能以热能的形式消耗掉，这样不但造成能源的浪费，部分区段制动电阻还会产生噪声等二次污染，隧道内为保持温度也要为制动电阻单独加装风扇等散热设备，给维护维修带来负担。如何解决制动能量浪费问题成为国内外轨道交通行业研究的热点。

目前，国内主流的解决方案是应用大功率电力电子技术，在沿线变电所合理设置再生制动能量吸收装置，当车辆产生的再生制动能量不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，接触网的电压很快上升，当网压上升到一定程度后，将列车的制动能量回馈到交流中压环网，维持直流牵引网压不超限值，最大限度地发挥电制动性能，同时避免列车再生制动能量在制动电阻上的消耗。目前在行业内逐渐达成共识，在新线的变电所内安装能馈装置，可以取消车载制动电阻和相应的斩波装置，从而降低线路建设成本和列车运营成本。

1 传统制动能量吸收技术

目前常用的制动能量吸收方法为“恒压吸收”，图1 所示为传统的恒压吸收曲线，A点为吸收装置最大功率点，②段曲线为恒功率曲线。由此可见，在中压能馈型再生制动能量回馈装置（简称“中压能馈装置”）容量范围内，直流电压被控制在U1[1]以下。

图1 恒压吸收曲线

恒压吸收方案控制相对简单，有利于维持网压恒定，但是由于列车短时制动功率峰值较大，需要能馈装置的容量相应较大，增加了设备成本；单个车站能量在很短的时间内集中返回，造成中压环网网压抬高，部分能量未在地铁系统内部消纳而直接返回到电力系统其他用户端，无法为地铁公司带来直接的经济效益。

2 制动能量协同吸收技术方案

为了降低系统运营成本，提高再生制动能量利用率，研究在传统“恒压吸收”方案的基础上，采用基于“变压吸收”的列车再生制动能量分布式协同吸收方案。该方案是借助“虚拟内阻”的概念，在列车制动时，随着制动功率增大，通过控制装置直流侧等效内阻，使各变电所中压能馈装置吸收电压在一定范围内线性升高，从而触发相邻站中压能馈装置提前投入工作，使得列车进站时的再生制动峰值功率能够被多个相邻站的中压能馈装置共同吸收，进而减小对单个站的功率冲击，有利于再生制动能量在地铁系统内部更好地被利用，降低电能反送城市电网的概率。该方案系统框图见图2。

图2 系统框图

在地铁建设初期，为使回馈至两段母线的能量尽可能相等，将相邻变电所中压能馈装置交替连接至两段中压母线上，另一端接至直流牵引网DC 750 V/1 500 V[2]。通过安装在馈线上的电流传感器将能馈装置的负荷电流信号传送至控制单元，控制单元通过电流值计算能馈装置负荷率，从而控制虚拟电阻r的大小及给定持续时间。

当列车进行制动停车时，直流系统网压升高，当网压升高到一定限制值U1时，能馈装置启动，进入逆变工作区，将列车制动能量回馈至中压环网。图3 所示为分步式协同吸收曲线，①段曲线为恒压吸收曲线，当吸收电流达到限制值I1时，由控制器发出指令给定虚拟电阻r，通过输出外特性虚拟阻抗r，就近变电所中压能馈装置直流电压在一定范围内线性升高，从而触发相邻站中压能馈装置也投入工作，使得列车制动时的再生制动峰值功率能够被多个相邻站的中压能馈装置共同吸收，如②段曲线所示[1]；当本站能馈装置功率达到A点吸收装置最大功率点时，将按照③段恒功率曲线运行。通过控制能量回馈装置的运行曲线，使回馈至两段母线的能量尽可能相等，使再生制动能量在地铁系统内部更好地被利用，以降低电能反送城市电网的概率[1]。控制软件流程如图4 所示。

图3 协同吸收曲线

图4 控制软件流程

3 工程实施

在系统中设置协同控制器，控制器通过光纤与各站中压能馈装置通信，能馈装置通过人工或自动方式获取线路运营信息。内部软件根据线路实际运营信息计算各站中压能馈装置吸收功率，将启/停门限控制电压参数下发至各站，从而实现对各站吸收功率进行统一协调控制，控制系统框图见图5。

图5 控制系统框图

单个站中压能馈设备主要包括能馈变压器、逆变柜、隔离开关柜等，如图6 所示。

图6 单站中压能馈装置系统图

在现场设备安装完成后对设备的保护定值、闭锁功能进行校验，并对综合监控系统功能进行验证。其中核心设备逆变柜的试验主要包括绝缘电阻、交流工频耐压、闭锁与保护等试验。

经过现场试验验证，在设备启动、机车牵引、机车制动等特殊工况下，装置运行稳定，试验波形如图7 所示。

通过对工程各牵引变电所每日牵引电量和每日回馈电量的统计，各站节能（回馈电能）情况如图8 所示。

图7 试验波形

图8 节能效果柱状图

4 结语

从现场试验波形及节能效果柱状图可以看出，能量回馈装置采用协同吸收技术后运行稳定，可充分发挥列车再生制动能力、减少机械制动投入的频率，节能效果明显。但由于受站间距离、线路坡度、发车间隔等多种因素影响，各变电所节能效果差距较大，下一步将从整个供电系统层面综合分析影响节能的各种因素，研究节能指标的评估方法。