基于TRIZ 理论的城市轨道交通再生制动能回收利用系统研究

江雨泽

（哈尔滨科学技术职业学院，黑龙江 哈尔滨 150300）

1 前言

如今城市发展迅速，城市人口增长量大，经常会出现交通堵塞的状况，不但影响人们的生活质量，还会制约经济的发展。而城市轨道交通由于其运行在地下或专用轨道内，具备全天候、大运载、快捷舒适的特点成为重要的公共交通工具。目前，大多数牵引变电所不具备局域网压调节能力，当机车采取电制动时，如果将电能反馈给电网，轻则造成牵引网网压升高，重则会造成再生电能制动失效。所以无法将产生再生制动电动能回馈到电网，通常会在列车底部安装制动电阻，将机车电制动能产生的能量通过电阻消耗殆尽。这种方法不仅是能源的浪费，还会影响机车散热。所以，对轨道机车供电系统再生制动电能技术的研究具有重要意义。随着科学技术的不断发展，我国轨道交通技术已经处于领先地位，轨道交通运输发展迅猛，城市轨道交通的覆盖率逐年能加，目前，上海和北京的城市轨道交通运营总里程数分居世界第一位和第二位。据中国交通运输部统计，我国城市轨道交通运营数据：截至2022 年12 月31 日，31 个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团共有53 个城市开通运营城市轨道交通线路290 条，运营里程9584 公里，车站5609 座。如此庞大的轨道交通系统，车辆设备频繁的刹车制动所产生的能量不可小视。在能源紧张的当今社会，依托智能电网的基础，利用合适的储能装置吸收利用再生制动能量必将会成为研究的热点。轨道机车制动方式分为空气闸瓦制动和电阻制动两种方式。当机车速度比较高时，为了减轻机械系统压力减少磨损，列车先采取电制动，通过发电机将列车的动能转换为电能，电能再通过制动电阻消耗掉。当列车即将进站低速度行驶时，利用闸瓦进行传统的机械式摩擦制动，最终使得列车停下来。

2 发明问题初始形势

再生制动方式是一种较为先进的利机车制动方式，主要的工作原理是，当列车制动时动能通过车轮传递给发电机，如此时发电机不能够将能量输出或者消耗，那么，根据能量守恒关系，车轮的动能就不会减少，失去了刹车的效果。发电机的能量通过受电弓回馈给电网，如果周围没有其他列车吸收这部分多余的能量，就会造成牵引网压升高脱网故障，当网压超过了列车制动发电机的电压时，发电机就变成电动机，造成了电制动失效。所以，牵引网的电压一定要控制在合理范围内，避免事故。如果这部分再生制动电能可以被其他列车有效使用，将有效节约能源，为企业提升经济效益。

最简单最早的储能方式是蓄电池，蓄电池的原理是将化学能与电能之间相互转换，通过变压器、交流直流转换器对蓄电池进行充放电。但是，蓄电池由于其充放电速度和电池容量的问题不适于电网网压调节。轨道交通牵引网网压调节要求迅速吸收电能和迅速释放电能，单单这一点以化学原理为基础的蓄电池是做不到的。还可以通过超级电容或者其他机械能转换等方式完成，如飞轮等装置进行电能回收和释放。随着城市建设的发展，城市轨道交通的覆盖率逐年能加，随着设备维修地铁运营商的成本也在增加，车辆设备频繁的刹车制动所产生的能量不可小视，如果能够合理利用，将会给企业节约很大一部分成本。

3 TRIZ 理论解决问题

TRIZ 意译为发明问题的解决理论。是由前苏联发明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究团队，历经多年，通过对上万份专利和创新案例进行分析总结，最终提出的一种解决问题的方法。TRIZ 理论成功地揭示了创新的内在规律和发明制作方法，主要包括矛盾矩阵、因果分析法、九屏分析法、最终理想解，无偿模型、科学效应、功能模型分析，40个发明原理、39个工程技术特性，化学、物理、数学几何等工程学原理知识库等。

3.1 因果分析法

通过因果分析图可知，对城市轨道交通设备再生制动能利用问题从方法、设备、物料、环境等4 个方面参数进行分析。从制动方法、车辆、电网、环境4 个方面进行因果分析，通过图1 可知，最终影响能量回收再利用的主要原因是机车设备存储能量的能力弱和牵引供电网网压调节能力差，能量分配不足，所以通过此方法进行下一步研究车辆的能量存储和电网能量分配。

图1 因果链分析图

3.2 九屏幕分析法（图2）

图2 九屏幕分析法

当我们在解决问题、发明创新时，最大的问题就是没有头绪。原因在于，我们收集的信息材料不足，且混乱。九屏幕思维模型可以解决这个问题。横向为时间轴，从左到右依次为当前系统的过去时、现在时和将来时。纵向从下到上分别为子系统、当前系统和超系统。通过九屏幕分析，对比当前系统的子系统和当前系统未来系统的子系统，找到解决能量存储的方法，有超级电动、超级锂电池、机械飞轮储能等设备。寻找能量的调节方式。

3.3 生命曲线

技术系统的进化一般按照生命曲线进行，随着社会的不断发展进步，城市轨道的发展进程日益加快，由于地铁站间距较小，使得地铁机车频繁启动和制动，在这个过程中浪费了巨大的能量，所以对地铁的制动能的回收再利用技术的研发迫在眉睫，从现有数据分析，此项技术处于成长期，专利等级较高、专利数量较少、经济收益较高，成为社会关注的焦点，在目前提倡节能减排的大背景下，此项技术有很好的发展前景，和提升空间。

3.4 最终理想解

通过最终理想解分析，本系统设计的最终目标是可以有效将制动能量转换为电能，不但可以供给自身设备使用，多余能量时还可以反馈给供电网，由供电网智能分配给线路上临近的其他车辆使用（表1）。

表1

通过以上方法分析，依托智能电网的基础，利用合适的储能装置吸收利用再生制动能量必将会成为研究的热点。飞轮储能是指外部能量系统提供电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮高速旋转，从而形成能量储存。当需要能量时，飞轮带动电机旋转，机械能转化为电能，形成发电机，对外进行电能输出。本文为自主设计研发，以哈尔滨地铁一号线车辆运行数据为基础建模仿真，提出了飞轮储能电压调节控制系统，以永磁同步电机为储能电机，通过飞轮机械能释放和吸收调节电网电压。具体控制思路为以牵引电压值为控制参数，通过磁链定向的方式完成电机功率的交换。最终要到达的控制目标是，通过这样的方式来缓冲能量变化，合理地利用制动时产生的电能，达到稳定牵引网网压的目的。

4 最终设计方案与仿真

4.1 设计方案

经过综合比较考虑，由于飞轮储能机械结构原理简单，在高频使用过程中故障率比较低，可以迅速地释放和吸收电能。所以，本设计在牵引局域电网内利用飞轮储来调节网压，其特点就是能量转换效率高、响应速度快、连续跟踪调节能力强、机械运行结构稳定寿命较长、不产生有害物质、后续维护成本低等特点。

最终利用TRIZ 原理设计一个可以提高城市轨道交通供电系统再生电能利用系统。在牵引变电所安装飞轮储能设备，调节供电网和机车之间电能输送，功率调整。从而在机车电能低时飞轮向机车提供电能输送，在机车回收大量制动能后，将过剩的电能再反馈给飞轮，飞轮将其存储的能量根据需要，分配给同一电网的其他机车设备使用，形成电能智能分配。采用该种方式调节，可以很好地利用轨道机车在制动过程产生的制动电能，达到能源的有效回收和二次利用。通过飞轮能量调节方式，还可在列车运行高峰期，为电网提供能量支持，保障网压稳定等优点，有效地提高了再生制动能量的利用。

4.2 仿真验证

通过MATLAB 搭建系统仿真模型如图3，通过给定电动机模型，模拟列车制动时产生的电能，分别采用电阻耗能和飞轮电机储能调节来控制牵引网网压。通过观测牵引变电所母线电压、机车受电弓电压、储能电机功率和转速等来验证系统的可行性。

图3 仿真电气接线原理图

具体仿真设计为，当机车2 制动时，多余的制动电能量使牵引网压逐渐升高，达到一定警戒值时，控制系统接入飞轮储能装置吸收电网多余电能；而当机车1 经过该区段时，消耗电能牵引网电压下降时，立即释放飞轮中的能量回馈电网，保证电网网压稳定。其他工况下，飞轮则是出于空转备用状态。

由于飞轮储能装置的作用，牵引机车受电弓段电压波动较小，在120V 以内，如图4 所示。在此过程中，由于机车1 处于向电网吸收恒定功率，牵引电动机以恒定转矩进行加速阶段，这时机车1 的受电弓电压变化情况与牵引变电所A 几乎相同。将飞轮储能装置安装在牵引变电所B 中，当机车2 减速制动时释放了大量的制动电能，为了让飞轮能够稳定工作，关键在于合理控制飞轮装置何时控制电能，以便下一次吸收多余电能，仿真设定网压跌落2%时，利用飞轮释放电能，支撑网压。设定牵引变电所B 的母线电压为1.6KV。如图5 所示飞轮储能装置对比电阻制动方式如图6，不论是机车受电弓端电压，还是牵引变电所母线电压，都能得到快速调节稳定在1.6KV 左右。飞轮储能装置很好地抑制了电压的波动，有效地限制了电压上升幅值，使得牵引电网正常工作，效能合理利用分配。

图4 牵引机车端电压

图5 储能飞轮作用下牵引变电所电压

图6 制动电阻作用下牵引变电站母线电压

5 结语

通过仿真验证基于飞轮储能系统的轨道机车制动能再生利用系统，设计合理，可以很好地调节牵引网的能量，实现电能二次利用。本设计以机车牵引网的电压值为控制目标，通过上述飞轮储能电机磁链定向控制功率的交换方式，可以有效地调节牵引网压，当制动电能过剩时，通过机械能存储起来，当牵引网压电压过低，负荷过大时，又能释放电能，支撑电网网压，形成了一种快速稳定的自我调节方法。通过软件仿真验证该方法的正确性和可行性，提高了地铁机车设备的电能利用率，不但为企业节省了成本，还响应了国家节能减排的号召，建设节约型社会。