城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究

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1、城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究摘要：如果采用车辆吸收电阻吸收地铁列车运行过程中的再生能量，则将带来隧道和站台内的温升问题，同时也增加了站内环控系统的负担，造成大量的能源浪费并使地铁的建设费用和运行费用增加。为了降低隧道洞体和车站内温度并提高洞内空气质量，应当进行再生能量吸收的相关技术系统研究并在地铁工程中使用成熟的再生能量回收装置。关键词：城市轨道交通；再生；吸收；技术方案1引言在城市轨道交通工程中，直-交变压变频的传动方式已经普遍采用。车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，列车起制动频繁，因此要求起动加速度和制动减速度大，制动平稳并具有良好的起动和制动性能。从能

2、量相互转换的角度看，制动能量是相当可观的。虽然电动车组在其直流回路设有电阻耗能装置，但是受机车空间所限，不可能设置足以完全吸收这部分动能的装置，剩余能量只能由机械制动补充。由于轨道交通整流设备采用的是二极管整流器，只能单向供电。当列车制动时，再生回馈能量通过机车变频装置向直流电网充电，使直流电网电压升高，当直流电压大于整流器输出电压时，二极管整流器被反向阻断。由于地铁系统的特点是区间距离短、列车运行密度高，这样列车在全线运行过程中必将有频繁的启动、制动过程。根据经验，地铁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

3、%，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。据考察北京地铁750V直流供电电压在机车进站制动时可能升到1000V以上，这是由于列车再生制动能量在直流电网上不能被相邻列车完全吸收造成的。当列车发车密度较低时，再生能量被其它车辆吸收的概率将大大降低。有资料表明，当列车发车的间隔大于10min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，这样，绝大部分制动能量将被车辆吸收电阻所吸收，变成热能并向四外散发。由于列车的制动主要发生在运行过程中，如果再生能量由车辆吸收电阻吸收，必将带来隧道和站台

4、内的温升问题，同时也增加了站内环控系统的负担，造成大量的能源浪费并使地铁的建设费用和运行费用增加。在国内的部分地铁线路（如北京地铁）上已经反映出温升问题相当严重。因此，对再生能量吸收的相关技术进行系统研究并在地铁工程中使用成熟的再生能量回收装置，将会降低隧道洞体和车站内温度并改善洞内空气质量。同时，合理的配置再生能量回收装置还能减少车载设备（车辆制动电阻），减少车辆的运营维护工作量，降低车辆成本，减少车辆自重，从而降低列车能耗，提高车辆加减速性能，并有可能在一定程度上降低电机的配置容量。目前，我国在城市轨道交通中应用再生能量回收技术尚属起步阶段，可借鉴加拿大、日本等国的成

5、功经验。若在国内城市轨道交通系统中广泛应用此项技术，必将产生巨大的社会和经济效益。2可采用的相关技术轨道交通车辆所采用的电制动方式一般包括再生制动和电阻制动两种方式，再生制动的最大优点是节能，但再生电能并不是都能被其它牵引车辆吸收，剩余部分则消耗在车辆制动电阻上并转变为热能散发到空气中。车辆采用电阻制动方式吸收电能比较稳定，但制动能量消耗在电阻上，既不能加以利用，又因在车辆上装设大容量制动电阻而导致车下设备的总体布置困难，车体重量和列车牵引耗电增加，同时还加大了对环境的污染。为了减少制动能量在列车制动电阻上的耗散，抑制地铁隧道内温度的升高和减少车载设备，国外一般在牵引变电

6、所的直流母线上设置再生制动能量吸收装置，所采用的吸收方案主要包括电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。当处于再生制动工况下的列车产生的制动电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，线路上设置的再生制动能量吸收装置立即投入工作，吸收多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥电制动性能。如日本多摩、冲绳、东京、大阪的轻轨和地铁线路，加拿大多伦多轻轨及意大利米兰3号线等地铁均采用了再生制动能量吸收装置。电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要采用多相IGBT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，

7、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IGBT斩波器、吸收电阻、续流二极管、滤波装置（滤波电容和滤波电抗器）、直流快速断路器、电动隔离开关、避雷器、电磁接触器、传感器和微机控制单元等组成。该装置的优点是控制简单，其主要缺点是再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用；而且电阻散热也导致环境温度上升，因此当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而且该房间需采取措施保证有足够的通风量，需要相应的通风动力装置，也增加了相应的电能消耗。电容储能型或飞轮储能型