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[摘 要]目前，国内地铁车辆大都采用车载电阻来吸收列车再生制动中多余的电能，这种吸收方式不仅浪费再生能源，而且伴随着增加车辆重量和导致隧道升温等问题。本文通过介绍地铁车辆再生制动能量线网回馈情况，说明节约再生能的必要性，并对多种再生能量吸收和利用设计思路进行对比分析，得出适合我国地铁发展的最优化可行性方案。
[关键词]地铁车辆；再生制动；能量吸收；方案对比评估
中图分类号：U270.38 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0048-02
引言
目前，我国地铁车辆电制动多采用再生制动和电阻制动两种方式。出于减轻机械制动装置负担、减小机械制动装置的维护保养工作量、节约成本等考虑，大多数地铁车辆的常用制动方式优先使用再生制动。当接触网网压上升到DC1800V时，再生制动能平滑地过渡到电阻制动。
地铁再生制动所产生的能量大都被正线其他相邻列车吸收利用。其中，能量吸收利用率与列车运行密度和区间距离有直接的关系，相关数据表明，当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率会大大降低，多余的再生能量被列车制动电阻吸收以发热的方式消耗掉，造成大量的能源浪费。同时也导致隧道和站内的温度升高，增添了站内环控系统的负担，增加了地铁的建设费用和运行费用。目前，在国内的部分地铁线路已经反映出温升问题相当严重。
对再生能量吸收的相关技术进行系统研究，选择使用适当的再生能量回收装置，将有效地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辆自重，减少车辆的运营维护工作量，降低车辆成本，降低列车能耗，提高车辆加减速性能。
以下对地面电阻耗能、地面大型电容储能和车站逆变回馈利用三种制动能量回收技术方案对比分析，考虑其之间的优缺点、可操控性及实用性，得出三种方案在国内可行性结论。
1、再生能量线网回馈分析
应用仿真模拟的研究方法对地铁再生能量线网回馈情况进行分析，研究再生能吸收利用的必要性。
分析所用到的主要模拟技术和分析流程见图1。
首先，通过列车运行模拟和不同运行图模拟获取相关参数，为供电系统模拟提供更具广泛性的数据基础。其主要内容如下：
1）列车运行模拟主要内容包括车辆特性、车辆阻力、车辆运行工况的分析与研究，通过对线路资料和有关运营资料的分析与整理，获得准确的全线列车运行数据。
2）不同运行图模拟是指通过在固定的列车追踪间隔运行状态下，对典型的高峰小时运行图进行模拟，分析列车的牵引用电负荷反映到牵引变电所的波动变化情况。
其次，进行供电系统模拟分析，基于全线牵引供电网络数学模型，对全线网络模型进行一定间隔的切割，并对各个切割断面进行数据抽象，根据运行图数据对全线列车的运行状态扫描后进行全线的牵引供电网络分析，从而计算出供电网络各个切割断面的瞬态电气参数，并进行统计输出。通过各种运营状态下的模拟分析、统计，获得回馈功率的变化特点。
最后，基于对不同运行阶段的列车运行、不同运行图和供电网络进行模拟分析的情况下，所获得的不同再生回馈功率参数结果，综合各项参数分析地铁再生能量线网回馈情况。
通过以上的仿真模拟方法获得的相关数据统计显示，按照每年365天，每天运营时间18h计算，某地铁全线全年回馈吸收电能总量为8744670kW？h，按照每度电价0.5元进行计算，每年能节省电费就达到470万元。可见，采用合理的再生吸收利用装置，可有效的节省地铁运营电能的浪费。
2、制动能量回收技术方案
2.1 地面电阻耗能方案
电阻耗能是将再生制动多余的能量消耗在吸收电阻上，目前国内的应用主要以车载电阻为主，只有在广州地铁四号线直线电机车辆上采用地面电阻耗能的方式。
在车辆的使用过程中，车载电阻方式带来的增加车体重量、隧道温升等问题已经日渐突出。所以，近年来越来越多的轨道交通系统将能量吸收装置放置在了地面。沿着线路设置牵引变电所，为直流供电网提供稳定的电能，在变电所直流母线上并联能量吸收装置，来吸收再生能量。
地面电阻耗能装置电气系统主要由IGBT斩波器、吸收电阻、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、电磁接触器、传感器和微机控制单元等组成。
地面电阻耗能方案原理图如图2【1】所示：
当列车再生制动时，回馈接触网的电流不能完全被其他车辆或用电设备所吸收，地面电阻制动装置立即投入工作，吸收多余的回馈电流，将其消耗在吸收电阻上，从而防止制动列车过多的向电网回馈能量而使电网电压升高，这样可使车辆最大限度地发挥电制动功能。
目前加拿大Skytrain、意大利米蘭三号线、日本东京、大阪的轻轨和地铁线路等已经成熟的应用了该项技术，地面电阻耗能是适合我国国情的一种简单经济的再生能量吸收可行之路。
2.2 地面大型电容储能方案
地面设置大型电容储能将再生制动多余能量吸收到大容量电容器组中进行短暂的存储，当车辆再生制动完毕并转入牵引运行时，电容两端电压比网压高，电容开始向电网放电，将电容上的电能通过直流电网或其他耗电设备释放掉。
电容吸收装置的电气系统主要由储能电容器组、IGBT斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和吸收电容等组成。
地面大型电容储能方案原理如图3【2】所示：
（电动隔离开关S0、网压传感器SV1、电容电压传感器SV2、IGBT斩波器VT1/VT2）
启动时，由电站室远程控制，送出控制电源，合上快速断路器，通过综合自动化系统发出的工作指令信号，设备启动电动隔离开关（S0）。当电动隔离开关合好，其闭合信号送入微机控制系统。微机控制系统将根据SV1检测的电网电压值的大小来控制接触器K1、S1的通断。当线网电压超出规定范围时，首先合上预充电接触器K1，给滤波装置充电，然后合上线路接触器Sl，完成启动吸收装置的准备工作。 2.3 车站逆变回馈利用方案
车站逆变回馈利用方案的原理是，当再生制动能量回馈电网，电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将多余的直流电逆变成工频交流电回馈到交流电网，将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上，从而达到能量再利用，提高了再生能量的利用率，节能效果好。
车站逆变回馈利用装置电气系统主要由晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流快速断路器、电动隔离开关、直流电压变换器和调节控制柜等组成。
车站逆变回馈利用方案充分利用了列车再生制动能量，并可有效减少列车制动电阻的容量。其能量直接回馈到电网，既不用配置储能元件，又不用配置吸收电阻，因此对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。
3、技术方案对比分析
3.1 各项方案补充考虑因素：
基于上述三种方案的设计原理介绍，对比分析其可操控性还需考虑的其它因素有：
1）地面电阻耗能只能将电能转换为热能排掉，造成能源浪费；且电阻散热会导致环境温度升高，需要相应的通风装置，也增加了相应的电能消耗。
2）电容储能存放能量要设置体积庞大的电容器组，对电容器的容量要求很高，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命缩短。采用大电容储能，车辆再生制动完成后，吸收在电容上的电能必须通过直流电网或其他耗电设备将其能量释放掉，否则下一周期吸收电容无法吸收制动能量。若采用其他耗电设备释放能量，则需专门设置其他的逆变设备，同时增加了设备的投资成本和技术管理的工作量。
3） 车站逆变回馈吸收方案有利于能源的综合利用，实现了节能，但是涉及的设备种类和数目较多，控制技术复杂，设备投资很大，目前技术水平还不够成熟。
3.2 分析对比结果
综合以上的再生能量回馈情况分析、三种方案原理介绍及各自的特点，分析对比得出结果，如下表1所示：
通过上表综合性对比分析可知，地面电阻耗能方案虽然造成能源浪费，对环境有一定的影响，但综合考虑，基于其具有投资成本低，技术成熟度高，控制简单，使用寿命长，有效减轻地铁车辆重量等优点，它是目前最适合我国国情的一种简单经济的再生能量吸收方案。
对于地面大型电容储能方案，再生能的利用率较高，对环境影响小，可有效的节省电能。随着电容技术的发展，采用合理的电容器，提高电容充放电使用寿命，使用回馈电网的方式来释放电容储能，可有效的降低设备投资成本。随着控制技术的发展，在不久的将来，地面大型电容储能方案将成为地铁发展的必然趋势。
车站逆变回馈利用方案设备投资高，按照飞轮储能装置估计约4000万元，控制技术复杂且操控的成熟度很低，在目前尚不适合国内地铁的应用，但其在节省能源方面的效果明显优于前两种方案，且使用寿命长，对环境的污染很小，是作为未来倡导绿色地铁的发展方向，拥有很大的发展空间。
4、结束语
本文从节能和环保的角度说明了地铁车辆制动再生能量吸收利用的必要性，綜合对比了三种地铁制动再生能吸收利用方案，分析了它们的优缺点，并根据我国的实际情况，得出三种方案目前在国内的可行性以及未来的发展方向。目前，我国在城市轨道交通中应用再生能吸收利用技术尚处于起步阶段，考虑到其优越的节能降耗性能，采用此项技术必定成为未来发展的大方向，也必将产生巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
【1】 赵荣华，杨中平，郑琼林.城轨列车设置地面制动电阻的仿真研究.城市轨道交通，2008（9）：58—62.
【2】 曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究.城市轨道交通，2006（6）：33—36.
【3】 王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生能量回收技术方案的研究.电气化铁道，2004（2）：37—39.
[关键词]地铁车辆；再生制动；能量吸收；方案对比评估
中图分类号：U270.38 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0048-02
引言
目前，我国地铁车辆电制动多采用再生制动和电阻制动两种方式。出于减轻机械制动装置负担、减小机械制动装置的维护保养工作量、节约成本等考虑，大多数地铁车辆的常用制动方式优先使用再生制动。当接触网网压上升到DC1800V时，再生制动能平滑地过渡到电阻制动。
地铁再生制动所产生的能量大都被正线其他相邻列车吸收利用。其中，能量吸收利用率与列车运行密度和区间距离有直接的关系，相关数据表明，当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率会大大降低，多余的再生能量被列车制动电阻吸收以发热的方式消耗掉，造成大量的能源浪费。同时也导致隧道和站内的温度升高，增添了站内环控系统的负担，增加了地铁的建设费用和运行费用。目前，在国内的部分地铁线路已经反映出温升问题相当严重。
对再生能量吸收的相关技术进行系统研究，选择使用适当的再生能量回收装置，将有效地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辆自重，减少车辆的运营维护工作量，降低车辆成本，降低列车能耗，提高车辆加减速性能。
以下对地面电阻耗能、地面大型电容储能和车站逆变回馈利用三种制动能量回收技术方案对比分析，考虑其之间的优缺点、可操控性及实用性，得出三种方案在国内可行性结论。
1、再生能量线网回馈分析
应用仿真模拟的研究方法对地铁再生能量线网回馈情况进行分析，研究再生能吸收利用的必要性。
分析所用到的主要模拟技术和分析流程见图1。
首先，通过列车运行模拟和不同运行图模拟获取相关参数，为供电系统模拟提供更具广泛性的数据基础。其主要内容如下：
1）列车运行模拟主要内容包括车辆特性、车辆阻力、车辆运行工况的分析与研究，通过对线路资料和有关运营资料的分析与整理，获得准确的全线列车运行数据。
2）不同运行图模拟是指通过在固定的列车追踪间隔运行状态下，对典型的高峰小时运行图进行模拟，分析列车的牵引用电负荷反映到牵引变电所的波动变化情况。
其次，进行供电系统模拟分析，基于全线牵引供电网络数学模型，对全线网络模型进行一定间隔的切割，并对各个切割断面进行数据抽象，根据运行图数据对全线列车的运行状态扫描后进行全线的牵引供电网络分析，从而计算出供电网络各个切割断面的瞬态电气参数，并进行统计输出。通过各种运营状态下的模拟分析、统计，获得回馈功率的变化特点。
最后，基于对不同运行阶段的列车运行、不同运行图和供电网络进行模拟分析的情况下，所获得的不同再生回馈功率参数结果，综合各项参数分析地铁再生能量线网回馈情况。
通过以上的仿真模拟方法获得的相关数据统计显示，按照每年365天，每天运营时间18h计算，某地铁全线全年回馈吸收电能总量为8744670kW？h，按照每度电价0.5元进行计算，每年能节省电费就达到470万元。可见，采用合理的再生吸收利用装置，可有效的节省地铁运营电能的浪费。
2、制动能量回收技术方案
2.1 地面电阻耗能方案
电阻耗能是将再生制动多余的能量消耗在吸收电阻上，目前国内的应用主要以车载电阻为主，只有在广州地铁四号线直线电机车辆上采用地面电阻耗能的方式。
在车辆的使用过程中，车载电阻方式带来的增加车体重量、隧道温升等问题已经日渐突出。所以，近年来越来越多的轨道交通系统将能量吸收装置放置在了地面。沿着线路设置牵引变电所，为直流供电网提供稳定的电能，在变电所直流母线上并联能量吸收装置，来吸收再生能量。
地面电阻耗能装置电气系统主要由IGBT斩波器、吸收电阻、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、电磁接触器、传感器和微机控制单元等组成。
地面电阻耗能方案原理图如图2【1】所示：
当列车再生制动时，回馈接触网的电流不能完全被其他车辆或用电设备所吸收，地面电阻制动装置立即投入工作，吸收多余的回馈电流，将其消耗在吸收电阻上，从而防止制动列车过多的向电网回馈能量而使电网电压升高，这样可使车辆最大限度地发挥电制动功能。
目前加拿大Skytrain、意大利米蘭三号线、日本东京、大阪的轻轨和地铁线路等已经成熟的应用了该项技术，地面电阻耗能是适合我国国情的一种简单经济的再生能量吸收可行之路。
2.2 地面大型电容储能方案
地面设置大型电容储能将再生制动多余能量吸收到大容量电容器组中进行短暂的存储，当车辆再生制动完毕并转入牵引运行时，电容两端电压比网压高，电容开始向电网放电，将电容上的电能通过直流电网或其他耗电设备释放掉。
电容吸收装置的电气系统主要由储能电容器组、IGBT斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和吸收电容等组成。
地面大型电容储能方案原理如图3【2】所示：
（电动隔离开关S0、网压传感器SV1、电容电压传感器SV2、IGBT斩波器VT1/VT2）
启动时，由电站室远程控制，送出控制电源，合上快速断路器，通过综合自动化系统发出的工作指令信号，设备启动电动隔离开关（S0）。当电动隔离开关合好，其闭合信号送入微机控制系统。微机控制系统将根据SV1检测的电网电压值的大小来控制接触器K1、S1的通断。当线网电压超出规定范围时，首先合上预充电接触器K1，给滤波装置充电，然后合上线路接触器Sl，完成启动吸收装置的准备工作。 2.3 车站逆变回馈利用方案
车站逆变回馈利用方案的原理是，当再生制动能量回馈电网，电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将多余的直流电逆变成工频交流电回馈到交流电网，将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上，从而达到能量再利用，提高了再生能量的利用率，节能效果好。
车站逆变回馈利用装置电气系统主要由晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流快速断路器、电动隔离开关、直流电压变换器和调节控制柜等组成。
车站逆变回馈利用方案充分利用了列车再生制动能量，并可有效减少列车制动电阻的容量。其能量直接回馈到电网，既不用配置储能元件，又不用配置吸收电阻，因此对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。
3、技术方案对比分析
3.1 各项方案补充考虑因素：
基于上述三种方案的设计原理介绍，对比分析其可操控性还需考虑的其它因素有：
1）地面电阻耗能只能将电能转换为热能排掉，造成能源浪费；且电阻散热会导致环境温度升高，需要相应的通风装置，也增加了相应的电能消耗。
2）电容储能存放能量要设置体积庞大的电容器组，对电容器的容量要求很高，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命缩短。采用大电容储能，车辆再生制动完成后，吸收在电容上的电能必须通过直流电网或其他耗电设备将其能量释放掉，否则下一周期吸收电容无法吸收制动能量。若采用其他耗电设备释放能量，则需专门设置其他的逆变设备，同时增加了设备的投资成本和技术管理的工作量。
3） 车站逆变回馈吸收方案有利于能源的综合利用，实现了节能，但是涉及的设备种类和数目较多，控制技术复杂，设备投资很大，目前技术水平还不够成熟。
3.2 分析对比结果
综合以上的再生能量回馈情况分析、三种方案原理介绍及各自的特点，分析对比得出结果，如下表1所示：
通过上表综合性对比分析可知，地面电阻耗能方案虽然造成能源浪费，对环境有一定的影响，但综合考虑，基于其具有投资成本低，技术成熟度高，控制简单，使用寿命长，有效减轻地铁车辆重量等优点，它是目前最适合我国国情的一种简单经济的再生能量吸收方案。
对于地面大型电容储能方案，再生能的利用率较高，对环境影响小，可有效的节省电能。随着电容技术的发展，采用合理的电容器，提高电容充放电使用寿命，使用回馈电网的方式来释放电容储能，可有效的降低设备投资成本。随着控制技术的发展，在不久的将来，地面大型电容储能方案将成为地铁发展的必然趋势。
车站逆变回馈利用方案设备投资高，按照飞轮储能装置估计约4000万元，控制技术复杂且操控的成熟度很低，在目前尚不适合国内地铁的应用，但其在节省能源方面的效果明显优于前两种方案，且使用寿命长，对环境的污染很小，是作为未来倡导绿色地铁的发展方向，拥有很大的发展空间。
4、结束语
本文从节能和环保的角度说明了地铁车辆制动再生能量吸收利用的必要性，綜合对比了三种地铁制动再生能吸收利用方案，分析了它们的优缺点，并根据我国的实际情况，得出三种方案目前在国内的可行性以及未来的发展方向。目前，我国在城市轨道交通中应用再生能吸收利用技术尚处于起步阶段，考虑到其优越的节能降耗性能，采用此项技术必定成为未来发展的大方向，也必将产生巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
【1】 赵荣华，杨中平，郑琼林.城轨列车设置地面制动电阻的仿真研究.城市轨道交通，2008（9）：58—62.
【2】 曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究.城市轨道交通，2006（6）：33—36.
【3】 王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生能量回收技术方案的研究.电气化铁道，2004（2）：37—39.