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【摘 要】随着节能减排理念的深入人心，城市轨道交通行业越来越重视研究设置在车体外的节能型再生制动能量吸收方案。本文结合当前技术发展趋势，对该类装置的设置方案进行了综合比较分析，对再生制动能量的计算和分布进行了深入研究，研究结论对类似工程的设计和建设具有一定的借鉴价值。本文主要对地铁再生制动能量用于动力照明系统的方案做一个简单的分析和探讨。
【关键词】地铁再生制动能量；动力照明系统；方案研究
引言
本文主要通过对列车再生制动能量吸收装置类型，地铁再生制动能量利用方案做一个简要的论述旨在帮助节约能源，更好地促进能源的有效利用。
一、列车再生制动能量吸收装置类型
1、电阻耗能型
电阻耗能型列车能量吸收装置主要可分为车载电阻制动与地面电阻制动两类。车载电阻制动能量吸收装置采取斩波器与制动电阻结合的方式，电阻分散在列车的每个车厢上，当反馈回牵引网的能量未能被其他相邻列车吸收完时，牵引网电压升高到限值，列车开启斩波器，剩余能量被车载电阻消耗掉，即实现了车载电阻制动。这一过程中电阻产生大量热能，导致车站与隧道温度上升，增加了空调调控负担，加大了设备布置难度，增加了城市轨道交通的运营成本与建设费用。地上电阻制动能量吸收设备则是采纳多相IJBT斩波器与吸收电阻合作的恒压吸收形式。由制动时直流母线电压的改动情况来调理IJBT斩波器的导通比，以改动吸收功率巨细，将直流母线电压恒定在设定值的必定范围内，将制动能量消耗在地上吸收电阻上。当列车反馈回去的制动能量能够被本车的其他用电设备或相邻列车完全吸收时，牵引所内的地面电阻制动装置不工作；当列车反馈回去的制动能量无法被本车的用电设备或相邻列车完全吸收时，直流母线电压上升，若电压达到限值，地面电阻制动装置投入工作，吸收掉多余的制动能量，将牵引网电压控制在一定的范围内，维持系统的正常运行。由于车载电阻型设备温控问题及车辆自重大等因素，车载电阻再生制动有逐渐被地面电阻再生制动或其他再生制动方式取代的趋势。电阻耗能型优点是控制简单、直观，是目前国内外使用最多的吸收装置，且判断条件完善，不会出现误判的情况。同时，该类型装置的价格也是集中方案中最低的，在国内应用比较成熟。但是，它也有相对明显的缺陷，制动能量经过吸收电阻而消耗掉，沒有得到有效利用。同时电阻热效应会导致环境温度变高，在城市轨道交通地下特殊环境中，要保证足够的通风量，需要增加通风动力装置，这既增加了能耗，又提高了运营成本。
2、电容储能型
电容储能型则是将列车制动的能量利用电容器组储存起来，区间列车起动或加速需要取流时释放能量。目前，电容储能有两种方案：一种是电容电压较小，采用大量的大容量超级电容串并联；另一种是电容电压高，电容容量小，大电压的小容量电容串并联。这两种方案原理基本一致，能量流动只在直流牵引系统活动，不会涉及到中压系统。电容储能型制动装置起动的初始阶段需要将超级电容器组恒流充电到一定深度，当直流母线电压处于正常波动范围内时装置处于待机状态，不工作。当牵引段内有车辆减速或制动时，直流母线电压上升，上升到电压波动上限值时，装置起动进行储能，以设定的最大充电电流充电；当电压接近额定电压时，自动减小充电电流，防止过充并有效储能；当电容器组充满时则推出工作，由电阻制动消耗能量。相反，电容器组在放电过程中也有对应的控制策略与方案。
当有车辆加速或者起动导致直流母线电压下降到波动下限值时，装置根据母线电压变化，控制电容以设定的最大放电电流进行放电，释放已经储存的电能；当电容电压接近额定的最小工作电压时，装置自动减小放电电流，电容放电到指定的放电深度；若母线电压仍然低于电压下限值，则装置停止运行，车辆由牵引网取电。电容储能型再生制动装置对列车再生能量利用率高，节能效益更好。该类装置是直接接在变电所和牵引网正、负母线之间，能量只在直流系统中转换，不会对交流系统造成影响。同时该装置为静态电容储能模式，更方便维护和更换元件。但是，由于短时间要吸收大量能量，需要的电容数量也很多，占地面积很大。同时，电容组处于频繁充放电状态，其使用寿命也不会太长（5年左右），维护工作量较大，且成本较高。目前，此类设备还只适用于容量较小的牵引供电系统，对于运量较大的城市轨道交通线路，无法完全满足列车吸收再生制动电能的需要。
3、逆变回馈型
逆变型再生能量回收装置可分为两大类，一类是逆变吸收型，另一类是逆变回馈型。如下图所示，逆变吸收型采用电子器件组成逆变器，将直流电逆变成为工频交流电，馈送至380V交流电网，供电梯、照明等用电设备使用。当检测装置检测到直流母线电压上升至上限值，即判定系统处于再生制动状态，需要起动逆变装置吸收制动产生的电能，此时逆变回馈系统设备投入运行，将直流母线上多余的再生电能逆变成为与电网电压同相同频的三相交流电压，在利用变压器变为380V三相交流电流供动力照明系统使用，实现节能减排。该装置的变压器还具有隔离功能，可防止系统环流出现，保护电网和逆变器的安全。
逆变回馈型再生制动能量吸收装置如下图所示。
逆变回馈型装置由晶闸管逆变器、平衡电抗器、逆变变压器、直流快速断路器等部分构成，其直流侧接在牵引所整流器的直流母线上，其交流进线测则接到交流电网上，当列车再生制动造成电压超过设定值时，逆变器开始动作，从直流母线上吸收电流，并将再生直流电逆变成为工频交流电反馈回交流电网。逆变吸收型装置的优点是实现了能源的综合利用，达到了节能的目的。但是该装置目前国内仍处于研发阶段。并且，为了抑制谐波率，防止高次谐波对监控、通信等用电设备产生干扰，其吸收设备必须配置滤波装置和谐波抑制设备，为平衡再生制动时反馈到交流电网的电涌电流，需要在交流电站设置电网分配自动平衡装置。这样就产生额外的投资，且需对回馈电能质量对通信、信号等一级负荷的影响进行评估，影响较大。 逆变回馈型再生制动能量装置控制简单、安全可靠，较好利用了列车再生制动能量，具有很好的节能效果，可减少列车车载制动电阻的容量。且将能量直接反馈回电网，不需要在配置储能元件，因此对环境温度不会产生太大改变，无需增加环控设备。此类设备缺点在于再生制动能量经过逆变接入交流电网后存在一些安全问题，如果不能妥善解决，则存在发生事故的可能性。另外，逆变装置本身也是一个谐波源，运行过程中会产生一定的谐波，这也是需要关注的一个问题。逆变回馈型再生制动能量吸收装置在日本轨道交通中应用较多，随着我国对其关键技术的掌握与发展，开发逆变回馈型再生制动能量吸收装置已经具有可行性。
二、地铁再生制动能量利用方案总体概述
1、地铁再生制动能量用于动照系统方案架构
本文所研究的再生制动能量用于地铁动力照明系统方案原理框图如图所示，该方案采用逆变一电阻主从吸收方案。本文研究青岛地铁2号线一期工程，该段线路包括12个地铁站以及一个列车停车场。这里仍然选取山公园站-静安寺站这一供电区间，中山公园站动力照明系统容量为2750kVA，该站为地铁换乘站，因此动力照明容量相对较大，本文将再生制动能量回馈于该站动力照明系统。单列车以80km/h制动以及两辆列车同时制动，反馈与牵引网的瞬间功率必然超过动力照明系统的容量，出现能量过剩情况。同时，由于逆变器成本比较昂贵，倘若试图将地铁列车再生制动能量全部吸收，需要比较昂贵的经济成本。因此本文釆用逆变一电阻主从吸收方案。该方案在保证动力照明系统正常供电基础上，有效解决存在的上述两点问题，同时电阻制动作为后备保护，当逆变回馈装置发生故障时，同样可以稳定牵引网压。该方案能够有效防止处理列车再生制动能量时走向全部电阻消耗或者全部采用昂贵吸收装置以求能量全部吸收吸收的两种极端解决方式而且在目前青岛地铁2号线实际运行中，就装有电阻吸收装置，可以直接为本能量吸收方案使用，可以节约经济成本。
2、再生制動能量用于动照系统方案运行原理
再生制动能量用于动力照明系统方案采用逆变一电阻主从吸收方案。首要，需求设定逆变回馈设备发动的牵引网电压阈值。该电压阈值可以依据地铁线路实际情况调整，电压阈值的高低也会对地铁再生制动能量利用的巨细造成影响。在合理设置的范围内，电压阈值越高，逆变回馈设备回馈到动力照明体系的能量就越少，反之亦然。在地铁列车运行过程中，逆变回馈设备设置为待机状况，当电压传感器测得的直流牵引网电压超过逆变回馈设备的电压阈值时，逆变设备的操控电路开始工作，不断产生SVPWM脉冲序列信号，经过操控逆变设备IGBT的通断，不断将再生制动的直流电能逆变为沟通电能，经滤波和变压以后输送到动力照明体系中，为地铁通风、照明等设备供给沟通电能。
结束语
随着人类节能环保意识的不断增强，如何有效利用地铁列车制动产生的再生能量已经受到了越来越多的关注和研究，本文结合青岛地铁2号线路一期工程实际运营情况，针对该地铁线路再生制动能量用于动力照明系统的方案进行仿真研究，为今后的实际使用提供一定的理论参考和依据。
参考文献：
[1]王明飞.城市轨道交通再生电能吸收装置[J].城市轨道交通研究.2009（02）.
[2]卢晓静.北京地铁6号线动力照明系统方案设计[J].铁道标准设计.2011（10）.
[3]曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究[J].电气化铁道.2011（06）.
【关键词】地铁再生制动能量；动力照明系统；方案研究
引言
本文主要通过对列车再生制动能量吸收装置类型，地铁再生制动能量利用方案做一个简要的论述旨在帮助节约能源，更好地促进能源的有效利用。
一、列车再生制动能量吸收装置类型
1、电阻耗能型
电阻耗能型列车能量吸收装置主要可分为车载电阻制动与地面电阻制动两类。车载电阻制动能量吸收装置采取斩波器与制动电阻结合的方式，电阻分散在列车的每个车厢上，当反馈回牵引网的能量未能被其他相邻列车吸收完时，牵引网电压升高到限值，列车开启斩波器，剩余能量被车载电阻消耗掉，即实现了车载电阻制动。这一过程中电阻产生大量热能，导致车站与隧道温度上升，增加了空调调控负担，加大了设备布置难度，增加了城市轨道交通的运营成本与建设费用。地上电阻制动能量吸收设备则是采纳多相IJBT斩波器与吸收电阻合作的恒压吸收形式。由制动时直流母线电压的改动情况来调理IJBT斩波器的导通比，以改动吸收功率巨细，将直流母线电压恒定在设定值的必定范围内，将制动能量消耗在地上吸收电阻上。当列车反馈回去的制动能量能够被本车的其他用电设备或相邻列车完全吸收时，牵引所内的地面电阻制动装置不工作；当列车反馈回去的制动能量无法被本车的用电设备或相邻列车完全吸收时，直流母线电压上升，若电压达到限值，地面电阻制动装置投入工作，吸收掉多余的制动能量，将牵引网电压控制在一定的范围内，维持系统的正常运行。由于车载电阻型设备温控问题及车辆自重大等因素，车载电阻再生制动有逐渐被地面电阻再生制动或其他再生制动方式取代的趋势。电阻耗能型优点是控制简单、直观，是目前国内外使用最多的吸收装置，且判断条件完善，不会出现误判的情况。同时，该类型装置的价格也是集中方案中最低的，在国内应用比较成熟。但是，它也有相对明显的缺陷，制动能量经过吸收电阻而消耗掉，沒有得到有效利用。同时电阻热效应会导致环境温度变高，在城市轨道交通地下特殊环境中，要保证足够的通风量，需要增加通风动力装置，这既增加了能耗，又提高了运营成本。
2、电容储能型
电容储能型则是将列车制动的能量利用电容器组储存起来，区间列车起动或加速需要取流时释放能量。目前，电容储能有两种方案：一种是电容电压较小，采用大量的大容量超级电容串并联；另一种是电容电压高，电容容量小，大电压的小容量电容串并联。这两种方案原理基本一致，能量流动只在直流牵引系统活动，不会涉及到中压系统。电容储能型制动装置起动的初始阶段需要将超级电容器组恒流充电到一定深度，当直流母线电压处于正常波动范围内时装置处于待机状态，不工作。当牵引段内有车辆减速或制动时，直流母线电压上升，上升到电压波动上限值时，装置起动进行储能，以设定的最大充电电流充电；当电压接近额定电压时，自动减小充电电流，防止过充并有效储能；当电容器组充满时则推出工作，由电阻制动消耗能量。相反，电容器组在放电过程中也有对应的控制策略与方案。
当有车辆加速或者起动导致直流母线电压下降到波动下限值时，装置根据母线电压变化，控制电容以设定的最大放电电流进行放电，释放已经储存的电能；当电容电压接近额定的最小工作电压时，装置自动减小放电电流，电容放电到指定的放电深度；若母线电压仍然低于电压下限值，则装置停止运行，车辆由牵引网取电。电容储能型再生制动装置对列车再生能量利用率高，节能效益更好。该类装置是直接接在变电所和牵引网正、负母线之间，能量只在直流系统中转换，不会对交流系统造成影响。同时该装置为静态电容储能模式，更方便维护和更换元件。但是，由于短时间要吸收大量能量，需要的电容数量也很多，占地面积很大。同时，电容组处于频繁充放电状态，其使用寿命也不会太长（5年左右），维护工作量较大，且成本较高。目前，此类设备还只适用于容量较小的牵引供电系统，对于运量较大的城市轨道交通线路，无法完全满足列车吸收再生制动电能的需要。
3、逆变回馈型
逆变型再生能量回收装置可分为两大类，一类是逆变吸收型，另一类是逆变回馈型。如下图所示，逆变吸收型采用电子器件组成逆变器，将直流电逆变成为工频交流电，馈送至380V交流电网，供电梯、照明等用电设备使用。当检测装置检测到直流母线电压上升至上限值，即判定系统处于再生制动状态，需要起动逆变装置吸收制动产生的电能，此时逆变回馈系统设备投入运行，将直流母线上多余的再生电能逆变成为与电网电压同相同频的三相交流电压，在利用变压器变为380V三相交流电流供动力照明系统使用，实现节能减排。该装置的变压器还具有隔离功能，可防止系统环流出现，保护电网和逆变器的安全。
逆变回馈型再生制动能量吸收装置如下图所示。
逆变回馈型装置由晶闸管逆变器、平衡电抗器、逆变变压器、直流快速断路器等部分构成，其直流侧接在牵引所整流器的直流母线上，其交流进线测则接到交流电网上，当列车再生制动造成电压超过设定值时，逆变器开始动作，从直流母线上吸收电流，并将再生直流电逆变成为工频交流电反馈回交流电网。逆变吸收型装置的优点是实现了能源的综合利用，达到了节能的目的。但是该装置目前国内仍处于研发阶段。并且，为了抑制谐波率，防止高次谐波对监控、通信等用电设备产生干扰，其吸收设备必须配置滤波装置和谐波抑制设备，为平衡再生制动时反馈到交流电网的电涌电流，需要在交流电站设置电网分配自动平衡装置。这样就产生额外的投资，且需对回馈电能质量对通信、信号等一级负荷的影响进行评估，影响较大。 逆变回馈型再生制动能量装置控制简单、安全可靠，较好利用了列车再生制动能量，具有很好的节能效果，可减少列车车载制动电阻的容量。且将能量直接反馈回电网，不需要在配置储能元件，因此对环境温度不会产生太大改变，无需增加环控设备。此类设备缺点在于再生制动能量经过逆变接入交流电网后存在一些安全问题，如果不能妥善解决，则存在发生事故的可能性。另外，逆变装置本身也是一个谐波源，运行过程中会产生一定的谐波，这也是需要关注的一个问题。逆变回馈型再生制动能量吸收装置在日本轨道交通中应用较多，随着我国对其关键技术的掌握与发展，开发逆变回馈型再生制动能量吸收装置已经具有可行性。
二、地铁再生制动能量利用方案总体概述
1、地铁再生制动能量用于动照系统方案架构
本文所研究的再生制动能量用于地铁动力照明系统方案原理框图如图所示，该方案采用逆变一电阻主从吸收方案。本文研究青岛地铁2号线一期工程，该段线路包括12个地铁站以及一个列车停车场。这里仍然选取山公园站-静安寺站这一供电区间，中山公园站动力照明系统容量为2750kVA，该站为地铁换乘站，因此动力照明容量相对较大，本文将再生制动能量回馈于该站动力照明系统。单列车以80km/h制动以及两辆列车同时制动，反馈与牵引网的瞬间功率必然超过动力照明系统的容量，出现能量过剩情况。同时，由于逆变器成本比较昂贵，倘若试图将地铁列车再生制动能量全部吸收，需要比较昂贵的经济成本。因此本文釆用逆变一电阻主从吸收方案。该方案在保证动力照明系统正常供电基础上，有效解决存在的上述两点问题，同时电阻制动作为后备保护，当逆变回馈装置发生故障时，同样可以稳定牵引网压。该方案能够有效防止处理列车再生制动能量时走向全部电阻消耗或者全部采用昂贵吸收装置以求能量全部吸收吸收的两种极端解决方式而且在目前青岛地铁2号线实际运行中，就装有电阻吸收装置，可以直接为本能量吸收方案使用，可以节约经济成本。
2、再生制動能量用于动照系统方案运行原理
再生制动能量用于动力照明系统方案采用逆变一电阻主从吸收方案。首要，需求设定逆变回馈设备发动的牵引网电压阈值。该电压阈值可以依据地铁线路实际情况调整，电压阈值的高低也会对地铁再生制动能量利用的巨细造成影响。在合理设置的范围内，电压阈值越高，逆变回馈设备回馈到动力照明体系的能量就越少，反之亦然。在地铁列车运行过程中，逆变回馈设备设置为待机状况，当电压传感器测得的直流牵引网电压超过逆变回馈设备的电压阈值时，逆变设备的操控电路开始工作，不断产生SVPWM脉冲序列信号，经过操控逆变设备IGBT的通断，不断将再生制动的直流电能逆变为沟通电能，经滤波和变压以后输送到动力照明体系中，为地铁通风、照明等设备供给沟通电能。
结束语
随着人类节能环保意识的不断增强，如何有效利用地铁列车制动产生的再生能量已经受到了越来越多的关注和研究，本文结合青岛地铁2号线路一期工程实际运营情况，针对该地铁线路再生制动能量用于动力照明系统的方案进行仿真研究，为今后的实际使用提供一定的理论参考和依据。
参考文献：
[1]王明飞.城市轨道交通再生电能吸收装置[J].城市轨道交通研究.2009（02）.
[2]卢晓静.北京地铁6号线动力照明系统方案设计[J].铁道标准设计.2011（10）.
[3]曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究[J].电气化铁道.2011（06）.