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标题 城市轨道交通回馈式再生能源吸收装置分析
范文 孙宏伟
摘要：回馈式再生能源装置作为轨道交通工程牵引系统节能的主要手段，近年来在国内各在建、运营线路上广泛应用。本文通过系统理论论述、实用案例分析，对再生能源装置工作原理、容量选择及运营维护进行了系统阐述，结合现阶段城市轨道交通发展形势，对系统的工程实施做了可行性分析。
Abstract： As a main method of energy saving for traction systems in rail transit projects， feedback-type renewable energy devices have been widely used in various domestic construction and operation lines in recent years. This paper systematically discusses and analyzes practical cases， and systematically elaborates the working principle， capacity selection， and operation and maintenance of renewable energy installations， conducts the feasibility analysis of the system's engineering implementation based on the current situation of urban rail transit development.
关键词：轨道交通;再生能源吸收装置;牵引供电系统
Key words： rail transit;renewable energy absorption device;traction power supply system
中图分类号：U213.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）13-0168-02
1 概述
1.1 选题背景及意义
随着我国城市轨道交通建设的飞速发展，轨道交通系统能耗问题亦作为节能减耗的首要课题被广泛讨论。据地铁运营部门统计，在运营线路中，牵引系统用电占总用电量的50%以上，降低地铁系统能耗变得日益迫切和重要。近年来，多种技术被运用到城市轨道交通系统中，包括：车体轻量化设计、列车牵引VVVF传动方式、再生制动电能吸收装置等等。其中，再生电能吸收设备越来越多地应用于国内多条地铁线路并达到了较好的节能效果。
1.2 回馈式再生能源吸收装置的发展现状
目前，再生能源装置的主要应用形式有以下几种：
①电阻型吸收装置;
②电容储能型吸收装置;
③飞轮型吸收装置;
④回馈式再生能源吸收装置。
回馈式再生能源装置是将列车电制动时牵引电机转为发电机模式而产生的制动电能反馈给中压电网，形成能源循环利用的装置。回馈式再生能源吸收装置以其可以直接回馈接触网（轨）或交流电网再利用，无需配置大容量储能元件，不存在电阻发热问题，技术成熟，维护维修方便的特点被逐渐推广、应用。
2 回馈式再生能源吸收装置
2.1 系统配置方案
回馈式再生能源吸收装置维护接触网（轨）电压或将电能回馈至中压交流电网再次利用的示意图如图1。

方案中，再生能源装置通过隔离变压器的作用将电能反馈中压电网，独立于牵引供电系统其他负荷设备，装置容量设计不受系统影响，且可拓展性强。
2.2 装置工作原理
现有地铁牵引系统多采用24脉波整流，当系统空载时，接触网（轨）压最高。当车辆运行时，由于负荷增加，网（轨）压下降。
当线路车辆再生制动时，其动能转为电能直接回馈接触网，被同供电臂的其他车辆利用。当回馈电能不能被完全利用时，接触网（轨）压上升，大于接触网（轨）空载电压并且达到整定值，此时，再生能源装置启动PWM脉冲单元，回馈电能至交流中压网，并保持接触网（轨）压正常。见图2：装置投入时接触网（轨）压特性。
当车辆启动运行时，接触网（轨）压下降并且達到整定值，装置停止逆变运行，转为整流运行状态保证网（轨）压正常。当装置检测到直流侧逆流时，闭锁PWM单元，退出运行进入待机状态。

需要注意的是，在装置逆变运行时整流机组需停止工作，以防止装置与整流机组之间形成环流。所以，装置的逆变运行的投入定值要大于整流机组空载电压。
2.3 系统的典型配置
现以广州地铁上网运行的再生能源装置配备为例。见图3。

如图3示，在系统调试、检修时，隔离开关QS1配合QS2可以形成回路明显断点，保证再生能源装置及直流系统网（轨）端安全操作;断路器QF2用于线路电流保护跳闸;接触器KM6所在回路传入充电电阻，以防止在隔离变压器投入是产生励磁电流造成保护装置误动。再生装置主单元侧，QF1用于线路电流保护;PWM为再生回馈装置主单元，完成再生制动能源的整流、逆变及保护功能实现;直流接触器KDC与熔断器F5配合，当直流侧电流保护配置启动时，及时切断故障侧，保护装置。
2.4 系统容量选择
再生制动能源系统必须经过科学的数学建模，根据运营实际情况和线路实际工况进行仿真计算。目前，常用的容量选择计算方法有以下几种：
①按最大功率选择;
②按平均功率选择;
③考虑列车间吸收时的功率选择;
但是，由于車辆再生制动瞬时功率大、持续时间短的特点，一般不选择车辆再生制动最大功率作为再生能馈装貴的容量。考虑到工程经济性和兼顾地铁列车多种运行方式，应以车辆再生制动过程的平均功率为基准，兼顾列车间吸收的作用，一般地铁线路牵引变电所可选择1MW-1.5MW的再生能馈设备容量可满足车辆再生制动的需求。
但是，在工程建设及维护管理工作中，并不具备建模仿真计算条件时，可以根据列车实际运行情况和车辆自身参数进行装置容量估算。
①列车制动功率。
当列车以恒定速度运行，制动加速度为已确定或进行估算（理想状态），回馈功率为下式求得：
P=η*F*V-P0
η—机车牵引电机及牵引变流机组的效率;
F—制动力。其中，m为机车重量，a为加速度;
V—为列车瞬时速度;
P0—为常态消耗，包括列车运行阻力及辅助变流器消耗等，为常量;
在最困难的情况下，列车在坡度处制动，为保证列车加速度恒定，电动力还需克服坡度重力分量。所以：
F制动=m*a+F坡度分量
由此，则以在上式计算中，得出再生制动产生的的初始电能。另根据工程经验计算得知，制动再生能源取40%为回馈装置吸收，则可得制动再生能源估算容量。
再生能源的经验估算虽不能作为施工设计的依据，但仍然对工程建设、运营委管起到了指导作用。在工程建设、委管阶段意义重大。
3 结语
随着城市轨道交通建设的飞速发展，制动再生能源装置的作为运营线路的上节能措施的必要手段，必然会得到广泛的推广、应用。在工程建设及委管过程中，更需要对装置运行原理及维护有深刻的了解，随着技术的不断发展，跟进技术更新脚步，做好城市轨道交通建设，提交满意工程。
参考文献：
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[2]王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生能源回收方案的研究[J].电气化铁道，2004（2）：37-39.
[3]饶忠.列车牵引计算[M].二版.北京：中国铁道出版社，2002.
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