再生制动吸收装置在城市轨道交通工程的应用
1.再生制动吸收装置的作用
2.吸收装置原理及特点
3.吸收方式及产品应用
4.节能效果
5.应用展望
引言
列车制动方式主要有两种：
空气制动：列车的基础制动或紧急制动，通过闸瓦或制动盘摩擦，将机械能转换为热能。
有磨耗成本。
电制动：列车的常用制动，在接触网电压低于一定的限值条件下，将列车动能转换成电能回馈至直流接触网，通过能量的转换可实现电能的再利用。
今天我们主要讨论的是电制动方式及应用情况。
1.再生制动吸收装置的作用
在城市轨道交通系统中，再生制动吸收装置是一种为电客车再生制动提供电能吸收的设备，一般安装于牵引变电所，与直流母线并联。
城市轨道交通车辆采用750VDC、1500VDC两种电压制式供电，当车辆进行再生制动时，会向直流电网反馈能量，若此时接触网上不能提供与制动列车回馈的电能相匹配的电流通道，则会造成接触网母线电压的抬升，影响列车电制动性能的发挥。
由于整流机组是单向导电的，回馈电流不能通过整流器回馈至交流电网，因此再生制动电能的吸收通道只能有如下几种：
制动列车自身消耗（车载电阻）；
接触网上的邻近牵引列车消耗；
变电所再生制动吸收装置。
再生制动吸收装置的作用就是为列车电制动回馈的电能提供功率相匹配的通道，当吸收装置的功率大于列车制动功率时，直流网压下降，可能会消耗整流器提供的电能，当吸收装置的功率小于列车制动功率时，直流网压上升，可能造成列车过压保护，切除电制动。
2.吸收装置原理及特点
在供电区间内，当车辆进行再生制动时，如果在线有其他车辆运行，其再生能量被牵引车消耗，稳定了电网电压。
如果线路不具备吸收条件，电网电压将被抬高，此时吸收装置经判断自动投入，将再生能量吸收，确保电网电压的稳定。
2.1车载电阻吸收方式
车载电阻吸收方式主电路示意图如图1所示，在正负母线之间并联了斩波回路，当车辆制动母线电压升高时Sb1开通，电能通过Rb电阻释放。
图1：车载电阻吸收方式主电路示意图
车载电阻吸收方式的缺点：
⏹增加车辆重量。
列车运营时消耗更多的电能，不环保；降低车辆启动加速性
能；
⏹车载制动电阻以及相应的斩波控制，提高了车辆采购成本；
⏹制动电阻工作时发热量较大，带来隧道和站台内的温升问题；车辆上制动电
阻周围的布线要求高；
⏹制动电阻设置于车上容易受到灰尘、油污的侵染，且运行时的振动冲击使其
容易受损，经常维修费用高；
⏹制动电能没有得到二次利用；
2.2地面吸收方式
2.2.1电阻耗能型吸收方式
电阻耗能型吸收方式主电路示意图如图2所示，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，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，并将再生制动能量消耗在吸收电阻上。
图2：电阻耗能型吸收方式主电路示意图
电阻能耗型再生制动能量吸收装置技术成熟；斩波单元、电阻单元已实现模块化，维护维修方便；缺点是再生能量以发热的方式消耗，能量没有得到充分利用，电阻柜安装需要一定的散热条件。
2.2.2逆变回馈型吸收方式
逆变回馈型吸收方式主电路示意图如图3所示，采用IGBT等构成大功率三相逆变器。
该逆变器的直流侧与牵引电网直流母线相联，其输出连接到变电所的中压或低压母线。
当再生制动使牵引电网直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至城轨内部交流电网。
图3：逆变回馈型吸收方式主电路示意图
逆变回馈型吸收方式是将制动时产生的能量通过逆变装置回馈到交流电网，根据回馈电网电压等级可以分成低压400VAC能馈、中压10kVAC/35kVAC能馈。
回馈到400VAC系统的优点是回馈能量能最大限度被站内设备利用，节能效果显著；缺点是回馈容量受限，需要配置电阻耗能型吸收装置配合使用；
回馈到10kVAC/35kVAC系统的优点是回馈容量大，缺点是对电网有一定影响（电力公司是否愿意接收），且回馈至110KVAC的电能只有社会效益，地铁公司无经济效益。
（俗话说节电不节钱）
逆变回馈型再生能量吸收装置技术非常成熟，已经在风力发电、光伏发电中得到广泛应用。
逆变回馈单元采用模块化设计、维护维修便利。
2.2.3储能型吸收方式
储能型吸收方式主电路示意图如图4所示，采用超级电容作为储能元件，设置直流双向变流器作储能和回馈的功率控制转换。
在列车制动时将能量储存在超级电容中，在列车牵引时将储存的电能回送至牵引直流电网，保持牵引直流电网的稳定。
图4：储能型吸收方式主电路示意图
由于电容储能设备具有无损耗转换，且储存的电能全部应用于直流电网。
经济效益明显，还能改善电压特性。
由于环境温度、电容充放电频率、电容充放电深度直接影响电容的使用寿命，所以电容型地面再生制动吸收装置需要充分考虑
上述因素；由于目前超级电容的价格比较高，且能量密度较低，故设备价格偏高，设备体积偏大。
此外，储能型吸收装置还有一种采用飞轮的装置，能量密度大于超级电容，但其机械结构复杂，空载损耗较大。
个人认为超级电容储能型吸收装置是该类系统未来的发展方向。
2.2.4混合型吸收方式
混合型吸收方式是上述任意方式的组合，现场使用最多的是电阻+逆变混合型！
2.2.5各种吸收方式性能比较
表1：各种吸收方式性能比较
电阻耗能型逆变回馈型电容储能型混合型外形尺寸小小最大大
系统损耗最大小最小大
对电网影响无有无有
设备造价最低高最高低
电能利用全部消耗全部全部部分利用
3.吸收方式及产品应用
3.1电阻耗能型：
目前已在10余条运营线路中应用，数量超过200套；
⏹重庆2号线，跨坐式轻轨
⏹天津1号线；
⏹广州4号线，直线电机
⏹广州5号线，直线电机
⏹广州6号线，直线电机
⏹北京机场线，直线电机
⏹北京15号线中、东段；
⏹北京房山线；
⏹北京亦庄线；
⏹北京昌平线
⏹北京8号线
⏹郑州1号线等；
产品照片一
壁挂型电阻安装实例（北京地铁10号线二期）
3.2混合型（电阻消耗+逆变回馈）：
自从2009年重庆地铁3号线1期投运以来，先后在10余条线路中运行，数量超过110套。
⏹重庆3号线1期，跨坐式轻轨
⏹重庆3号线2期；
⏹重庆1号线；
⏹重庆6号线；
⏹北京10号线2期；
⏹北京14号线西段；
⏹北京6号线2期；
⏹北京7号线；
⏹北京s1；低速磁悬浮
⏹兰州地铁1号线；
电阻消耗+逆变回馈型设备实例（重庆6号线南延段）
3.3逆变回馈型（近期采用最多的方案）：
⏹北京15号线西段；
⏹北京14号线中段、东段；
⏹北京10号线（2套科研）；
⏹北京16号线；
⏹昆明1号线；
北京15号线西段
3.4电容储能型：
⏹北京5号线2套西门子产品（未运行）；
⏹北京地铁车辆装备有限公司试车线1套；
超级电容储能型吸收装置实例（京车装备试车线）4.节能效果
4.1重庆1、6号线2014年年度节能数据
4.2北京15号线西段节能数据
项目
调度号方向6月7月8月月平均日平均站名
正向1221121012971242.740.5清华东822
反向71419670407350770655.32304.0
正向1085116011341126.336.7北沙滩822
反向102441102602971651007363284.9
正向135013801401137744.9安立路822
反向525805140747309504321644.5
正向121110741078112136.5关庄站822
反向43708385133441838879.71267.8 4个站日平均回馈电能（3285+2304+1644.5+1267.8）/4=2125度，节电效果显著。
4.3运行曲线
北京地铁15号线西段某站一天运行历史曲线。
5.应用展望
过去，地面吸收装置仅应用于不带车载电阻的工程，是由于车辆的特殊构造，不便于安装车载电阻，只能依靠安装在牵引变电所的再生制动吸收装置电制动，
以满足运营要求，此后，在不采用车载电阻的普通轮轨车辆系统中也大量采用，现在由于节能的需要，逐渐往带车载电阻的工程中推广使用应用范围在不断扩大。
6.湖南恒信电气公司产品介绍
6.1产品组成
逆变回馈型吸收装置是将轨道交通车辆进站制动时产生的直流电能逆变成与交流电网同幅值、同相位交流电能的电力电子装置，其原理图如下所示。
装置包含直流控制柜一面、逆变柜若干面、升压变压器柜一面。
逆变柜配置数量根据系统需求吸收功率进行设置，一般为1～4面，每面逆变柜包含4个NPC模块和一个并网断路器。
图5：逆变回馈型主电路示意图
图6：现场安装照片
6.2产品特点
⏹系统模块化设计，便于维护，可N+X冗余配置，灵活扩容，系统可靠性高⏹系统采用三电平拓扑结构，谐波含量小
⏹故障时只有故障模块退出运行，系统功率损失小
⏹每个模块仅60∽70kg，维护及维修简便，系统恢复时间短
⏹模块根据需要数量并联，变压器简单且无特殊要求。
⏹能量双向流动，双向稳压；
⏹无功补偿功能；。