再生制动培训讲义

再生制动能量吸收利用培训讲义

一、列车再生制动能量利用的意义轨道交通作为一种大运量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色，其列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等特点。目前轨道交通普遍采用的VVVF动车组列车，其制动一般为电制动即（再生制动、电阻制动）和空气制动两级制动，运行中以再生制动和电阻制动为主，空气制动为辅。在列车运行速度较高时，使用再生制动和电阻制动，当列车减速到一定速度再生制动不起作用时，使用空气制动。一般城市轨道交通制动能量可达到牵引能量的20～50％以上，部分再生制动的能量可以被线路上相邻车辆和本车辅助用电吸收，如不能被吸收则转换为车载电阻消耗或空气制动机械消耗。传统的列车电阻制动做法是将制动电阻装设在车辆底部，当再生电阻不再起作用时采用空气制动。传统的列车电阻制动产生的大量热量散发在地铁隧道内，在大运量、高密度的运行条件下，使地铁洞体的温升加剧，提高了对通风系统的要求。因此，上述列车制动方式存在的弊端主要体现在部分再生制动能量不能被相邻车辆吸收，通过车辆上制动电阻发热消耗或空气制动消耗，浪费了大量电能。二、再生制动能量吸收利用装置1、工作原理再生制动能量吸收利用装置的主要工作原理为，当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生制动能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。2.再生制动能量吸收利用装置类型为了将机车制动电能能够充分吸收利用，世界各轨道交通发达的国家，都在积极探讨制动能量的利用模式，主要包括电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型（包括逆变至中压和逆变至低压）等方式。（1）电阻耗能型电阻耗能型再生电能吸收装置实质就是将车辆上的制动电阻移至地面，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，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。装置主要由隔离开关柜、制动控制柜（IGBT斩波器）和制动电阻柜组成，通过直流开关柜挂接在牵引变电所直流母线上。电阻耗能型再生电能吸收装置的主接线见下图所示：

图2-1电阻耗能型装置接线示意图优点：控制简单且直观，可以取消（或减少）列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；能够降低隧道温度、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗和闸瓦制动粉尘、净化隧道环境，而且国内有比较成熟产品制造，价格较低。缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上集中发热消耗，对再生能量不能有效利用；电阻散热导致环境温度上升，由于发热较高，需放置于地面，涉及到与地方规划部门的协调征地问题。声音刺耳，易引起周围居民投诉。从技术发展角度，电阻耗能型电能吸收装置不代表再生能量吸收技术的发展方向。（1）电阻耗能型装置（2）电容储能型电容储能型再生电能吸收装置主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。装置主要由IGBT充电器、储能电容器和控制器构成，电容器通过充电器挂接在牵引变电所直流母线上。电容储能型制动能量吸收利用系统的接线见下图所示：图2-2电容储能型系统接线示意图电容储能装置具有储能（储存车辆再生能量）和稳压（稳定牵引网电压）两种工作模式，两种工作模式可以相互切换。该装置优点：可减少或取消列车制动电阻的容量，有效利用了列车制动时再生能量，节能效益好；能够稳定接触网电压；该装置为静态电容储能装置，维护和元器件更换较为方便。该装置的缺点：采用电容作为存储介质，一直存在寿命短的质疑；容量小、造价高；国内产品无应用。(3）飞轮储能型飞轮储能型再生电能吸收装置，通过对变电所直流空载电压、母线电压的跟踪判断，确定是否有列车在再生制动且再生能量能不能完全被本车辅助设备和相邻车辆吸收。当判断变电所附近列车有再生能量需要吸收时，飞轮加速转动，储存能量；当判断变电所附近有列车启动牵引用电时，飞轮转速降低，作为发电设备向牵引网反馈电能。该产品除具有电能吸收功能外还具有稳压功能，通过设置运行状态，可在牵引网电压较高时吸收电能、在电压较低时释放电能，稳定电压。装置主要由IGBT变流器（逆变和整流）、旋转电机（飞轮）和控制器构成。

飞轮储能装置的接线原理见下图所示：

图2-3飞轮储能型系统接线示意图该产品的优点：该技术有效利用了列车制动时再生能量，具有节能效益；直接接在牵引网与回流轨间或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对交流系统不会造成影响；能够稳定接触网电压。该产品的缺点：飞轮毕竟是高速转动机械产品，尽管采用了真空环境和特殊轴类制造技术，且厂家保证使用寿命可以到达20年，但目前没有工程应用的先例，难免担心其使用寿命是否能满足要求，维护维修是否方便。对于运量较大的地铁线路，目前的产品单体容量较小，不能满足完全吸收列车再生能量的需要；若采用几套装置并联工作的形式使容量满足要求，将使设备价格将成倍增加。(4)逆变回馈型逆变回馈型再生电能吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上；当再生制动使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交流电网。根据回馈路径和电压等级的不同，逆变回馈型方式又分为低压逆变型（逆变至0.4kV）和中压逆变型（逆变至10kV或35kV）两类。1）低压逆变型低压逆变型再生电能吸收装置逆变后的电能仅用于车站的低压设备，制动能量不能被完全吸收，因此往往采用逆变+电阻混合型。主电路由电动隔离开关、线路接触器、滤波装置、IGBT电阻吸收装置、IGBT逆变回馈装置、隔离变压器、电流和电压传感器，控制电源、微机控制系统等构成。

其电气主接线图如下。

图2-4逆变+电阻混合型系统接线示意图该装置的优点：部分利用了列车再生制动能量，具有一定的节能作用；其能量直接回馈到车站AC0.4kV电网，不需要配置储能元件。该装置的缺点：技术上属于电阻耗能型和全逆变型的过渡产品；受限于低压侧负荷容量，再生电能得不到充分利用；将电能逆变至低压侧，系统容量小，供电质量易受影响。2）中压逆变型中压逆变型再生能量吸收装置，将直流侧的机车制动电能转化为交流侧电能送回中压交流电网中。利用了35kV系统较大的供电系统负荷容量为支撑，提高列车再生制动能量的利用率，节能效果好。装置的系统构成主要包括能馈变压器、双向变流器柜、直流柜等。其主接线如下图所示。图2-5中压逆变型系统接线示意图该装置的优点：充分利用了列车再生制动能量，提高了再生制动能量的利用率，节能效果好；其能量直接回馈到中压环