城市軌道交通車輛制動能量回收技術現(xiàn)狀及研究進展_楊儉

1、第33卷第2期2011年2月鐵 道 學 報JOU R NA L OF T H E CH IN A RA ILW A Y SO CI ET Y Vo l 133 No 12F ebr uar y 2011收稿日期:2009-08-20;修回日期:2009-10-09基金項目:國家自然科學基金(51075255;上海市教育委員會重點學科(J51401作者簡介:楊 儉(1962,男,黑龍江哈爾濱人,教授,博士。E -mail:yang2580sues 1edu 1cn文章編號:1001-8360(201102-0026-08城市軌道交通車輛制動能量回收技術現(xiàn)狀及研究進展楊 儉1, 李發(fā)揚2, 宋瑞剛

2、1, 方 宇1(11上海工程技術大學城市軌道交通學院,上海 201620;21紐約大學理工分校電氣與計算機工程系,布魯克林紐約美國 11201摘 要:在分析城市軌道交通車輛制動能量回收的可行性與潛力的基礎上,介紹國內(nèi)外各種制動能量回收技術,分析不同制動能量回收技術的特點,指出制動能量回收技術存在的問題、擬采取的解決方案和國內(nèi)外對此問題研究的熱點方向,并對該領域的發(fā)展趨勢進行討論,對了解國內(nèi)外該領域的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢提供可靠資料,有助于推動城市軌道交通車輛制動能量回收技術的發(fā)展。關鍵詞:城市軌道交通車輛;制動能量;制動能量回收中圖分類號:U 260 文獻標志碼:A do i:1013969/j

3、 1issn 11001-8360120111021005Review of the Utilization of Vehicular Braking Energyin Urban Railway TransportationYANG Jian 1,LI Fa -y ang 2,SONG Ru-i gang 1,FANG Yu1(11C ollege of U rban Railw ay T rans portation,Shanghai U niver sity of En gineering and Science,Shanghai 201620,C hina;21Departm ent

4、of Electrical an d Compu ter Engineering,Polytech nic Institute of New York University,Brooklyn,NY,11201,U SAAbstract:The feasibility and potentiality o f vehicular braking energy utilization in ur ban r ailw ay transpo rtation netw orks ar e discussed 1Existing techniques in this field are introduc

5、ed w ith their features analy zed and prob -lem s pointed out 1Resolv ing metho ds of these problems are proposed and current researching concerns on vehic -ular braking energ y utilization are investigated 1A prev iew of possible developm ents is presented finally 1These w ork w ill prov ide useful

6、 information for vehicular braking energy utilization in urban railw ay transpo rtation netw orks and co ntribute to the developm ent o f the urban railw ay vehicles 1Key words:urban railw ay transportation v ehicle;braking energ y;braking energy utilization 城市軌道交通具有運輸量大、行車速度快、舒適性好等優(yōu)點,加之城市軌道交通車輛采用電能

7、驅(qū)動,直接污染排放小,因此成為大都市優(yōu)先選擇的城市交通工具。城市軌道交通不僅在發(fā)達國家的大都市得到廣泛的應用,而且在新興的發(fā)展中國家如中國、印度和巴西的大都市得到快速的應用,并凸顯出城市軌道交通獨具魅力的優(yōu)勢。中國目前已在北京、上海、天津、廣州、深圳、大連、南京等城市進行商業(yè)化運行,并且有越來越多的城市擬采用城市軌道交通作為提升城市運輸能力的有效措施。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡的快速發(fā)展及軌道交通運輸相關技術的日趨成熟,城市交通運輸系統(tǒng)中的車輛本體制造技術、車輛和車站的自動化控制技術、城市軌道交通車輛調(diào)度和運行管理系統(tǒng)的技術水平都得到了大幅度提升。人們在關注城市軌道交通車輛舒適性和自動化程度的同時,

8、也逐漸意識到軌道車輛的環(huán)境效益和節(jié)能問題的重要性。城市軌道交通車輛具有站間距離短、車輛運行密度高等特點,在頻繁起動與制動的過程中會產(chǎn)生數(shù)量可觀的制動能量。當車輛發(fā)生再生制動時,產(chǎn)生的制動能量通過牽引機車轉(zhuǎn)換為電能,并通過牽引整流逆變單元傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)中,其中大部分能量通過接觸網(wǎng)被其他列車所吸收,很小的一部分用于自身的供能。在網(wǎng)壓較低、電流較大、無再生變電所的直流牽引網(wǎng)中,一般僅有30%50%的制動能量得到利用。提高第2期城市軌道交通車輛制動能量回收技術現(xiàn)狀及研究進展制動能量的利用率不僅能夠有效地減少能源消耗,也有利于車輛平穩(wěn)運行。因此,高效回收制動能量具有重要的環(huán)境效益和社會效益,對廣闊的城市軌

9、道交通市場也具有潛在的經(jīng)濟價值。近年來電力電子技術的快速發(fā)展和電力電子裝置技術水平的普及與提高,尤其是新一代儲能裝置超級電容的出現(xiàn),為城市軌道交通車輛制動能量的回收提供了新的技術途徑。城市軌道交通車輛制動能量的回收已成為國內(nèi)外車輛節(jié)能的研究熱點,目前已有許多研究機構(gòu)針對這個問題開展相關的研究,并取得了實質(zhì)性的進展和有可能進入商業(yè)化應用的研究成果。因此,了解國內(nèi)外當前城市軌道交通車輛制動能量回收的研究現(xiàn)狀、不同的回收技術途徑、回收過程中存在的問題,并對其未來的發(fā)展趨勢和可能存在的難點進行探討,對推動城市軌道交通車輛制動能量的回收進入商業(yè)化推廣應用具有實際意義。1城市軌道交通車輛制動能量回收的可行

10、性111城市軌道交通車輛的制動方式和制動過程城市軌道交通車輛的供電牽引變電所大多每隔一個車站設置一個,如圖1所示。車輛的制動分為再生制動、電阻制動和機械制動3種情況。以上海軌道交通2號線為例,接觸網(wǎng)額定電壓為1500V,車輛最大運行速度為80km/h,實際運行過程中制動初速度約為70km/h。當列車進站前開始制動時,列車停止從接觸網(wǎng)受電,電動機改為發(fā)電機工況,將列車運行的動能轉(zhuǎn)換為電能,產(chǎn)生制動力,使列車減速。設接觸網(wǎng)額定電壓為U,當滿足以下兩個條件時,列車可以進行再生制動并向接觸網(wǎng)反饋電能:一是接觸網(wǎng)電壓在1 112U(理論值,對應于上海軌道交通2號線為1500 1800V范圍內(nèi);二是再生電

11、能必須要由一定距離內(nèi)的其他列車吸收。如圖1所示,當車輛2距離車輛1足夠近且接觸網(wǎng)電壓在15001800V之間時,車輛2可以吸收車輛1所產(chǎn)生的反饋電能,從而使車輛1產(chǎn)生再生制動。當接觸網(wǎng)電壓過壓、欠壓或一定距離內(nèi)無其他車輛吸收反饋能量時,通過車輛的牽引控制單元(TCU切斷向接觸網(wǎng)反饋的電能,再生制動不能實現(xiàn),此時列車會自動切斷反饋電路,實施電阻制動。當列車速度小于8km/h時1,利用壓縮空氣作為動力源,對車輛實施機械制動,直至列車停止。在城市軌道交通車輛制動過程中,優(yōu)先采用再生制動,當不能實施再生制動時采用電阻制動。再生制動和電阻制動統(tǒng)稱為電制動, 其制動能量具有回收價值。圖1城市軌道車輛制動原

12、理示意圖112城市軌道交通車輛再生制動和電阻制動能量計算城市軌道交通車輛制動能量是否具有回收的可行性,需要對制動能量進行合理計算,并根據(jù)其大小確定制動能量是否具有實際回收價值?，F(xiàn)以一列上海軌道交通2號線6節(jié)車輛編組為例(4節(jié)動車,2節(jié)拖車,設軌道車輛的制動初速度為70km/h(V1,制動末速度為8km/h(V2,M為車輛和載客質(zhì)量,利用式(1計算電制動能量。E=12M V21-12M V22(1根據(jù)中國目前一些城市軌道交通車輛的統(tǒng)計數(shù)據(jù),車輛平均約每2min制動一次,如果車輛每天的運行時間平均為16h,則每天制動次數(shù)為480次,全年運行天數(shù)按照340天計算,每年制動次數(shù)為163200次。表1為

13、車輛輕載(AW1、滿載(AW2和超載(AW3 3種工況下電制動能量的計算結(jié)果。因為電制動包括再生制動和電阻制動,根據(jù)上海軌道交通2號線測試結(jié)果統(tǒng)計分析,電阻制動占電制動的比例大約為40%,如果將電阻制動能量的80%進行回收,按照工業(yè)用電每度為112元計算,則電阻制動能量及節(jié)約的費用見表2。表1電制動能量工況車輛及載客質(zhì)量/103k g一次電制動能量/106J一次電制動電量/(kW#h一年總的制動次數(shù)一年電制動電量/(kW#h AW125312471213111632002137920AW229014541215111632002464320AW3327166111171016320027744

14、00表2電阻制動能量及回收情況工況一年電阻制動次數(shù)一年電阻制動電量/(kW#h一年回收電量/(kW#h一年節(jié)約的費用/萬元AW165280855168684134148211AW265280985728788582149416 27鐵 道 學 報第33卷如果按照目前現(xiàn)代化燃煤電廠的供電效率40%計算,1kg 標準煤完全燃燒可產(chǎn)生2193107J(即7000kCal熱量,一年可節(jié)約的標準煤量和相應減少CO 2的排放量見表3。表3 回收電阻制動能量相應節(jié)約標準煤數(shù)量和減少的CO 2排放量工況一年電阻制動回收能量/1012J一年節(jié)約標準煤/t一年減少的CO 2排放量/tAW1214621010770

15、10AW221842411588515AW3312027310100110 因此,有效回收城市軌道交通車輛的制動能量,不僅可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益,而且可以顯著的改善環(huán)境,這就使最大化回收城市軌道交通車輛制動能量逐漸成為當今城市軌道交通節(jié)能技術的研究熱點。2 城市軌道交通車輛制動能量回收技術發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題211 城市軌道交通車輛再生制動能量回收技術發(fā)展現(xiàn)狀目前,國內(nèi)外比較流行的再生制動方案主要有器件儲能型和逆變供能型兩種。這兩種方案各有自己的獨特優(yōu)勢,因此在國際上都有應用實例,但也同樣都存在一些不足之處,需要進一步改進和完善。21111 器件儲能型 器件儲能型制動能量回收原理圖如圖2所示。器

16、件儲能型在使用電阻耗能型裝置作為備用系統(tǒng)的同時,主要采用雙向DC/DC 變換器將車輛的再生制動能量吸收到儲能器件中,當供電區(qū)間出現(xiàn)用電需求時,再將儲存的能量釋放出去。儲能元件近年來發(fā)展很快,其小型化和多元化的趨勢為器件儲能型制動能量回收技術提供了可靠的技術保障,并為未來該技術的應用指明了發(fā)展方向。根據(jù)儲能元件類型的不同,器件儲能型又可分為蓄電池儲能、飛輪儲能和電容儲能3種常見的類型。 圖2 器件儲能型制動能量回收原理示意圖(1蓄電池儲能蓄電池儲能型制動能量回收原理圖如圖3所示。其以蓄電池為儲能媒介,通過蓄電池的充放電實現(xiàn)再生制動能量的回收與二次利用。這種技術在電動汽車與混合動力車體上應用較為成

17、熟,在城市軌道交通制動能量回收方面尚缺乏綜合應用。蓄電池儲能的主要缺點是實現(xiàn)成本較高,控制復雜2和使用壽命有限,該技術目前在日本有小規(guī)模應用3。圖3 蓄電池儲能型制動能量回收原理示意圖(2飛輪儲能飛輪儲能型制動能量回收原理圖如圖4所示。飛輪儲能所用的飛輪分為高速飛輪與低速飛輪2種。其工作原理是在列車發(fā)生再生制動時,電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進行能量儲存,直至達到允許的最大轉(zhuǎn)速;當列車需求能量時,電動機切換到發(fā)電機工況,釋放飛輪中儲存的能量直至達到最低工作轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)變?yōu)樽冸娝╇姟ｏw輪儲能的儲能密度和效率都較高,安裝地點也十分靈活,但其壽命容易受到機械部件磨損的影響而大幅度降低。另外,飛輪儲能的投資與維護

18、費用均較高,目前已在DC 750V 網(wǎng)絡中有應用實例,并有一定的市場占有率4。圖4 飛輪儲能型制動能量回收原理示意圖(3電容儲能電容儲能型制動能量回收原理圖如圖5所示。與蓄電池儲能和飛輪儲能相比,電容作為儲能元件具有體積更小、容量更大、壽命更長以及充放電速度更快等特點,使電容儲能迅速成為器件儲能型中最具市場應用競爭力的制動能量回收技術。根據(jù)電容選擇的不同,電容儲能可分為小電壓大容量的超級電容技術和大電壓小容量的物理電容技術。ESH SP 系列超級電28第2期城市軌道交通車輛制動能量回收技術現(xiàn)狀及研究進展 容額定容量可達5000F,額定電壓217V,在可提供2547A 的最大放電電流情況下可以充

19、放電約500000次。這種電容由于電壓較小,需要采用大量電容串并聯(lián)技術以提高其耐壓能力。同時,EM H SR 系列物理電容額定電壓可達90V,額定容量218F,在可提供57A 的最大放電電流情況下,可以充放電約500000次。這類電容進入市場較晚,其特點是放電電流及能量密度均較小,重量較大且成本較高。 圖5 電容儲能型制動能量回收原理示意圖 21112 逆變供能型在逆變供能型方案中,采用大功率晶閘管三相逆變器連接直流母線和交流電網(wǎng)。當軌道車輛實現(xiàn)再生制動時,根據(jù)電流逆變后的流向和用途又可分為逆變回饋型和逆變負載型2種類型。(1逆變回饋型逆變回饋型制動系統(tǒng)原理圖如圖6所示。對于逆變回饋型制動能量

20、回收系統(tǒng),當車輛再生制動使直流電壓超過規(guī)定值時,交流電網(wǎng)將從DC 1500V/750V/600V 直流母線吸收直流電能并通過逆變器、變壓器將其轉(zhuǎn)換為AC 69kV/35kV/33kV 工頻交流電回饋至電網(wǎng)。這種方式主要局限于集中供電方式的城市軌道交通線路。對于存在分布式發(fā)電系統(tǒng)的線路,由于電網(wǎng)和分布式系統(tǒng)間電流雙向流動,倒送回電網(wǎng)的電能會造成電網(wǎng)電壓波動并增大電網(wǎng)的短路電流,這無疑為軌道車輛的運行埋下了安全隱患。逆變回饋型系統(tǒng)的另一個主要缺點是在信號的頻域分析中會產(chǎn)生較多的諧波,需要采取相應的濾波裝置治理諧波。該技術目前在歐洲及日本均已作為成熟技術推廣應用。(2逆變負載型逆變負載型制動系統(tǒng)原理

21、圖如圖7所示。與逆變回饋型不同,逆變負載型將吸收的直流電能轉(zhuǎn)換為AC 380V 直接供站內(nèi)和車載用電設備使用。這種方式實現(xiàn)較為簡單,但由于列車制動是間斷式的,負載用電的穩(wěn)定性是一大難題。該技術目前僅在日本有少量應用實例。212 城市軌道交通車輛再生制動能量回收過程中存在的問題在城市軌道交通車輛實際運行過程中,由于以下圖6 逆變回饋型制動系統(tǒng)原理示意圖圖7 逆變負載型制動系統(tǒng)原理示意圖一些因素的制約,使得目前再生制動能量回收效率不高,仍然存在較大的技術拓展空間。(1由于儲能裝置體積較為龐大,對于器件儲能型制動能量回收技術,需要在車輛上或變電所安裝儲能設備。然而城市軌道交通系統(tǒng)空間有限,對于已有線

22、路的車輛或變電所的基礎設施改造工作很困難。(2列車再生制動時系統(tǒng)的非線性,無論對于列車本體而言,還是對于其再生制動產(chǎn)生的能量分布,系統(tǒng)的非線性使得制動過程的建模變得非常復雜,可應用于線性系統(tǒng)簡化分析的工具如傳遞函數(shù)及頻域分析、卡曼分解等都不再適用。(3再生制動能量回收優(yōu)化方案的經(jīng)濟效益有待于通過工程應用的實踐來評估。在現(xiàn)有能量回收設備效率不高的基礎上,已提出一系列優(yōu)化方案。然而,由于在線測試費用十分昂貴,這些優(yōu)化方案的全面性和實際可操作性仍有待驗證。(4技術研究領域?qū)τ谠偕苿幽芰炕厥盏臐摿鸵饬x重視程度不夠。目前關于城市軌道交通再生制29鐵 道 學 報第33卷動能量回收技術的文獻,相比于同一

23、領域其他研究課題而言仍然較少,業(yè)界對再生制動能量回收技術的投入仍亟待增加。213 城市軌道交通車輛電阻制動能量分析與存在的問題電阻制動是將電制動能量通過電阻吸收以熱能形式耗散的制動方式,該方案的原理圖如圖8所示。它是目前國內(nèi)外應用比較廣泛的方案,該方案根據(jù)再生制動時直流母線的電壓變化狀況即時調(diào)節(jié)IGBT 斬波器的導通比,從而改變吸收功率,將直流電壓恒定在某一設定范圍內(nèi)。常見的制動能量消耗有兩種方式:一是分散消耗在車載制動電阻或地面制動電阻上,以熱能的形式排放至環(huán)境中;二是通過安裝在地面上的制動能量吸收裝置5-6吸收該能量,并將該能量傳輸至牽引變電所集中以熱能形式消耗。電阻耗能型具有控制簡單、價

24、格低廉、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。然而消耗在電阻上的熱能,不僅形成了熱污染,導致周圍環(huán)境溫度升高,從而增加了車站空調(diào)系統(tǒng)或變電所空調(diào)系統(tǒng)的耗電量,而且相比再生制動能量回收,該部分制動能量沒有得到回收利用,極大地降低了能量綜合使用效率。 圖8 電阻制動原理示意圖3 城市軌道交通車輛制動能量回收技術研究現(xiàn)狀311 城市軌道交通車輛再生制動能量回收技術研究現(xiàn)狀盡管在實際應用的過程中存在諸多困難,然而城市軌道交通車輛制動能量回收技術卻受到越來越多的關注,尤其是再生制動能量的回收潛力、回收途徑及回收經(jīng)濟效益和環(huán)境效益有效評價等得到了很多研究機構(gòu)的青睞。在分析制動能量回收技術之前,需要對不同地域制動能量的回收潛

25、力有所了解。L 1Latkovsis 和L 1Gr ig ans 7根據(jù)聯(lián)合概率分布的基本原理,對里加市城市軌道交通系統(tǒng)的11個變電所未回收的再生制動能量進行了估算。計算結(jié)果表明,各個變電所每年均有115M W #h 到12517M W #h 不等的再生制動能量可以得到進一步的回收利用。劉寶林8則通過對廣州地鐵1號線拖車牽引系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn),1號線車輛的再生制動能量中約48%反饋給電網(wǎng)被其他列車吸收,而消耗在制動電阻上的熱量僅有219%,其余部分均在列車運行過程中通過運行阻力耗散。由此認為,廣州地鐵1號線是否需要設置儲能器件進行儲能,仍需要在綜合評定節(jié)能效果和制造維修成本的基礎上進行合理決策

26、。在回收潛力明晰的基礎上,制動能量回收系統(tǒng)的建模工作,將對制動能量回收技術的優(yōu)化改進起到?jīng)Q定性作用。M 1Chy mera 9等通過仿真城市軌道交通電氣化系統(tǒng)的動態(tài)響應對該系統(tǒng)進行了分塊建模,特別是變電所及超級電容儲能裝置的電力模型,對于分析系統(tǒng)的電力特性具有指導性意義。A 1Rufer10等針對存在超級電容儲能裝置的變電所,建立了電力電子模型并提出了優(yōu)化問題及約束條件,使得系統(tǒng)優(yōu)化理論得以在制動能量回收系統(tǒng)中得到應用。另外,M 1N ankyo 等11,S 1H illmansen 和C 1Ro berts 12以及F 1Am po fo 等13也分別對再生制動能量回收系統(tǒng)進行了不同角度的建

27、模研究工作,包括反饋閉環(huán)控制器設計、運行過程的動力學分析和環(huán)境熱能數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。另一方面,A 1H ammar 14等對超級電容建立了更詳細的電熱模型,尤其是對超級電容的電熱指標進行了在線測試,并計算得出了不同類型超級電容在-25e 55e 溫度范圍內(nèi)的損耗與效率。池耀田4對于當前市面上流行的一些儲能器如飛輪儲能器、靜止電容儲能器及車載電容儲能器15的優(yōu)缺點進行了分析比較,輔之以車載仿真結(jié)果對各類儲能系統(tǒng)進行圖解說明。T 1Ise 16等則通過模糊控制的方法對超導磁儲能器件在混合動力車輛上的應用進行了可行性分析。這些工作無疑為儲能器件在器件儲能型制動能量回收系統(tǒng)的實際應用過程中的合理選取提供了科

28、學依據(jù)。在目前城市軌道交通車輛再生制動能量回收系統(tǒng)已得到初步商業(yè)化應用的前提下,趙立峰17等詳細介紹了中國首批電容儲能型回收系統(tǒng)應用于北京地鐵5號線的德國西門子公司SIT RAS SES 電容儲能式再生電能吸收裝置。而對于其他車體上已有的再生制動能量回收系統(tǒng),Jun H uang18等和P 1Bar rade 19等分別為電力汽車和柴油動力機車的再生制動能量回收提出了不同的優(yōu)化方案,包括無源無損緩沖器的設置、超級電容儲能器容量與尺寸的二次設計等。這些均對再生制動能量回收系統(tǒng)應用于城市軌道交通車輛具有借鑒意義。張雷20等與T 1Konishi21等則對制30第2期 城市軌道交通車輛制動 能量回收

29、技術現(xiàn)狀及研究進展 31 動能量回收系統(tǒng)進行 了 SIM UL INK 建模及仿 真, 得 到了制動過程中的電壓、 電流、 功率及能量曲線并進行 了數(shù)值分析, 從仿真角度模擬了能量回收系統(tǒng)在實際 運行過程中各項指標的變化趨勢。 3 2 1 城市軌道交通車輛電阻制動能量回收技術研究 現(xiàn)狀 由于電阻制動占電制動比例約為 40% , 因此城市 軌道交通車輛的電阻制動能量回收是非常必要的。然 而, 從當前國內(nèi)外電阻制動研究狀況來看, 大部分制動 能量回收研究均針對車輛的再生制動過程展開, 較少 涉及車輛的電阻制動過程。因此, 作為對再生制動能 量回收技術的有效補充, 作者 22 通過建立城市軌道交 通

30、車輛電阻制動能量回收實驗系統(tǒng), 進行了基于車載 的城市軌道交通車輛電阻制動能量回收方法的研究, 這里的/ 電阻制動能量回收技術0定義為制動能量在沒 有通過電阻吸收以前就被制動能量回收裝置回收的技 術。 效率如表 4 所示。城市軌道交通車輛電阻制動能量回 收方案在電阻制動原有特點的基礎上, 綜合了器件儲 能型和逆變供能型 2 種回收方式的優(yōu)點, 具有較強的 市場應用潛力。 表 4 各種工況下實驗系統(tǒng)的電阻制 動能量回收效率 工況 A W1 A W2 A W3 制動能量/ ( W # h 儲存能量/ ( W # h 23 10 1 33 50 1 37 20 1 18 70 1 27 64 1 3

31、1 05 1 回收效率/ % 80 94 1 82 50 1 83 47 1 4 制動能量回收技術研究發(fā)展趨勢及可能的 難點 在全球關注于節(jié)能減排以及大力推廣新能源技術 的 21 世紀, 制動能量的回收不僅用于城市軌道交通車 輛, 而且用于電動提升機、 電梯、 電動汽車和高速電牽 引列車, 并已經(jīng)進入商業(yè)化應用推廣階段。這無疑促 進了城市軌道交通車輛制動能量回收技術在中國的快 速發(fā)展。近年來, 城市軌道交通工程理論的成熟與車 輛部件生產(chǎn)精度的提高, 使得關于城市軌道交通車輛 制動能量回收方面的研究和應用取得了顯著的成就, 并具有良好的研究和市場發(fā)展前景。未來在軌道車輛 制動能量回收技術方面的研

32、究, 可以更關注于以下幾 個方向: ( 1 優(yōu)化列車運行方案, 提高再生能量利用率。由 于產(chǎn)生再生制動需要附近列車吸收部 分再生制動能 圖9 城市軌道交通車輛電阻制動能量回收方案原理圖 該系統(tǒng)通過機械控制方式來改變?nèi)夛w輪的檔次 以實現(xiàn)車輛慣量加載 3 種工況, 即車輛輕載、 滿載和超 載等工況, 并基于 NI 實驗系統(tǒng)軟件 L abVIEW 對車輛 牽引和制動的各種參數(shù)進行設定和測量。圖 9 所示為 城市軌道交通車輛電阻制 動能量回收方案 框圖。其 中, M CU 為主控制單元, 對大功率切換開關進行控制 以實現(xiàn)超級電容充電與制動電阻釋放 多余能量的切 換; A CU 為輔助控制單元, 對小

33、功率切換開關進行控 制以實現(xiàn)超級電容供電與車載交流電源供電的切換。 總體來說, 該方案以超級電容為儲能媒介, 對電阻制動 能量進行儲存, 并通過 DC/ AC 將該部分能量逆變?yōu)?工頻交流電供車載交流用電器使用。當電阻制動能量 過大時, 超級電容不能再吸收能量, 此時通過大功率切 換開關使得多余能量耗散在制動電阻上; 而當超級電 容內(nèi)能量不足時, 小功率切換開關將切換至車載交流 電源通路, 由車載交流電源向交流用電器供電。目前 電阻制動能量回收實驗系統(tǒng)的電阻制動能量回收率已 超過 80% , 各種工況下實驗系統(tǒng)的電阻制動能量回收 量, 如何優(yōu)化列車編排, 使再生制動能量更高效地得到 回收是非常

34、值得研究的一個問題, 可行的節(jié)能列車運 行圖能夠極大地提高再生能量利用率。 ( 2 軌道車輛再生制動與電阻制動能量的綜合利 用。由于電阻制動能量在電制動能量中占據(jù)著較大的 比例, 僅僅考慮再生制動能量回收不能滿足進一步節(jié) 能的要求。因此, 開展電阻制動能量的回收是潛力巨 大的一個熱點研究方向。 ( 3 以城市軌道交通車輛制動能量回收系統(tǒng)作為 電網(wǎng)中的分布式供能系統(tǒng)。由于軌道車輛制動能量回 收系統(tǒng)能夠使制動能量自產(chǎn)自銷, 因此滿足分布式供 能系統(tǒng)的基本概念, 有可能在不遠的將來, 城市軌道交 通車輛與軌道周邊居民區(qū)或工業(yè)區(qū)的電源耦合, 發(fā)展 為一個組合式的分布式供能系統(tǒng), 提高供能系統(tǒng)的安 全性

35、和經(jīng)濟性。 ( 4 制動能量回收系統(tǒng)的研發(fā)機構(gòu)應與車輛制造 廠家進行更加有效的溝通和技術合作, 使制動能量回 收系統(tǒng)與整車進行整體優(yōu)化, 在整車技術性能和空間 布局方面完美結(jié)合, 實現(xiàn)整車技術最優(yōu)化。 32 鐵 道 學 報 第 33 卷 然而, 在針對這些方向開展研究并付諸實際應用 的過程中, 還存在著諸多困難需要克服, 其中包括: ( 1 列車數(shù)量與軌道運行環(huán)境的限制。對于每一 條特定的線路, 其軌道車輛數(shù)量都是有限的, 多購進列 車就增加了運營成本; 另外, 軌道建設的硬件設施也對 列車運行密度有一定的限制。因此, 在編制最優(yōu)的列 車運行圖的過程中, 往往需要在最節(jié)能方案與最低成 本之間做

36、出權衡。 ( 2 解決強大電流對系統(tǒng)中電力電子器件的沖擊 問題。上海軌道交通 2 號線的在線測試數(shù)據(jù)表明, 在 電阻制動過程中電阻制動瞬時電流會超過 900 A, 最 高可達 1 100 A 22 ; 而且在電阻制動能量回收方案中, 大、 小功率開關的頻繁切換會對系統(tǒng)中的電力電子器 件產(chǎn)生極大的電流沖擊, 嚴重影響器件的使 用壽命。 因此如何設計大容量耐沖擊的電力電子系統(tǒng)是目前較 難解決的問題。 ( 3 分布式供能系統(tǒng)理論尚需完善, 實際可操作性 有待于驗證。分布式供能系統(tǒng)是近些年才逐漸得到重 視的概念, 目前僅有待修訂的 IEEE 1547 標準 23 對該 類系統(tǒng)進行了相關規(guī)定; 關于分布

37、式供能系統(tǒng)的相關 研究目前大多還僅限于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等抽 象模型, 建立一套完整的理論系統(tǒng)尚需時日。另一方 面, 城市軌道交通車輛制動能量回收系統(tǒng)中的電壓、 電 流均較大, 對電網(wǎng)的沖擊也很大, 而且往往需要整流逆 變裝置對其進行處理, 如何安全可靠地在電網(wǎng)中以分 布式發(fā)電系統(tǒng)形式運行仍需進行控制 理論的相關研 究。 ( 4 車輛制造廠家在空間布局、 設備布置、 子系統(tǒng) 控制與整車系統(tǒng)控制之間的連接與匹配等方面, 能否 與制動能量回收系統(tǒng)的研發(fā)機構(gòu)進行良好的合作, 是 最大限度發(fā)揮制動能量回收系統(tǒng)節(jié)能 效果的關鍵問 題, 而市場實際應用效果是檢驗車輛制造廠家和制動 能量回收系統(tǒng)研發(fā)機構(gòu)

38、合作成敗的具體體現(xiàn)。 廣, 制動能量回收技術逐漸會顯現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟效益 和環(huán)境效益, 逐步在不同類型的軌道交通車輛上推廣 應用, 實現(xiàn)制動能量回收的良好經(jīng)濟效益和社會效益。 參考文獻: 1 周劍斌, 蘇浚, 何泳斌1 地鐵列車運行再生能量 利用的研究 J1 城市軌道交通研究, 2004, 7( 4 : 33 35 - 1 ZHOU Jian bin, SU Jun, H E Yong bin Utilization of Trains - 1 Reg ener ativ e Ener gy in M etro Sy st em J 1 U r ban M etro T ransit, 2004

39、, 7( 4 : 33 351 2 Barcag lioni M Battery Sto rag e Plant to Impro ve Ener gy 1 Sav ing and Securit y o f Subw ay Elect ric Supply C / / Pr o ceeding s o f t he IEE Internatio nal Co nfer ence o n Electr ic Railway in a U nited Euro pe, 1995: 87 91 - 1 3 Sameshima H , O gasa M , Y amamoto T1 On bo ar

40、 d Charac ter istics of Recha rg eable L ithium Ion Batter ies fo r Im pr o ving Energ y Regenerativ e Efficiency R 1 Q uarter ly Re po rt of R ailw ay T echnical Research Institute, 2004, 45 ( 2 : 45 52 - 1 4 池耀田1 城軌交通系統(tǒng)儲 能器的發(fā)展 J1 都市快 軌交通, 2005, 18( 3 : 1 6 -1 CH I Yao tian Development of Ener gy S

41、to rage Devices in - 1 U r ban M ass T ransit Sy stems J 1 U rban M ass T ransit, 2005, 18( 3 : 1 6 -1 5 陳貴榮, 劉少克1 唐山中低 速磁懸 浮列車 試驗線 地面再 生 制動能量吸收裝置 的設計 J1 機車 電傳動, 2008, ( 2 : 38 43 1 CH EN G u- rong , LIU Shao ke Desig n of Ener gy A bsorpi - 1 tio n U nit of Gr ound R eg enerativ e Braking in T ang

42、shan T est L ine of M id to low Speed M ag lev V ehicle J 1 Electr ic - Dr iv e fo r L oco motiv es, 2008, ( 2 : 38 431 6 李珞1 重慶 單軌 交通再 生制 動 能量 地面 吸收 裝置 的應 用 J1 現(xiàn)代城市軌道交通, 2005, ( 4 : 18 21 - 1 L I L uo A pplicatio n of T rackside A bsor bing Device of Re 1 generated Br ake Energ y fo r M o norail T

43、ransit in Chong qing J1 M o der n U rban T ransit, 2005, ( 4 : 18 21 - 1 7 L A T K OV SKI S L, GR IGA N S L Estimatio n of the U n1 tapped Regenerat ive Br aking Ener gy in U r ban Electr ic T ranspor tatio n Netw or k C / / Pro ceedings of 13th Inter nat ional Po wer Electr onics and M o tio n Co n

44、tr ol Confer ence, 2008: 2066 2070 1 8 劉寶林 1 地 鐵列 車能 耗 分析 J1 電 力機 車 與城 軌 車輛, 2007, 30( 4 : 65 70 - 1 L IU Bao lin A na lysis o n Ener gy Co nsumption of M etro - 1 T ain J1 Elect ric L ocomo tiv es and M ass T ransit Vehicles, 2007, 30( 4 : 65 70 - 1 9 CH YM ER A M , REN FREW A , BA RN ES M1 Ener gy

45、 Sto r ag e Devices in Ra ilw ay Systems C / / Seminar o n Inno va tion in the R ailw ay s: Evolut ion or Revo lutio n Birming ham, 1 5 結(jié)束語 隨著城市軌道交通系統(tǒng)的日趨普及和逐漸完善, 城市軌道車輛制動能量的回收利用逐漸成為人們關注 的焦點。城市軌道交通車輛在制動過程中會產(chǎn)生數(shù)量 可觀的制動能量, 具有回收價值。電力電子器件制造 工藝的飛速發(fā)展使得制動能量回收系統(tǒng)越來越多樣化 和集成化, 為研發(fā)過程提供了可選擇性。城市軌道交 通車輛制動能量回收技術擁有非?？?/p>

46、喜的研究現(xiàn)狀和 廣闊的應用前景。在制動能量回收系統(tǒng)研發(fā)和應用過 程當中還存在一些技術因素的制約與認識上的障礙, 但隨著制動能量回收技術的完善和商 業(yè)化應用的推 第2期 U K: A ustin Court, 2006 1 城市軌道交通車輛制動 能量回收技術現(xiàn)狀及研究進展 33 ZHA O L- feng, ZHA N G F a ming Regenerative Ener gy i 1 Absor pt ion Dev ices in Beijing M etro L ine 5 J1 M odern U rban T ransit, 2008, ( 1 : 6 8 -1 18 HU AN

47、G J1 Resear ch o n Impr oving Ener gy Regeneration Efficiency of Super Capacitor s Electric Bus C / / Pr o ceedings of I EEE V ehicle Po wer and Pr opulsion Confer ence, 2008: 1 5 -1 19 BA RR ADE P , DEST RA Z B, R U FER A1 H y br id Vehicle in Railw ays A pplications: Supercapacit ive Ener gy Sto r

48、ag e for D iese- electr ic L ocomot ives C / / P roceeding s o f the l V ehicular Po wer and P ropulsio n Sy mpo sium, 2004: 1 6 -1 20 張雷, 薛小軍, 張楨琦, 等1 一種新型制動能量回收系統(tǒng) 的 仿真研究 J1 電力機車與城軌車輛, 2007, 30( 2 : 23 25 - 1 ZHA N G L ei, X U E X iao jun, ZH A N G Zhen qi, et al1 Re search on the Simulat ion o f a

49、 No vel Breaking Energ y Re cov ery System J1 Elect ric L ocomot ives and M ass T r ansit Vehicles, 2007, 30( 2 : 23 25 - 1 21 K ON ISH I T , H ASE S, NA K A M ICH Y Ver ification 1 T ests of Energ y Sto rag e Sy stem for DC Electr ified Rail way s U sing EDL C R 1 Quart erly Repo rt o f Railway T e

50、chnical Research Inst itute, 2007, 48 ( 2 : 71 771 22 楊儉, 黃厚明, 方宇1 上海 軌道交 通 2 號 線列車 運行能 耗 分析 J1 內(nèi)燃機車, 2009, ( 4 : 23 25 - 1 YA N G Jian, HU AN G Ho u ming , F A NG Y u Ener gy 1 Co nsumptions of T ra ins on Shanghai M etro L ine 2 J 1 Diesel Lo comotives, 2009, ( 4 : 23 25 - 1 23 IEEE Std 1547 2003 IEEE Standar d fo r Inter connecting 1 Distr ibuted Resources wit h Elect ric P ower Systems 1 10 RU FER A, BARR AD E P, HO T EL LI ER D P ow er Elec 1 t ronic Int