城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展_楊儉

1、第33卷第2期2011年2月鐵 道 學(xué) 報(bào)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51075255;上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科(J51401作者簡(jiǎn)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(hào):1001-8360(201102-0026-08城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展楊 儉1, 李發(fā)揚(yáng)2, 宋瑞剛

2、1, 方 宇1(11上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620;21紐約大學(xué)理工分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系,布魯克林紐約美國(guó) 11201摘 要:在分析城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收的可行性與潛力的基礎(chǔ)上,介紹國(guó)內(nèi)外各種制動(dòng)能量回收技術(shù),分析不同制動(dòng)能量回收技術(shù)的特點(diǎn),指出制動(dòng)能量回收技術(shù)存在的問(wèn)題、擬采取的解決方案和國(guó)內(nèi)外對(duì)此問(wèn)題研究的熱點(diǎn)方向,并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論,對(duì)了解國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)提供可靠資料,有助于推動(dòng)城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞:城市軌道交通車(chē)輛;制動(dòng)能量;制動(dòng)能量回收中圖分類(lèi)號(hào):U 260 文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)輸量大、行車(chē)速度快、舒適性好等優(yōu)點(diǎn),加之城市軌道交通車(chē)輛采用電能

7、驅(qū)動(dòng),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(dá)國(guó)家的大都市得到廣泛的應(yīng)用,而且在新興的發(fā)展中國(guó)家如中國(guó)、印度和巴西的大都市得到快速的應(yīng)用,并凸顯出城市軌道交通獨(dú)具魅力的優(yōu)勢(shì)。中國(guó)目前已在北京、上海、天津、廣州、深圳、大連、南京等城市進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行,并且有越來(lái)越多的城市擬采用城市軌道交通作為提升城市運(yùn)輸能力的有效措施。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展及軌道交通運(yùn)輸相關(guān)技術(shù)的日趨成熟,城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的車(chē)輛本體制造技術(shù)、車(chē)輛和車(chē)站的自動(dòng)化控制技術(shù)、城市軌道交通車(chē)輛調(diào)度和運(yùn)行管理系統(tǒng)的技術(shù)水平都得到了大幅度提升。人們?cè)陉P(guān)注城市軌道交通車(chē)輛舒適性和自動(dòng)化程度的同時(shí),

8、也逐漸意識(shí)到軌道車(chē)輛的環(huán)境效益和節(jié)能問(wèn)題的重要性。城市軌道交通車(chē)輛具有站間距離短、車(chē)輛運(yùn)行密度高等特點(diǎn),在頻繁起動(dòng)與制動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生數(shù)量可觀的制動(dòng)能量。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生再生制動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的制動(dòng)能量通過(guò)牽引機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換為電能,并通過(guò)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(guò)接觸網(wǎng)被其他列車(chē)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(wú)再生變電所的直流牽引網(wǎng)中,一般僅有30%50%的制動(dòng)能量得到利用。提高第2期城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展制動(dòng)能量的利用率不僅能夠有效地減少能源消耗,也有利于車(chē)輛平穩(wěn)運(yùn)行。因此,高效回收制動(dòng)能量具有重要的環(huán)境效益和社會(huì)效益,對(duì)廣闊的城市軌

9、道交通市場(chǎng)也具有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來(lái)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和電力電子裝置技術(shù)水平的普及與提高,尤其是新一代儲(chǔ)能裝置超級(jí)電容的出現(xiàn),為城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量的回收提供了新的技術(shù)途徑。城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量的回收已成為國(guó)內(nèi)外車(chē)輛節(jié)能的研究熱點(diǎn),目前已有許多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)的研究,并取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展和有可能進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的研究成果。因此,了解國(guó)內(nèi)外當(dāng)前城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收的研究現(xiàn)狀、不同的回收技術(shù)途徑、回收過(guò)程中存在的問(wèn)題,并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和可能存在的難點(diǎn)進(jìn)行探討,對(duì)推動(dòng)城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量的回收進(jìn)入商業(yè)化推廣應(yīng)用具有實(shí)際意義。1城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收的可行

10、性111城市軌道交通車(chē)輛的制動(dòng)方式和制動(dòng)過(guò)程城市軌道交通車(chē)輛的供電牽引變電所大多每隔一個(gè)車(chē)站設(shè)置一個(gè),如圖1所示。車(chē)輛的制動(dòng)分為再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)3種情況。以上海軌道交通2號(hào)線(xiàn)為例,接觸網(wǎng)額定電壓為1500V,車(chē)輛最大運(yùn)行速度為80km/h,實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中制動(dòng)初速度約為70km/h。當(dāng)列車(chē)進(jìn)站前開(kāi)始制動(dòng)時(shí),列車(chē)停止從接觸網(wǎng)受電,電動(dòng)機(jī)改為發(fā)電機(jī)工況,將列車(chē)運(yùn)行的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能,產(chǎn)生制動(dòng)力,使列車(chē)減速。設(shè)接觸網(wǎng)額定電壓為U,當(dāng)滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件時(shí),列車(chē)可以進(jìn)行再生制動(dòng)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(duì)應(yīng)于上海軌道交通2號(hào)線(xiàn)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(chē)吸收。如圖1所示,當(dāng)車(chē)輛2距離車(chē)輛1足夠近且接觸網(wǎng)電壓在15001800V之間時(shí),車(chē)輛2可以吸收車(chē)輛1所產(chǎn)生的反饋電能,從而使車(chē)輛1產(chǎn)生再生制動(dòng)。當(dāng)接觸網(wǎng)電壓過(guò)壓、欠壓或一定距離內(nèi)無(wú)其他車(chē)輛吸收反饋能量時(shí),通過(guò)車(chē)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(dòng)不能實(shí)現(xiàn),此時(shí)列車(chē)會(huì)自動(dòng)切斷反饋電路,實(shí)施電阻制動(dòng)。當(dāng)列車(chē)速度小于8km/h時(shí)1,利用壓縮空氣作為動(dòng)力源,對(duì)車(chē)輛實(shí)施機(jī)械制動(dòng),直至列車(chē)停止。在城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中,優(yōu)先采用再生制動(dòng),當(dāng)不能實(shí)施再生制動(dòng)時(shí)采用電阻制動(dòng)。再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)統(tǒng)稱(chēng)為電制動(dòng), 其制動(dòng)能量具有回收價(jià)值。圖1城市軌道車(chē)輛制動(dòng)原

12、理示意圖112城市軌道交通車(chē)輛再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)能量計(jì)算城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量是否具有回收的可行性,需要對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行合理計(jì)算,并根據(jù)其大小確定制動(dòng)能量是否具有實(shí)際回收價(jià)值?，F(xiàn)以一列上海軌道交通2號(hào)線(xiàn)6節(jié)車(chē)輛編組為例(4節(jié)動(dòng)車(chē),2節(jié)拖車(chē),設(shè)軌道車(chē)輛的制動(dòng)初速度為70km/h(V1,制動(dòng)末速度為8km/h(V2,M為車(chē)輛和載客質(zhì)量,利用式(1計(jì)算電制動(dòng)能量。E=12M V21-12M V22(1根據(jù)中國(guó)目前一些城市軌道交通車(chē)輛的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),車(chē)輛平均約每2min制動(dòng)一次,如果車(chē)輛每天的運(yùn)行時(shí)間平均為16h,則每天制動(dòng)次數(shù)為480次,全年運(yùn)行天數(shù)按照340天計(jì)算,每年制動(dòng)次數(shù)為163200次。表1為

13、車(chē)輛輕載(AW1、滿(mǎn)載(AW2和超載(AW3 3種工況下電制動(dòng)能量的計(jì)算結(jié)果。因?yàn)殡娭苿?dòng)包括再生制動(dòng)和電阻制動(dòng),根據(jù)上海軌道交通2號(hào)線(xiàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,電阻制動(dòng)占電制動(dòng)的比例大約為40%,如果將電阻制動(dòng)能量的80%進(jìn)行回收,按照工業(yè)用電每度為112元計(jì)算,則電阻制動(dòng)能量及節(jié)約的費(fèi)用見(jiàn)表2。表1電制動(dòng)能量工況車(chē)輛及載客質(zhì)量/103k g一次電制動(dòng)能量/106J一次電制動(dòng)電量/(kW#h一年總的制動(dòng)次數(shù)一年電制動(dòng)電量/(kW#h AW125312471213111632002137920AW229014541215111632002464320AW3327166111171016320027744

14、00表2電阻制動(dòng)能量及回收情況工況一年電阻制動(dòng)次數(shù)一年電阻制動(dòng)電量/(kW#h一年回收電量/(kW#h一年節(jié)約的費(fèi)用/萬(wàn)元AW165280855168684134148211AW265280985728788582149416 27鐵 道 學(xué) 報(bào)第33卷如果按照目前現(xiàn)代化燃煤電廠的供電效率40%計(jì)算,1kg 標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒可產(chǎn)生2193107J(即7000kCal熱量,一年可節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤量和相應(yīng)減少CO 2的排放量見(jiàn)表3。表3 回收電阻制動(dòng)能量相應(yīng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)量和減少的CO 2排放量工況一年電阻制動(dòng)回收能量/1012J一年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)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(chē)輛的制動(dòng)能量,不僅可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)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(chē)輛制動(dòng)能量逐漸成為當(dāng)今城市軌道交通節(jié)能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。2 城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題211 城市軌道交通車(chē)輛再生制動(dòng)能量回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前,國(guó)內(nèi)外比較流行的再生制動(dòng)方案主要有器件儲(chǔ)能型和逆變供能型兩種。這兩種方案各有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因此在國(guó)際上都有應(yīng)用實(shí)例,但也同樣都存在一些不足之處,需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。21111 器件儲(chǔ)能型 器件儲(chǔ)能型制動(dòng)能量回收原理圖如圖2所示。器

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

17、熟,在城市軌道交通制動(dòng)能量回收方面尚缺乏綜合應(yīng)用。蓄電池儲(chǔ)能的主要缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)成本較高,控制復(fù)雜2和使用壽命有限,該技術(shù)目前在日本有小規(guī)模應(yīng)用3。圖3 蓄電池儲(chǔ)能型制動(dòng)能量回收原理示意圖(2飛輪儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能型制動(dòng)能量回收原理圖如圖4所示。飛輪儲(chǔ)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(chē)發(fā)生再生制動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存,直至達(dá)到允許的最大轉(zhuǎn)速;當(dāng)列車(chē)需求能量時(shí),電動(dòng)機(jī)切換到發(fā)電機(jī)工況,釋放飛輪中儲(chǔ)存的能量直至達(dá)到最低工作轉(zhuǎn)速并轉(zhuǎn)變?yōu)樽冸娝╇?。飛輪儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度和效率都較高,安裝地點(diǎn)也十分靈活,但其壽命容易受到機(jī)械部件磨損的影響而大幅度降低。另外,飛輪儲(chǔ)能的投資與維護(hù)

18、費(fèi)用均較高,目前已在DC 750V 網(wǎng)絡(luò)中有應(yīng)用實(shí)例,并有一定的市場(chǎng)占有率4。圖4 飛輪儲(chǔ)能型制動(dòng)能量回收原理示意圖(3電容儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能型制動(dòng)能量回收原理圖如圖5所示。與蓄電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能相比,電容作為儲(chǔ)能元件具有體積更小、容量更大、壽命更長(zhǎng)以及充放電速度更快等特點(diǎn),使電容儲(chǔ)能迅速成為器件儲(chǔ)能型中最具市場(chǎng)應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)力的制動(dòng)能量回收技術(shù)。根據(jù)電容選擇的不同,電容儲(chǔ)能可分為小電壓大容量的超級(jí)電容技術(shù)和大電壓小容量的物理電容技術(shù)。ESH SP 系列超級(jí)電28第2期城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展 容額定容量可達(dá)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(shù)以提高其耐壓能力。同時(shí),EM H SR 系列物理電容額定電壓可達(dá)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(lèi)電容進(jìn)入市場(chǎng)較晚,其特點(diǎn)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(chǔ)能型制動(dòng)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(xiàn)和交流電網(wǎng)。當(dāng)軌道車(chē)輛實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)時(shí),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(fù)載型2種類(lèi)型。(1逆變回饋型逆變回饋型制動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖6所示。對(duì)于逆變回饋型制動(dòng)能量

20、回收系統(tǒng),當(dāng)車(chē)輛再生制動(dòng)使直流電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí),交流電網(wǎng)將從DC 1500V/750V/600V 直流母線(xiàn)吸收直流電能并通過(guò)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(xiàn)路。對(duì)于存在分布式發(fā)電系統(tǒng)的線(xiàn)路,由于電網(wǎng)和分布式系統(tǒng)間電流雙向流動(dòng),倒送回電網(wǎng)的電能會(huì)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)并增大電網(wǎng)的短路電流,這無(wú)疑為軌道車(chē)輛的運(yùn)行埋下了安全隱患。逆變回饋型系統(tǒng)的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是在信號(hào)的頻域分析中會(huì)產(chǎn)生較多的諧波,需要采取相應(yīng)的濾波裝置治理諧波。該技術(shù)目前在歐洲及日本均已作為成熟技術(shù)推廣應(yīng)用。(2逆變負(fù)載型逆變負(fù)載型制動(dòng)系統(tǒng)原理

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

22、路的車(chē)輛或變電所的基礎(chǔ)設(shè)施改造工作很困難。(2列車(chē)再生制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的非線(xiàn)性,無(wú)論對(duì)于列車(chē)本體而言,還是對(duì)于其再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量分布,系統(tǒng)的非線(xiàn)性使得制動(dòng)過(guò)程的建模變得非常復(fù)雜,可應(yīng)用于線(xiàn)性系統(tǒng)簡(jiǎn)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(dòng)能量回收優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益有待于通過(guò)工程應(yīng)用的實(shí)踐來(lái)評(píng)估。在現(xiàn)有能量回收設(shè)備效率不高的基礎(chǔ)上,已提出一系列優(yōu)化方案。然而,由于在線(xiàn)測(cè)試費(fèi)用十分昂貴,這些優(yōu)化方案的全面性和實(shí)際可操作性仍有待驗(yàn)證。(4技術(shù)研究領(lǐng)域?qū)τ谠偕苿?dòng)能量回收的潛力和意義重視程度不夠。目前關(guān)于城市軌道交通再生制29鐵 道 學(xué) 報(bào)第33卷動(dòng)能量回收技術(shù)的文獻(xiàn),相比于同一

23、領(lǐng)域其他研究課題而言仍然較少,業(yè)界對(duì)再生制動(dòng)能量回收技術(shù)的投入仍亟待增加。213 城市軌道交通車(chē)輛電阻制動(dòng)能量分析與存在的問(wèn)題電阻制動(dòng)是將電制動(dòng)能量通過(guò)電阻吸收以熱能形式耗散的制動(dòng)方式,該方案的原理圖如圖8所示。它是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的方案,該方案根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線(xiàn)的電壓變化狀況即時(shí)調(diào)節(jié)IGBT 斬波器的導(dǎo)通比,從而改變吸收功率,將直流電壓恒定在某一設(shè)定范圍內(nèi)。常見(jiàn)的制動(dòng)能量消耗有兩種方式:一是分散消耗在車(chē)載制動(dòng)電阻或地面制動(dòng)電阻上,以熱能的形式排放至環(huán)境中;二是通過(guò)安裝在地面上的制動(dòng)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(jiǎn)單、價(jià)

24、格低廉、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。然而消耗在電阻上的熱能,不僅形成了熱污染,導(dǎo)致周?chē)h(huán)境溫度升高,從而增加了車(chē)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(dòng)能量回收,該部分制動(dòng)能量沒(méi)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(dòng)原理示意圖3 城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)研究現(xiàn)狀311 城市軌道交通車(chē)輛再生制動(dòng)能量回收技術(shù)研究現(xiàn)狀盡管在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中存在諸多困難,然而城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)卻受到越來(lái)越多的關(guān)注,尤其是再生制動(dòng)能量的回收潛力、回收途徑及回收經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益有效評(píng)價(jià)等得到了很多研究機(jī)構(gòu)的青睞。在分析制動(dòng)能量回收技術(shù)之前,需要對(duì)不同地域制動(dòng)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(duì)里加市城市軌道交通系統(tǒng)的11個(gè)變電所未回收的再生制動(dòng)能量進(jìn)行了估算。計(jì)算結(jié)果表明,各個(gè)變電所每年均有115M W #h 到12517M W #h 不等的再生制動(dòng)能量可以得到進(jìn)一步的回收利用。劉寶林8則通過(guò)對(duì)廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)拖車(chē)牽引系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集發(fā)現(xiàn),1號(hào)線(xiàn)車(chē)輛的再生制動(dòng)能量中約48%反饋給電網(wǎng)被其他列車(chē)吸收,而消耗在制動(dòng)電阻上的熱量?jī)H有219%,其余部分均在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)運(yùn)行阻力耗散。由此認(rèn)為,廣州地鐵1號(hào)線(xiàn)是否需要設(shè)置儲(chǔ)能器件進(jìn)行儲(chǔ)能,仍需要在綜合評(píng)定節(jié)能效果和制造維修成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理決策

26、。在回收潛力明晰的基礎(chǔ)上,制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的建模工作,將對(duì)制動(dòng)能量回收技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)起到?jīng)Q定性作用。M 1Chy mera 9等通過(guò)仿真城市軌道交通電氣化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了分塊建模,特別是變電所及超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的電力模型,對(duì)于分析系統(tǒng)的電力特性具有指導(dǎo)性意義。A 1Rufer10等針對(duì)存在超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的變電所,建立了電力電子模型并提出了優(yōu)化問(wèn)題及約束條件,使得系統(tǒng)優(yōu)化理論得以在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中得到應(yīng)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(duì)再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)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(shè)計(jì)、運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析和環(huán)境熱能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。另一方面,A 1H ammar 14等對(duì)超級(jí)電容建立了更詳細(xì)的電熱模型,尤其是對(duì)超級(jí)電容的電熱指標(biāo)進(jìn)行了在線(xiàn)測(cè)試,并計(jì)算得出了不同類(lèi)型超級(jí)電容在-25e 55e 溫度范圍內(nèi)的損耗與效率。池耀田4對(duì)于當(dāng)前市面上流行的一些儲(chǔ)能器如飛輪儲(chǔ)能器、靜止電容儲(chǔ)能器及車(chē)載電容儲(chǔ)能器15的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較,輔之以車(chē)載仿真結(jié)果對(duì)各類(lèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行圖解說(shuō)明。T 1Ise 16等則通過(guò)模糊控制的方法對(duì)超導(dǎo)磁儲(chǔ)能器件在混合動(dòng)力車(chē)輛上的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析。這些工作無(wú)疑為儲(chǔ)能器件在器件儲(chǔ)能型制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的合理選取提供了科

28、學(xué)依據(jù)。在目前城市軌道交通車(chē)輛再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)已得到初步商業(yè)化應(yīng)用的前提下,趙立峰17等詳細(xì)介紹了中國(guó)首批電容儲(chǔ)能型回收系統(tǒng)應(yīng)用于北京地鐵5號(hào)線(xiàn)的德國(guó)西門(mén)子公司SIT RAS SES 電容儲(chǔ)能式再生電能吸收裝置。而對(duì)于其他車(chē)體上已有的再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng),Jun H uang18等和P 1Bar rade 19等分別為電力汽車(chē)和柴油動(dòng)力機(jī)車(chē)的再生制動(dòng)能量回收提出了不同的優(yōu)化方案,包括無(wú)源無(wú)損緩沖器的設(shè)置、超級(jí)電容儲(chǔ)能器容量與尺寸的二次設(shè)計(jì)等。這些均對(duì)再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)輛具有借鑒意義。張雷20等與T 1Konishi21等則對(duì)制30第2期 城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng) 能量回收

29、技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展 31 動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行 了 SIM UL INK 建模及仿 真, 得 到了制動(dòng)過(guò)程中的電壓、 電流、 功率及能量曲線(xiàn)并進(jìn)行 了數(shù)值分析, 從仿真角度模擬了能量回收系統(tǒng)在實(shí)際 運(yùn)行過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。 3 2 1 城市軌道交通車(chē)輛電阻制動(dòng)能量回收技術(shù)研究 現(xiàn)狀 由于電阻制動(dòng)占電制動(dòng)比例約為 40% , 因此城市 軌道交通車(chē)輛的電阻制動(dòng)能量回收是非常必要的。然 而, 從當(dāng)前國(guó)內(nèi)外電阻制動(dòng)研究狀況來(lái)看, 大部分制動(dòng) 能量回收研究均針對(duì)車(chē)輛的再生制動(dòng)過(guò)程展開(kāi), 較少 涉及車(chē)輛的電阻制動(dòng)過(guò)程。因此, 作為對(duì)再生制動(dòng)能 量回收技術(shù)的有效補(bǔ)充, 作者 22 通過(guò)建立城市軌道交 通

30、車(chē)輛電阻制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 進(jìn)行了基于車(chē)載 的城市軌道交通車(chē)輛電阻制動(dòng)能量回收方法的研究, 這里的/ 電阻制動(dòng)能量回收技術(shù)0定義為制動(dòng)能量在沒(méi) 有通過(guò)電阻吸收以前就被制動(dòng)能量回收裝置回收的技 術(shù)。 效率如表 4 所示。城市軌道交通車(chē)輛電阻制動(dòng)能量回 收方案在電阻制動(dòng)原有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 綜合了器件儲(chǔ) 能型和逆變供能型 2 種回收方式的優(yōu)點(diǎn), 具有較強(qiáng)的 市場(chǎng)應(yīng)用潛力。 表 4 各種工況下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電阻制 動(dòng)能量回收效率 工況 A W1 A W2 A W3 制動(dòng)能量/ ( W # h 儲(chǔ)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(dòng)能量回收技術(shù)研究發(fā)展趨勢(shì)及可能的 難點(diǎn) 在全球關(guān)注于節(jié)能減排以及大力推廣新能源技術(shù) 的 21 世紀(jì), 制動(dòng)能量的回收不僅用于城市軌道交通車(chē) 輛, 而且用于電動(dòng)提升機(jī)、 電梯、 電動(dòng)汽車(chē)和高速電牽 引列車(chē), 并已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用推廣階段。這無(wú)疑促 進(jìn)了城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)在中國(guó)的快 速發(fā)展。近年來(lái), 城市軌道交通工程理論的成熟與車(chē) 輛部件生產(chǎn)精度的提高, 使得關(guān)于城市軌道交通車(chē)輛 制動(dòng)能量回收方面的研究和應(yīng)用取得了顯著的成就, 并具有良好的研究和市場(chǎng)發(fā)展前景。未來(lái)在軌道車(chē)輛 制動(dòng)能量回收技術(shù)方面的研

32、究, 可以更關(guān)注于以下幾 個(gè)方向: ( 1 優(yōu)化列車(chē)運(yùn)行方案, 提高再生能量利用率。由 于產(chǎn)生再生制動(dòng)需要附近列車(chē)吸收部 分再生制動(dòng)能 圖9 城市軌道交通車(chē)輛電阻制動(dòng)能量回收方案原理圖 該系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械控制方式來(lái)改變?nèi)?jí)飛輪的檔次 以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛慣量加載 3 種工況, 即車(chē)輛輕載、 滿(mǎn)載和超 載等工況, 并基于 NI 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件 L abVIEW 對(duì)車(chē)輛 牽引和制動(dòng)的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和測(cè)量。圖 9 所示為 城市軌道交通車(chē)輛電阻制 動(dòng)能量回收方案 框圖。其 中, M CU 為主控制單元, 對(duì)大功率切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制 以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充電與制動(dòng)電阻釋放 多余能量的切 換; A CU 為輔助控制單元, 對(duì)小

33、功率切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行控 制以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容供電與車(chē)載交流電源供電的切換。 總體來(lái)說(shuō), 該方案以超級(jí)電容為儲(chǔ)能媒介, 對(duì)電阻制動(dòng) 能量進(jìn)行儲(chǔ)存, 并通過(guò) DC/ AC 將該部分能量逆變?yōu)?工頻交流電供車(chē)載交流用電器使用。當(dāng)電阻制動(dòng)能量 過(guò)大時(shí), 超級(jí)電容不能再吸收能量, 此時(shí)通過(guò)大功率切 換開(kāi)關(guān)使得多余能量耗散在制動(dòng)電阻上; 而當(dāng)超級(jí)電 容內(nèi)能量不足時(shí), 小功率切換開(kāi)關(guān)將切換至車(chē)載交流 電源通路, 由車(chē)載交流電源向交流用電器供電。目前 電阻制動(dòng)能量回收實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電阻制動(dòng)能量回收率已 超過(guò) 80% , 各種工況下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電阻制動(dòng)能量回收 量, 如何優(yōu)化列車(chē)編排, 使再生制動(dòng)能量更高效地得到 回收是非常

34、值得研究的一個(gè)問(wèn)題, 可行的節(jié)能列車(chē)運(yùn) 行圖能夠極大地提高再生能量利用率。 ( 2 軌道車(chē)輛再生制動(dòng)與電阻制動(dòng)能量的綜合利 用。由于電阻制動(dòng)能量在電制動(dòng)能量中占據(jù)著較大的 比例, 僅僅考慮再生制動(dòng)能量回收不能滿(mǎn)足進(jìn)一步節(jié) 能的要求。因此, 開(kāi)展電阻制動(dòng)能量的回收是潛力巨 大的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。 ( 3 以城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)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(chē)輛制動(dòng)能量回 收系統(tǒng)能夠使制動(dòng)能量自產(chǎn)自銷(xiāo), 因此滿(mǎn)足分布式供 能系統(tǒng)的基本概念, 有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái), 城市軌道交 通車(chē)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(gè)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(jì)性。 ( 4 制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研發(fā)機(jī)構(gòu)應(yīng)與車(chē)輛制造 廠家進(jìn)行更加有效的溝通和技術(shù)合作, 使制動(dòng)能量回 收系統(tǒng)與整車(chē)進(jìn)行整體優(yōu)化, 在整車(chē)技術(shù)性能和空間 布局方面完美結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)整車(chē)技術(shù)最優(yōu)化。 32 鐵 道 學(xué) 報(bào) 第 33 卷 然而, 在針對(duì)這些方向開(kāi)展研究并付諸實(shí)際應(yīng)用 的過(guò)程中, 還存在著諸多困難需要克服, 其中包括: ( 1 列車(chē)數(shù)量與軌道運(yùn)行環(huán)境的限制。對(duì)于每一 條特定的線(xiàn)路, 其軌道車(chē)輛數(shù)量都是有限的, 多購(gòu)進(jìn)列 車(chē)就增加了運(yùn)營(yíng)成本; 另外, 軌道建設(shè)的硬件設(shè)施也對(duì) 列車(chē)運(yùn)行密度有一定的限制。因此, 在編制最優(yōu)的列 車(chē)運(yùn)行圖的過(guò)程中, 往往需要在最節(jié)能方案與最低成 本之間做

36、出權(quán)衡。 ( 2 解決強(qiáng)大電流對(duì)系統(tǒng)中電力電子器件的沖擊 問(wèn)題。上海軌道交通 2 號(hào)線(xiàn)的在線(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明, 在 電阻制動(dòng)過(guò)程中電阻制動(dòng)瞬時(shí)電流會(huì)超過(guò) 900 A, 最 高可達(dá) 1 100 A 22 ; 而且在電阻制動(dòng)能量回收方案中, 大、 小功率開(kāi)關(guān)的頻繁切換會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的電力電子器 件產(chǎn)生極大的電流沖擊, 嚴(yán)重影響器件的使 用壽命。 因此如何設(shè)計(jì)大容量耐沖擊的電力電子系統(tǒng)是目前較 難解決的問(wèn)題。 ( 3 分布式供能系統(tǒng)理論尚需完善, 實(shí)際可操作性 有待于驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn) 23 對(duì)該 類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定; 關(guān)于分布

37、式供能系統(tǒng)的相關(guān) 研究目前大多還僅限于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等抽 象模型, 建立一套完整的理論系統(tǒng)尚需時(shí)日。另一方 面, 城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中的電壓、 電 流均較大, 對(duì)電網(wǎng)的沖擊也很大, 而且往往需要整流逆 變裝置對(duì)其進(jìn)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(yùn)行仍需進(jìn)行控制 理論的相關(guān)研 究。 ( 4 車(chē)輛制造廠家在空間布局、 設(shè)備布置、 子系統(tǒng) 控制與整車(chē)系統(tǒng)控制之間的連接與匹配等方面, 能否 與制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行良好的合作, 是 最大限度發(fā)揮制動(dòng)能量回收系統(tǒng)節(jié)能 效果的關(guān)鍵問(wèn) 題, 而市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果是檢驗(yàn)車(chē)輛制造廠家和制動(dòng) 能量回收系統(tǒng)研發(fā)機(jī)構(gòu)

38、合作成敗的具體體現(xiàn)。 廣, 制動(dòng)能量回收技術(shù)逐漸會(huì)顯現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)效益 和環(huán)境效益, 逐步在不同類(lèi)型的軌道交通車(chē)輛上推廣 應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 參考文獻(xiàn): 1 周劍斌, 蘇浚, 何泳斌1 地鐵列車(chē)運(yùn)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

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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(chē)能 耗 分析 J1 電 力機(jī) 車(chē) 與城 軌 車(chē)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(yǔ) 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(chē)輛制動(dòng)能量的回收利用逐漸成為人們關(guān)注 的焦點(diǎn)。城市軌道交通車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生數(shù)量 可觀的制動(dòng)能量, 具有回收價(jià)值。電力電子器件制造 工藝的飛速發(fā)展使得制動(dòng)能量回收系統(tǒng)越來(lái)越多樣化 和集成化, 為研發(fā)過(guò)程提供了可選擇性。城市軌道交 通車(chē)輛制動(dòng)能量回收技術(shù)擁有非?？?/p>

46、喜的研究現(xiàn)狀和 廣闊的應(yīng)用前景。在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用過(guò) 程當(dāng)中還存在一些技術(shù)因素的制約與認(rèn)識(shí)上的障礙, 但隨著制動(dòng)能量回收技術(shù)的完善和商 業(yè)化應(yīng)用的推 第2期 U K: A ustin Court, 2006 1 城市軌道交通車(chē)輛制動(dòng) 能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)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(dòng)能量回收系統(tǒng) 的 仿真研究 J1 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)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(hào) 線(xiàn)列車(chē) 運(yùn)行能 耗 分析 J1 內(nèi)燃機(jī)車(chē), 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