地铁再生制动的详细原理（浅谈再生制动能量回馈装置在城市轨道交通中的应用及工作原理）

　　城市轨道交通的主要特点为运量大、速度快、安全、可靠、准点及舒适，并逐步成为城市的主要交通工具。随着我国地铁行业的快速发展，城市电能消耗量急剧上升，使得城市能源负担越来越重了，为了减少能源的浪费以及提高能源的使用效率，再生能量回馈装置的应用显得很有必要。

01 能量吸收装置概述

　　目前所采用能量吸收的形式主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和再生能馈型4种。其中电阻耗能型是将制动能量消耗在制动电阻上，这是目前国内外应用比较普遍的方案，该方案控制简单、工作可靠、应用成熟，其主要缺点是该方案只能将电能转换为热能消耗掉，造成能源浪费，而且电阻散热会导致环境温度升高，同时还需要相应的通风装置，即增加了电能消耗；电容储能型是将制动能量吸收到大容量的电容器组中，当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去，其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短，且电容具有一定的漏电流，也会造成能源的浪费；飞轮储能型的基本原因同电容储能型一样，只是储能元件为飞轮电机，但由于飞轮长时间处于高速旋转状态，且飞轮质量也很大，故摩擦耗能问题严重，且高速旋转的飞轮工作寿命短；再生能馈型是将列车制动时的直流电逆变成工频交流电与车站变电所内AC35KV/400V电网并网，将电能重新利用在站内电梯、照明、通风等用电设施上，该吸收方案有利于能源的综合利用，提高了电能的使用率，并降低了地铁运营成本。

02 再生能馈装置在地铁供电系统中的应用

　　城市轨道交通地铁供电系统中，普遍采用直交变压变频的传动方式，列车的制动方式为电制动(再生制动)和机械制动，列车运行中以电制动为主，机械制动为辅。列车在运行过程中，由于站间距离短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观，能量装置根据各个传感器检测信号，综合判断直流电网是否有列车处于再生电制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，启动能量吸收回馈装置。

　　在控制系统中设置判断基准值，当直流母线电压高于判断基准值，首先投入能馈变流器的逆变吸收功能，逆变吸收列车制动时产生高出牵引网电压的这部分直流电能转化成工频交流电能，再通过能馈变压器升压AC35KV， 自动跟踪AC35KV母线电压，并向中压电网负载供电，将再生能量重新利用在用电设备中；随着网压的上升，能馈变流器的功率从0上升至满功率吸收状态，能馈变流器的吸收功率设置大于列车制动时的再生能量功率，在网压上升的过程中变流器有充足的余量来吸收，并稳定牵引网电压不再上升，确保地铁列车充分有效的利用电制动。

03 再生能量回馈装置的工作原理

　　1、设备结构组成

　　再生能量回馈装置主要由一个开关柜、两个变流柜、一个变压器和一、二次连接电缆等组成，图1为设备结构组成示意图。

　　2、能馈装置主回路

　　装置主回路包括双极隔离开关、直流接触器、直流电抗器、功率单元、交流电抗器、滤波电容、低压断路器等组成，图2为能馈装置主回路示意图。

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　　3、能馈装置工作原理

（1）工作条件

　　a.确认车站变电所内再生能馈装置所对应的AC35kV和

DC1500V断路器处于“断开”状态；

　　b.闭合能馈装置所有直流空开、交流空开和风机断路器，装置控制回路供电，各指示灯指示对应状态，保持所有柜门处于关闭状态；

　　c.从触摸屏上检查能馈装置各个器件的状态和报警信

息，从触摸屏的故障表界面复位所有故障信息之后，将“电子锁”右旋到允许操作位置，按下“隔离开关合闸”按钮3秒以上，隔离开关闭合，分别启动能馈变流柜A、B的“静态联动”功能，装置自检，检查接触器、断路器和风机等器件的分断动作执行情况；

　　d.动作无误后关闭“静态联动”，闭合AC35KV和DC1500V断路器。

　　（2）启动过程

　　装置启动运行，首先闭合充电接触器KM2，系统进入“预充电状态”，经充电电阻给直流电容充电；当电容电压达到预设值时，闭合直流接触器KM1， 断开充电接触器KM2， 系统进入“等待并网状态”；当满足并网条件时，闭合交流低压断路器QF，系统进入“等待能量回馈状态”；当牵引网电压由于列车制动而升高到大于装置启动阈值时，此时IGBT导通开始逆变过程，系统进入“能量回馈状态”，按照工作模式回馈电能。

　　（3）工作原理

　　系统工作时，首先变流器柜内充电接触器闭合设备进行预充电，当充电电压达到预设值后，直流主接触器闭合，主控板(FPGA ARM)锁相位。当满足并网条件时，交流低压断路器闭合开始并网工作，主控板采集直流电压、直流电流、交流电压和交流电流等信号，进行矢量逻辑运算。根据系统指令信号，装置输出所需要的有功功率和无功功率。主控板同时还实时判断电网及装置状态，当发现电网或装置故障时，及时停止工作，断开交流低压框架断路器和直流接触器，实施保护。

　　系统采用了一种新型的综合控制策略，基于瞬时无功理论将无功与谐波电流补偿控制有机地结合在一起，使得变流器既可以控制有功功率，又可以在一定程度上实现电网无功与谐波电流补偿。装置在地铁列车制动时工作，为地铁列车制动时产生的能量提供一个通道， 并经过能馈装置处理把制动时产生的能量回馈电网，做到能量再利用。

　　综上所述，随着城市轨道交通地铁线路的快速发展，再生能量回馈装置在地铁中的运用会越来越普及。与传统的能量吸收装置相比，再生能量回馈装置的自动化程度更高、能量使用效率更显著、列车制动更加平稳以及更加可观的节省运营成本。正式因为上述优点，才使得再生能量回馈装置的使用在城市轨道交通中越来越普及。未来，随着电子产品、计算机的不断发展，再生能量回馈装置也将进一步改进和提升，其优势也更加凸现出来。

　　(图文素材来源于网络）

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