1、第七章第七章 城市轨道交通供电系统城市轨道交通供电系统电能质量分析与列车再生能量利电能质量分析与列车再生能量利用用 第五节第五节 列车再生制动能量吸收与利用列车再生制动能量吸收与利用轨道交通牵引供变电技术第五节第五节 列车再生制动能量吸收与利用列车再生制动能量吸收与利用 城市轨道交通列车运行在再生制动工况时，列车上的牵引电机处于发电机运行状态，将列车动能转换为电能反馈回直流牵引网。 当列车再生制动反馈的能量，不能被邻近列车吸收时，将台高牵引网络，因此，有必要在城市轨道交通牵引系统中设置再生制动能量吸收装置，从而可节约能源和稳定牵引网电压。 目前，城市轨道交通再生制动能量吸收方案主要分为电阻耗能
2、型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等。轨道交通牵引供变电技术一、电阻耗能型 电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要采用多相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。由IGBT斩波器、吸收电阻、续流二极管D、滤波装置（滤波电容C和滤波电抗器L）、直流快速断路器DQF13、电动隔离开关等组成，其接线示意图如图7.11所示。轨道交通牵引供变电技术 图7.11 电阻吸收装置接线轨道交通牵引供变电技术优点：控制简单、直观，可以取消（或减少）列车电阻制动装置，降低车
3、辆投资，提高列车动力性能；对降低隧道温度、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗、减少闸瓦制动粉尘、净化隧道环境比较有效，技术成熟，价格较低；确定有再生电能需要吸收的判断条件是否完善，不会引起误判，从而造成电能的额外消耗。缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上集中发热消耗，对再生电能不能有效利用；电阻散热导致环境温度上升，当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，并且该房间需采取措施保证有足够的通风量，需要相应的通风动力装置，也增加相应的电能消耗。轨道交通牵引供变电技术 目前国内重庆轻轨、天津地铁1号线、广州地铁4号线、北京首都机场线都有采用该方式制动。二、电容储能型 电容储能型再生制动能量吸收装置主要采
4、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处于启动、加速阶段需要取流时，再将电容器组所储存的电能释放出去并进行再利用。该装置由储能电容器组、IGBT斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等组成，其主接线示意图如图7.12所示。轨道交通牵引供变电技术 图7.12 电容储能装置接线示意图轨道交通牵引供变电技术 由于电容储能装置是一个大容性设备，因此它同时具有储能（储存车辆再生电能）和稳压（稳定牵引网电压）两种工作模式，这两种工作模式可以自动切换。（1）储能模式。 当电容储能装置工作在储能模式时，在车辆制动且再生能量不能被其他车辆吸收时，电容组
5、充电，吸收车辆再生电能，将列车制动能量存储在储能装置中，可以减少车辆使用空气制动的频率；在变电所附近车辆需要通过牵引网取电时，释放存储的电能，给车辆提供牵引用电。从而可以减少牵引变电所输出功率，减少牵引供电用电量，达到节约电能和减少能源消耗的目的。轨道交通牵引供变电技术 当电容储能装置工作在储能模式时，储能量在大部分时间都处于低水平，以备随时吸收车辆的制动能量。（2）稳压模式。 当电容储能装置工作在稳压模式时，可以通过车辆的再生制动能量快速充电，在没有车辆制动的情况下，也可以通过变电所中的直流供电设备慢速充电；在牵引网电压较低时，释放储存的电能，以稳定牵引网电压，从而起到改善牵引供电质量的作用
6、，避免网压过低造成车辆的欠压保护动作，影响正常行车。轨道交通牵引供变电技术 当电容储能装置工作在稳压模式时，储能量在大部分时间都处于高水平，只有当检测到网压低于规定的下限时，才向牵引网释放储存的电能。优点：有效利用了列车制动时的再生电能，节能效果好；直接接在牵引网或变电所正负母线间，再生电能直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响；维护和更换元器件较为方便，并可减少或取消列车制动电阻的容量。缺点：对于运量较大的轨道交通线路，目前的产品容量较小，不能满足完全吸收列车再生电能的需要。轨道交通牵引供变电技术三、飞轮储能型 飞轮储能型再生制动能量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
7、定是否有列车在再生制动，且再生电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电能需要吸收时，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。除具有电能吸收功能外，还具有稳压功能，即通过检测运行状态，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。轨道交通牵引供变电技术 该装置由储能飞轮电机、IGBT斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等组成，直接接在变电所正负母线或牵引网和回流轨间，主接线示意图如图7.13所示。 图7.13 飞轮装置接线示意图轨道交通牵引供变电技术优点：有效利用了
8、列车制动时的再生电能，节能效益好；并可取消（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；直接接在牵引网或变电所正负母线间，再生电能直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响，但维护复杂。 目前，英国UPT电力公司已有成熟的飞轮产品，在英国电力系统、纽约部分地铁、我国香港巴士公司等都有应用。轨道交通牵引供变电技术四、逆变回馈型 逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该装置由晶闸管逆变器RCT3、逆变变压器T3、平衡电抗器L、交流断路器QF3、直流快速断路器DQF13、电动隔离开关、直流电压变换器UT和调节控制柜等部分构成，主接线示意图如图7.1
9、4所示。该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相连，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。轨道交通牵引供变电技术 调节控制柜中设有反映牵引网Ud和逆变电流I1、I2形成并转换为直流电压U1的电压变换器。当牵引网有列车再生能量反馈，Ud增大超过规定值时，启动脉冲发生器工作并输出触发脉冲TS1、TS2等，从而使RCT3导通，逆变器开始反馈。U1的作用是利用逆变器导通后，将逆变电流产生的U1和Ud同时加至脉动发生器的启动电路环节，以保证Ud波动时逆变器工作的可靠性。轨道交通牵引供变电技术 图7.14 逆变回馈装置接线示意图轨道交通牵引供变电技术优点：部分利用了列车再生制动能量，具有一定的节能作用，可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到电网，不需要配置储能元件；因此对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下可考虑采用此方案。缺点：再生制动电能经逆变器逆变后接入35kV系统，存在一些系统安全性问题，如不能妥善地配置保护，有发生恶性事故的可能。此外，逆变装置本身就是一个谐波源，运行时将产生一定的谐波。 该装置在日本轨道交通中应用较多，国内城市轨道交通尚无成熟工程应用案例。轨道交通牵引供变电技术
