列車再生制動(dòng)

1、 列車再生制動(dòng)能量回收的方法及分析一、什么是再生制動(dòng)一、什么是再生制動(dòng) 再生制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)(D yn am icBraki ng)原理接近，較為簡單的動(dòng)力制動(dòng)是把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)成發(fā)電機(jī)使用，把車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。動(dòng)力制動(dòng)通常只會(huì)把產(chǎn)生的電，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)成無用的熱放走。而再生制動(dòng)則會(huì)把制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽仞伣佑|網(wǎng)，這樣電力將被儲(chǔ)存起來或透過電網(wǎng)送走，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，而轉(zhuǎn)移的能量可以再生循環(huán)使用。使用再生制動(dòng)的車輛仍然會(huì)有傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)，以提供快速、強(qiáng)力的制動(dòng)。一般的再生制動(dòng)只會(huì)把約百分之三十的動(dòng)能再生使用，其余的動(dòng)能還是成為熱。具體效率要根據(jù)不同的使用環(huán)境而有所不同。 再生制動(dòng)在電氣化鐵路列車，及

2、電力或電、油混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用較為廣泛。電動(dòng)列車通常是把產(chǎn)生的電力輸回電網(wǎng)，而道路車輛則可能把電力存儲(chǔ)在飛輪、電池或電容器之內(nèi)。二、幾種再生制動(dòng)方式1. 常規(guī)再生制動(dòng) 將牽引電機(jī)產(chǎn)生的電能通過變流器變成直流電反饋給直流電網(wǎng)， 供給其他列車使用。所以這種再生制動(dòng)也叫做反饋制動(dòng)。 經(jīng)過調(diào)研，在目前國內(nèi)外的城市軌道車輛中， 絕大多數(shù)都是采用這種再生制動(dòng)方式。 這種方式不需要在額外的增加設(shè)備，因?yàn)槟壳暗某鞘熊壍儡囕v的主變流器大都采用技術(shù)十分成熟的逆變器， 這種變流器可以在四個(gè)象限運(yùn)行，即正向牽引，正向制動(dòng)，逆向牽引，逆向制動(dòng)。其工況間轉(zhuǎn)換十分的簡單、可靠。所以，這種再生制動(dòng)方式在絕大多數(shù)城市軌道車輛上

3、得到廣泛的應(yīng)用。但是這種制動(dòng)方式也有其致命的弱點(diǎn)，那就是其利用率很低。2.能饋式牽引供電變流技術(shù) 城市軌道交通車輛再生動(dòng)能量具有幅值高、時(shí)間短的特點(diǎn),功率沖擊較大。再生制動(dòng)能量處理問題產(chǎn)生的根本原因是城市軌道交通供電系統(tǒng)采用了不可逆的整流電路,利用一種新型能饋式軌道交通牽引供電變流方案,采用雙向階梯波合成變流器實(shí)現(xiàn)城市軌道交通系統(tǒng)的供電與再生制動(dòng)能量回饋。 階梯波合成變流器具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電磁兼容性好、輸入諧波少、總諧波含量低、濾波器體積小等優(yōu)點(diǎn),特別適合城市軌道交通系統(tǒng)的大功率能饋供電。3. 超級(jí)電容儲(chǔ)能再生制動(dòng)技術(shù) 其次隨著儲(chǔ)能裝置技術(shù)的不斷發(fā)展,大能量密和功率密度的儲(chǔ)能裝置不

4、斷涌現(xiàn),這就為解決再生制動(dòng)問題開辟了一條蹊徑?？蓪⑿滦蛢?chǔ)能裝置超級(jí)電容器應(yīng)用在城市軌道車輛電器制動(dòng)系統(tǒng)中,以超級(jí)電容器為儲(chǔ)能元件,實(shí)現(xiàn)能再生制動(dòng)的方法應(yīng)用于實(shí)際。采用 IGBT 為開關(guān)元件設(shè)計(jì)了超級(jí)電容儲(chǔ)能再生制動(dòng)的主電路,以 80C196 單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)儲(chǔ)能再生制動(dòng)系統(tǒng)的控制電路、保護(hù)電路構(gòu),對(duì)儲(chǔ)能再生 制動(dòng)的控制可以達(dá)到很高的精度,可以使得城市軌道車輛在常用工況下均能實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。再生制動(dòng)的原理CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖 以已經(jīng)投入運(yùn)行的北京地鐵5號(hào)線為例簡單說明超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)用。 當(dāng)具有再生制動(dòng)能力的車輛在變電站能量存儲(chǔ)系統(tǒng)附近釋放能量時(shí)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓上升，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

5、器可探測到這種情況，并將牽引網(wǎng)系統(tǒng)中暫時(shí)多余的能量存儲(chǔ)到電容器中，使?fàn)恳W(wǎng)網(wǎng)壓保持在限定范圍內(nèi)。若車輛在變電站能量存儲(chǔ)系統(tǒng)附近起動(dòng)或加速，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓下降，此時(shí)，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器將能量從存儲(chǔ)系統(tǒng)輸送回牽引網(wǎng)系統(tǒng)中，保持牽引網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定。在直流牽引網(wǎng)的空載狀態(tài)下，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)從牽引系統(tǒng)吸收一部分能量，通過這種方式可以幫助車輛起動(dòng)。 儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本工作原理如下：+SlAlSl為隔離開關(guān)，維護(hù)設(shè)備時(shí)，可將系統(tǒng)從干線牽引網(wǎng)隔離開來。并可使用+SlA2Q0斷路器隔離系統(tǒng)。+SlA2QO斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致短路時(shí)，熔斷器+S1Fl將熔斷。充電時(shí)，與+SlA2QO斷路器并聯(lián)的預(yù)充電路(+S 1 A 1F l、

6、+S1AlK1和+S1A1Rl和)將對(duì)間接電容器(Czk)進(jìn)行“軟”預(yù)充，避免充電沖擊電流太大損壞設(shè)備。間接電容器為一組直流濾波電容器。牽引網(wǎng)產(chǎn)生瞬變電壓時(shí)，+S3L 1濾波電抗器將保護(hù)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。此外，該電抗器將牽引網(wǎng)和變流單元的諧波電流有效地分隔開來。+S3G l、+S3G2是變流單元的2個(gè)變流器模塊(圖2)，每個(gè)變流器模塊分別包括2條變流器分路，共4條變流器分路對(duì)能量的總量及流向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。+S 3Fl、+S3F2、+S3F3，+S3F4為帶熔斷器的手動(dòng)隔離開關(guān)，+S 4L1、+S4L2、+S4L3、+S4L4為平波電抗器。進(jìn)行設(shè)備維修時(shí)將系統(tǒng)從牽引網(wǎng)隔離出來以后，使用由+S3V1和

7、S9R1組成的放電支路對(duì)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行放電。+S5E1+S8E8為儲(chǔ)能雙層電容器。雙層電容器特點(diǎn)：高動(dòng)態(tài)充電容量，具有頻繁充放電能力，免維護(hù)，高效率，可分級(jí)控制儲(chǔ)能容量。 該系統(tǒng)的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)先進(jìn)、高性能的控制回路，在實(shí)時(shí)檢測到牽引網(wǎng)的網(wǎng)壓波動(dòng)達(dá)到設(shè)定的條件后，能夠快速地啟動(dòng)充放電裝置，對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行充、放電；而同時(shí)由于采用了能夠快速進(jìn)行充放電的雙層電容器，整套裝置能夠?qū)恳W(wǎng)的電能變化做出及時(shí)反應(yīng)，從而改善牽引網(wǎng)供電質(zhì)量，滿足車輛起動(dòng)和制動(dòng)需要。但是造價(jià)昂貴，相信不久的將來再生電能吸收技術(shù)能在地鐵領(lǐng)域得到大面積應(yīng)用，成為軌道交通牽引供電技術(shù)發(fā)展的方向。其次是逆變裝置以及相關(guān)

8、技術(shù) 采用如圖1所示原理圖。虛線框中的部分即所提出的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，從主接線上看，該系統(tǒng)與牽引供電支路并列布置在交流中壓電網(wǎng)和直流牽引母線之間。系統(tǒng)包含1臺(tái)多重化變壓器以及多個(gè)四象限PWM變流器模塊，整套裝置與傳統(tǒng)的二極管整流機(jī)組并列布置。系統(tǒng)的多重化變壓器一次側(cè)通過高壓開關(guān)柜QFac與交流中壓電網(wǎng)相連，其低壓側(cè)每套繞組都與一個(gè)四象限變流器模塊交流側(cè)相連，四象限變流直流側(cè)則并聯(lián)在一起后通過直流開關(guān)柜QFdc和負(fù)極柜QCdc與直流牽引母線相連。 系統(tǒng)檢測直流母線電壓，當(dāng)確定有車輛制動(dòng)且直流母線電壓超過設(shè)置的門檻值時(shí)，進(jìn)入回饋模式。此時(shí)裝置將多余的再生制動(dòng)能量通過各重IGBT變流器以及多重化

9、變壓器回饋到交流中壓電網(wǎng)，此時(shí)裝置內(nèi)能量的流動(dòng)方向是從牽引直流母線流向交流中壓電網(wǎng)，且交流中壓電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近-1。 針對(duì)目前城軌供電系統(tǒng)再生制動(dòng)能量回饋的幾個(gè)問題，該方案提出了基于多重化四象限變流器的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。仿真和樣機(jī)試制表明，該系統(tǒng)可以在滿足電網(wǎng)兼容性要求的前提下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋至中壓電網(wǎng)的功能，加之所述系統(tǒng)與現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)并列連接，并與中壓交流電網(wǎng)和直流牽引網(wǎng)之間相互間兼容性好，有著較大實(shí)際意義和推廣價(jià)值。由上述分析可知： 電容儲(chǔ)能型或飛輪儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用IGBT 逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機(jī)中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)或加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。該類吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電容器組或飛輪電機(jī)、IGBT 斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。該裝置充分利用了列車再生制