摘要：通过对列车能量转化原理进行分析，结合传统列车制动能量处理方式的弊端，从对列车再生制动能量进行充分吸收利用的角度对各种制动能量吸收方案进行分析研究，为新建地铁线路列车再生制动能量吸收解决方案提供参考。
关键词：地铁；车载制动电阻；牵引逆变器；制动能量吸收
引言
地铁列车在制动过程中，列车牵引电机由电动机运行工况转化为发电机运行工况，将列车动能转化为电能回馈至牵引供电系统，导致牵引接触网电压升高，如不对此部分能量进行转化处理，将会危及供电系统及列车运行安全。传统解决方案为在列车设置制动电阻装置，将列车制动能量通过车载制动电阻发热消耗，但这种方案存在较大的弊端，电阻产生的热量会使隧道内环境温度升高，增加环控负荷，加大能耗；同时因车载制动电阻体积和质量大，不仅增加列车轴重也增大车载电气设备布置难度，减少设备检修维护操作空间。据相关测量，列车制动能量高达车辆牵引能耗的30%以上，如果能对该部分能量加以合理利用，可有效解决以上弊端，还能通过能量的二次利用产生良好的经济效益。
1 传统地铁列车运行能量转化原理分析
地铁列车运行过程从能量转换的角度看，实质上主要为动能和电能之间的转化。其牵引电气系统工作原理如下
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列车在牵引运行工况下，通过受电弓从牵引接触网获取直流电源，经牵引逆变器VVVF装置逆变后，向牵引电动机提供牵引的交流电源（电压及频率随列车运行速度进行动态调整），此工况下，电网的电能转化为列车运行的动能；列车在制动工况下，优先采用电制动，牵引电机由电动机运行工况转化为发电机运行工况，产生的电能经VVVF装置整流后，通过车载制动电阻进行发热消耗，此工况下，列车的动能转化为电能后，经电阻转化为热能。
2 列车再生制动能量吸收方案类型
为解决车载制动电阻占用列车空间问题，在早期地铁线路建设时，将车载制动电阻安装于地铁车站的牵引变电所内，虽然列车重量有所减轻，但制动电阻仍然安装于地下空间，地铁环控系统的负担仍然没有解决，列车电制动能量仍然没有得到有效利用。针对该问题，国内外地铁线路出现了一系列的应用解决方案，按照能量吸收原理，大致可以分为能量储存型和能量回馈型两种类型。
2.1 能量储存型制动能量吸收方案
将列车制动产生的电能利用电容、飞轮等储能装置对能量进行储存，然后适时供给车站动力照明负荷。因电容储能和飞轮储能设备未实现国产化，采购进口设备投资较高，除电容储能方案在国内个别线路采用之外，该类型的吸收方案在国内地铁线路中基本未被采用。
2.2 能量回馈型制动能量吸收方案
将列车制动产生的电能通过逆变后，并网接入地铁供电系统，为车站动力照明负荷及其他在线列车提供电源。能量回馈型制动能量吸收方案较成熟，国内地铁应用广泛。
3 能量回馈型再生制动能量吸收方案研究
3.1原理及分类
能量回馈型再生制动能量吸收方案的原理与列车牵引逆变器VVVF装置的工作原理基本相同，系统运行时，逆变装置对接触网压进行实时在线监测，当接触网电压升高到装置启动电压以后，开启装置工作模式，将接触网直流电通过逆变器逆变为交流电，然后通过变压器升/降压以后回馈至车站供电系统，向车站相关负荷供电。
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3.1.1 供电环网吸收方案
逆变后的交流电升压到AC35kV以后，接入供电环网，向环网供电范围内的相关车站负荷及其他在线列车提供电源。
3.1.2牵引供电系统吸收方案
逆变后的交流电升压到AC1180V以后，接入车站牵引变电所整流变压器低压侧，向车站牵引供电系统提供电源。
3.1.3动力照明系统吸收方案
逆变后的交流电降压到AC400V以后，接入车站动力照明系统，向车站动力负荷及照明负荷提供电源。
3.2方案对比
采用供电环网吸收方案，将电能回馈至电压等级较高、系统容量更大的供电环网系统，能够实现能量充分利用，节能效果显著，总体经济性较好。该装置因体积较大，在车站土建建设阶段须做好设备运输及安装条件的预留。
采用牵引供电系统吸收方案，将电能回馈至整流变压器的低压侧，仅能实现对牵引系统进行供电，局限性较大，同时逆变装置的故障可能会引起整流机组（整流变压器和整流器）故障甚至停运，对列车运行造成较大风险，且回馈支路与整流支路之间存在环流，会导致整流机组系统效率降低。
采用动力照明系统吸收方案，将电能回馈至车站动力照明系统负荷，但因车站日常运行的动力负荷系统容量可能会难以完全消耗回馈的能量，需增设电阻装置对多余的能量进行发热消耗，电阻装置因发热量大、产生噪音等问题，会加重环控系统负担，增加能耗，同时对车站工作及乘车环境造成一定的影响。
表1 能量回馈型再生制动能量吸收方案对比
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3.3保护配合
逆变回馈装置运行时须考虑与直流牵引供电系统及交流供电系统的保护配合。
与直流牵引供电系统配合时应考虑设置过压、过载、过热、短路、接地、欠压及安全操作等保护，同时因逆变装置属于直流供电系统设备，必须进行绝缘安装，为了避免设备框架电流泄露，建议单独设置一套框架保护。
与交流供电系统配合时，回馈装置作为交流电源的输入点，涉及的交流系统进线柜及出线柜应根据回馈电流的大小对电流保护进行校验，设置合理的保护定值。
为了能准确掌握具体的节能数据，可在交流系统接入点装设电能计量表计，并纳入车站能量管理系统，通过对实际节能数据的统计分析，可估算出设备的投资回报年限。
4 结语
逆变回馈装置其工作原理及技术成熟度与列车牵引逆变器VVVF装置工作原理基本一致，在能量回馈型制动能量吸收方案中，推荐采用中压供电环网吸收方案，回馈装置容量不受负荷容量限制，可减少或取消设置列车车载制动电阻，既可以降低环控系统能耗，同时可以有效地对列车制动能量加以利用，达到节能减耗的实际效果。从列车运行安全的角度考虑，当地铁线路其中任何一个牵引变电所中逆变回馈装置退出运行时，列车制动能量可传至前后相邻的牵引变电所内的逆变回馈装置进行吸收，各牵引变电所设置的逆变回馈装置构成互为备用关系，即使发生全线逆变回馈装置大面积退出运行的极端情况，列车亦可采用空气制动方式进行制动，不会对列车运行安全造成影响。