南海鹏，林泽磊，朱文洋
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司）
摘要：随着国家经济建设的飞速发展，我国的城轨建设也愈加完善。城市轨道交通不仅能够方便人们的出行，也能够缓解城市道路拥挤的问题。但是，随着城市轨道交通的蓬勃发展，其电能消耗量也不断攀升，带来不可忽视的能耗问题。若能够实现列车运行工作中产生的再生制动能量的再利用，这样不仅能够减少列车运行过程中的电能消耗而且能够节约电能。
关键字：再生制动能量；回收利用技术；回收利用装置；系统容量
1、再生制动能量
城轨车辆一般的制动方式为电制动和空气制动混合制动；列车在制动时先采用电制动，当列车的速度减小到规定的速度时电制动不起作用，列车将采用空气制动使列车精准停车。再生制动能量的原理是将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，它将列车制动能量转化为电能，该电能反馈到接触网供其他列测使用。由于每站间的距离比较短，列车频繁的制动将会产生大量的制动能量。制动能量可以达到牵引能量的40%~50%，部分再生制动能量（一般为30%~50%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余部分通过电阻以热量的形式消耗掉；若能将这些能量回收利用，效益相当可观。因此，地铁再生制动能量回收的研究就变得非常有意义。
2、再生制动能量的利用技术
制动能量吸收装置主要包括有电阻耗能型，电容储能型，飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。
电阻耗能型是目前运用的最成熟和最广泛的制动能量吸收装置。其原理是将车上的制动斩波器和制动电阻移到地面，利用大功率电阻将再生制动产生的能量以电阻发热的形式消耗掉。
超级电容器组通过双向DC/DC变换器与牵引供电直流电网相连。当列车启动加速，牵引供电直流电网的电压较低时，超级电容储能型装置通过双向DC/DC向电网提供能量，能减小电网压降；当列车制动，牵引供电直流电网的电压高于一定值时，超级电容通过双向DC/DC从电网上吸收城市轨道交通的再生制动能量，保持牵引网电压不超过最大值。
飞轮储能型装置的工作原理是当列车发生制动时，飞轮储能型装置开启充电模式，电动机驱动转子旋转，使飞轮达到额定最高工作转速，进行能量储存；当列车停止制动且需要能量时，飞轮转速下降至最低工作转速，释放飞轮中所储存的能量。
逆变回馈型装置的工作原理是列车发生制动时，通过DC/AC逆变器和隔离变压器将制动能量反馈到接触电网来达到列车制动能量能够被再次利用的目的。
3、系统容量的确定
系统容量是确定储能系统储能单元容量的基础，而系统容量可以根据供电区间净功率来确定，而有两种方法可以得到各个供电区间净功率时间变化曲线，选取哪一种方法是根据需要分析的城市轨道交通系统是规划系统还是既有系统，不同的系统分析方法也不相同。图3.2中供电区间净功率随时间变化曲线，该曲线上有正有负，连续为负说明列车在该时间段供电区间列车制动电功率大于列车的牵引电功率，供电区间净能量为负；连续为正与连续为负的情况相反。
确定储能系统总的容量实际就是对供电区间净功率进行积分，以Δt为依据将列车运行时间等分为若干时间段，分别计算这若干时间段所对应的净能量，然后，再把若干时间段的净能量累计起来，若该时刻累加值小于0，则该时刻的存储能量就为0，再把该时刻的存储能量累加到下一个时刻；若该时刻累加值大于0，则该时刻的存储能量就是该时刻的累加值，还是把该时刻的存储能量累加到下一时刻。则供电区间存储能量的计算公式
其中，为经过n个Δt后供电区间需存储的能量，；为经过n+1个Δt时供电区间净功率值。
可以根据公式3.1可以确定供电区间存储能量确定单元式储能系统总容量可以根据图3.2中的存储能量曲线确定，曲线上最高点说明此时需要存储的能量达到了最大值，所以储能系统的总容量就是曲线上最高的点。但是，若一个工作日内供电区间最大存储能量要比其他大多数存储能量大的多，若还是根据最大存储能量确定单元式储能系统总的容量，这会造成储能系统容量的浪费。所以，此时应该选择绝大多数大的存储能量作为储能系统的总容量。
图3.2 供电区间净功率和存储能量时间变化曲线示意图
储能系统的最大功率可以根据供电区间净功率时间曲线确定，因为储能系统是用来存储再生制动能量的，可以根据供电区间净功率曲线上负净功率确定储能系统的最大功率。若供电区间最大负净功率存在的时间很短并且要比其他的负净功率大的多，因此不存储这部分多余的再生制动能量也不会有很大的再生制动能量损失。所以，要根据供电区间净功率曲线确定合适的储能系统最大功率。
储能系统总容量的确定方法不仅能够确定各个供电区间储能系统的总容量，也能够确定该供电区间内是否需要增设储能装置，增设储能装置是为了降低列车运行过程中的运行能耗进而降低城市轨道交通系统列车的运行成本。
3、总结
对地铁再生能量进行回收利用，有着以下四点重要意义．第一，稳定牵引网电压，提高供电可靠性；第二，有助于提高电能的利用率，减少电能消耗；第三，可以降低地铁隧道洞体和车站内的温升，改善地铁内空气质量；第四，合理配置再生能量回收装置还能减少车载设备，减轻车辆自重，从而降低列车能耗并减轻电网负担，提高车辆行驶的安全性和使用的经济性。
参考文献
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