徐腾飞
北京城市快轨建设管理有限公司，100027
摘 要：在城市轨道交通中，列车牵引能耗所占比重巨大。城市轨道交通领域现行的再生能制动系统，在行车密度较大时，存在能量利用率低、对直流牵引网有不良影响、系统运行可靠性较差等问题，故不适用于中低速磁悬浮轨道交通系统。本文针对现行再生能制动系统的不足之处，提出了一种新型再生能制动方式，并基于北京S1线基础线路数据和列车模型进行仿真,取得了良好的效果。结果表明，新型再生能制动方式的能量利用率较高，对直流牵引网的稳压性能效果较好，系统运行更为可靠，能使磁悬浮列车运行的更加安全、可靠、节能。
关键词：中低速磁悬浮，逆变回馈-电阻吸收方式，再生能制动系统，北京S1线，城市轨道交通
1、城市轨道交通再生能制动系统的概述
再生能制动系统主要原理是列车制动时，感应电机转子频率大于同步频率，电动机工况转变为发电机工况，将列车的动能转换为电能反馈至直流牵引网。
根据列车运行密度和区间距离的不同，会有不同比例的再生制动能量被其他列车吸收，例如，香港地铁在行车间隔为105 s时，邻车吸收再生能比率为80%[1]，广州地铁1号线行车间隔为360 s时，邻车吸收再生能比率为10%[2]，成都地铁7号线行车间隔24对/h、27对/h时，邻车吸收再生能比率为30.2%[3]。
现行的再生能制动方式主要有电阻吸收、电容储能、飞轮储能、逆变回馈四种方式。
（1）电阻吸收是采用多相 IGBT 斩波器和吸收电阻配合的恒压的吸收方式，将制动能量消耗在吸收电阻上。但该制式只能将电能转换为热能消散掉，不能实现能量的再生利用，无法达到节能效果。
（2）电容储能是将车辆制动时产生的能量吸收到大容量电容器组中。该方式造价昂贵；占地面积较大；且频繁处于充放电状态，致使电容器寿命较短，维护成本较高。
（3）飞轮储能主要由惯性轮、高速轴承、进行机械能和电能互相转换的电机和控制设备组成。通过将机械能、电能互相转发，达到节能目的。
（4）逆变回馈方式是将列车的动能转换为电能，并通过逆变器、变压器将牵引直流电转换为380V交流电，为车站动力照明、通风等辅助系统提供电能。
2、基于磁悬浮制式的改进型再生能制动系统
2.1、系统设计
逆变回馈-电阻吸收混合型再生能制动系统是一种基于逆变回馈系统的改进型再生能制动系统。该系统集合了逆变回馈与电阻吸收的优势：可将一部分再生电能反馈至轨道交通内部的动力照明配电系统，实现电能得以再利用，达到节能效果；同时又保留了一部分吸收电阻，以备逆变吸收不利时仍能有电阻吸收。原理如图2-1所示。
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逆变回馈-电阻吸收装置主要由三部分组成，开关及滤波单元、电阻吸收单元、逆变吸收单元。系统启动时,先合上进入AC400V交流系统的开关,“综合自动化系统”遥控发出“启动”命令,使快速断路器闭合，并发出“快开闭合确认信号”和“快开闭合连锁信号”给吸收设备；吸收设备在接收到“快开合闸”确认信号后，给斩波器和电容器充电，在电容器电压达到设定值时，线路接触器 KM1合间，电阻吸收单元已经进入待命状态。再由控制系统单元给出一个开关信号至逆变控制系统,闭合交流输出接触器,将逆变回馈电路接入AC400V系统 ,逆变单元也处于吸收待命状态 ,至此,全部吸收系统进入工作状态。
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系统主电路结构图如图 2-2 所示，各柜体功能如下：
直流开关柜：主要具有执行再生制动吸收设备与电网接通或分离、电网滤波、系统故障保护执行等功能。
变流柜： 将直流电能逆变成与电网电压同幅值、同相位的交流电能。其核心元件为NPC 模块。
斩波控制柜：主要实现吸收装置自动投入、撤出和滤波等功能；执行吸收装置的控制、保护与监控；执行与上级控制系统的通信；执行吸收装置投入与退出判断；承担电阻吸收与逆变回馈时的控制。其核心元件DC/DC 模块原理图如图2-3所示。
变压器柜：执行直流电网与 400V 交流电网的隔离。
制动电阻柜：主要由吸收电阻组成，实现制动能量的吸收和转化功能。
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2.2、建立数学模型
根据如上的系统设计，围绕逆变回馈-电阻吸收混合型再生能制动系统的工作方式，建立能量转换方程，见公式（2-3）。
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公式（2-3）中，Ek为列车制动时的动能；
ET为邻车吸收能量；
WF为克服空气阻力做功；
Wf为克服收流靴与接触轨的摩擦力做功；
（WL+WR）为逆变回馈-电阻吸收装置吸收的能量，其中，WL为逆变回馈至低压电网的能量，WR为电阻吸收的能量；
WK为列车机械制动做功。
北京S1线正线共有八站七区间，分为石门营-栗元庄、栗元庄-桥户营、桥户营-金安桥、金安桥-苹果园四个再生能吸收区段，每个再生能吸收区段的平均长度为2.4km。
根据唐山试验线测试和日本CHSST磁悬浮列车运营经验，受流靴与接触轨之间的摩擦力为41.67N；空气阻力方程为
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公式（2-5）、（2-6）中，V0为列车制动时的初速度；
L为列车制动距离；
a为加速度；
t为制动时间。
由公式（2-4）、（2-5）、（2-6）可知，列车制动时克服空气阻力做功
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公式（2-9）中，
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为列车制动时的初速度；
f为受流靴与接触轨之间的摩擦力；
L为列车制动距离。
北京S1线磁悬浮列车相关参数如表2-3所示。
表2-3 北京S1线磁悬浮列车相关参数表
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3、仿真分析与工程化应用
如上进行了系统设计及数学建模，本节围绕理论基础开展仿真实验。在MATLAB/Simulink环境下，分别选取能量吸收率、直流牵引网电压升高情况和系统可靠性这三个性能指标进行仿真，并将这些指标分别与逆变回馈方式进行对比分析。
在进行能量吸收率、直流牵引网电压升高情况分析时，我们选取了两种典型工况，工况1：一个吸收区段只有一列车制动的情况；工况2：一个吸收区段60 s内有两列车制动的情况。观察再生能制动系统在120 s的吸收周期内，对牵引网多余的电能吸收比率和牵引网电压的升高情况。
能量吸收率计算公式
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表3-1 北京S1线再生能制动系统能量吸收率、直流牵引网电压升高情况仿真参数表
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由图3-1、3-2、3-3、3-4可知，在工况1的条件下，逆变回馈方式基本能吸收直流牵引网中多余的能量，能够稳定牵引网的电压。但是在线路比较繁忙的工况2条件下，当磁悬浮列车速度超过50 km/h时，采用逆变回馈方式会出现能量利用率下降、直流牵引网电压升高等问题，而逆变回馈—电阻吸收混合型再生能制动系统在这两种工况下，均可以很好的吸收牵引网中多余的能量，稳定直流牵引网电压。
在考察系统可靠性时，我们选择北京S1线远期规划的高峰发车间距进行测试，在一个吸收区段中，3 min内上下行共有三趟列车进行制动，这就要求系统必须在180 s内，完全吸收接触轨上的制动能量，否则，可能造成网压升高，影响列车稳定运行。
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由图3-5，可观察出随着运行时间的增加，逆变回馈方式下直流牵引网电压不断升高，并在36 min时超过1800 V，突破了牵引网安全运行的上限，致使整个牵引系统跳闸。而采用逆变回馈—电阻吸收方式下，整个直流牵引网电压稳定在标准工况，能够满足远期规划的高峰发车间距（3 min）的要求。
4、结论
本文结合北京S1线的具体情况，提出了适用于中低速磁悬浮轨道交通系统再生能制动改进方案。经过系统仿真，得到如下结论：当行车密度较大时，逆变回馈-电阻吸收混合型再生能制动系统的能量利用率较高，具备较好的稳压性能，系统运行更为可靠。
参考文献:
[1] 王严峥，苏鹏程.城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究.电气化铁道，2004，2：37-40.
[2] 周剑斌，苏浚，何冰斌.地铁列车运行再生能利用的研究.城市轨道交通研究，2004（04）：84-86.
[3] 刘跃华.成都地铁7号线列车再生制动能量吸收方案研究.低碳世界，2016年08期，210-211.