0 引言

城市轨道交通系统相对于其他公共交通工具而言，具有安全舒适、快速环保、运力大和能量消耗少等优点。按照同等运力比较，城市轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9，公交车的1/2，而且占地面积小，运行成本低。因此尤其适合在人口密集城市运行，地铁作为城市公共交通的重要组成部分，采用电能运行，污染小，在缓解城市交通的紧张状况和拓展城市空间等方面发挥着重要作用。^[1]

列车制动时所产生的制动能量是巨大的，根据经验车辆再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30％甚至更多，这些再生能量除了按一定比例（一般为20％~80％，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其它相邻取留列车吸收利用外，剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。^[2]

再生制动能量消耗装置简化图如图1所示。

图1  再生制动能量吸收装置简化图

如果能在地铁运行过程中投入运行高效的再生能量回收装置，当处于再生制动工况下的列车产生的制动电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，当电网电压上升到限定电压时，牵引变电所中设置的再生制动能量吸收装置立即投入工作，吸收多余的再生制动能量，以最大限度地发挥电制动性能并将大部分制动能量合理地回收利用和消耗，可以有效地改善地铁运行带来的温升问题，还可以提高能量利用率。

1. 可采用的再生制动能量吸收装置类型

再生制动能量吸收装置大体可分为电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型四种。

1.1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。

电阻耗能型制动能量吸收装置的优点：投入建设成本相对较低，维护、维修方便，使用寿命长；控制方式简单，技术成熟。该装置的缺点：再生制动能量消耗在吸收电阻上未加以利用，电阻散热导致环境温度上升。电阻吸收装置需要单独放置，设备房间需要配备相应的通风动力装置以保证有足够的通风量，这样再生能量不仅不能有效利用而且额外增加了相应的二次能源的消耗。

1.2电容储能型

电容储能型制动能量吸收装置采用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，当供电区间内有牵引列车时，该装置将所储存的电能释放供牵引列车利用。

电容储能型制动能量吸收装置的优点：有效利用了列车制动时再生电能，电能利用率高；装置为静态电容储能装置，在维护和更换元器件时比较方便，可以减少列车制动电阻的容量或取消列车制动电阻。该装置的缺点是：现阶段的电容产品容量并不能够满足实际工程需要。

1.3 飞轮储能型

飞轮储能型制动能量吸收装置直接安装在变电所直流正负母线或牵引电网和回流轨间。当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；当变电所附近有列车启动时，飞轮转速降低，作为发电设备向牵引电网提供电能供牵引列车利用。

飞轮储能型装置的优点：有效利用了列车制动时再生电能，节能效果好；可取消或减少列车制动电阻的容量，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。该产品的缺点：飞轮装置体积大，成本高，运行效果不够理想；维护维修不够方便。

1.4 逆变回馈型

逆变回馈型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和三相逆变器，逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上，当列车处于再生制动工况使直流电压超过电网限定值时，逆变器投入工作，将再生直流电能逆变为工频交流电能回馈至380V交流电网。

逆变回馈型制动能量吸收装置的优点：能够充分利用列车再生制动能量，提高再生能量的利用率，节能效果好并且可减少列车制动电阻的容量；对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。该装置的缺点：逆变过程中产生谐波，对电网质量影响较大；变电所需要安装逆变电抗器或变压器，占地面积较大，操作维护复杂。

2 再生制动能量吸收装置的选取

综合所述，几类吸收装置各有千秋，因此在地铁建设中选择列车再生能量吸收装置类型时需结合实际情况加以选择，要有一定的灵活性。本文采用逆变-电阻混合吸收的方式，首先将再生能量逆变成380V电能回馈至380V电网系统，在最大程度上节约能量。

逆变-电阻混合型吸收装置基本构架如图2所示。

控制系统首先合上KM2、KM4充电接触器，给滤波电容充电，然后合上线路接触器KM1、KM3，此时完成吸收装置投入工作前的准备工作。此后控制系统根据各个传感器检测的信号综合判断电网上是否有列车处于再生电制动状态。

图2 逆变-电阻混合型吸收装置基本构架

系统设置二级电压判断基准值，用于确认列车是否处于再生制动状态以及是否需要吸收能量：一旦确认有列车处于再生制动状态且电网电压上升到第一级判断电压需要吸收能量时，逆变回馈装置立即投入工作，逆变转换成AC380V电网电压，自动跟踪城市AC380V电网并网并向其用电负载供电，在容量限制范围内最大程度的吸收再生能量。考虑到380V电网吸收容量以及逆变装置的故障状态，在大量的再生能量不能完全被逆变吸收装置消耗，这将引起电网电压进一步的上升。当电网电压升到第二级判断电压时，电阻吸收装置立即投入工作。电阻吸收装置的控制系统通过监视电网电压自动控制电阻吸收支路投入数量以及斩波器占空比，确保电网电压维持在允许波动范围内以及车辆再生制动的安全稳定。当列车停止时，检测控制系统自动切除能量吸收装置。

3 吸收装置控制策略改进分析

再生电能消耗装置工作的好坏与系统判断控制技术有直接的关系，如果判断结果与真实情况不相符，使得装置误投切而造成能量浪费、影响行车安全。优良的控制策略应能够有效地解决列车在电网电压波动下吸收装置的可靠动作问题，如当一个牵引电站撤出工作而造成电网电压抖动时，再生制动能量吸收装置仍能正常投切。

现有再生制动吸收装置的投入判断方法大多采用直流侧单电压判断方式，但这种方式只适用于电网电压特性硬、波动小的情况。^[3]我国的电网条件波动范围较大，国标允许范围是：DC1500V电网变化范围为DC1100V-DC1800V；DC750V电网变化范围为DC500V-DC900V。例如，日本对DC1500V电网制式采取DC1630V作为判断值，而当我国电网电压变化到DC1800V时。如果继续采用该控制策略，吸收装置可能在车辆其他工况下投入工作，使得吸收装置消耗电网能量。因此单一的采用直流侧单电压判断方式不能保证吸收装置的准确投切。

为了确保判断信息更加准确，可以采用受流网（轨）电流极性作为辅助判断。

直流电机的调压机械特性如图3所示。

图3  直流电机调压机械特性原理图

机车制动时，需降低直流电动机的可逆变流器的输出电压，电压幅值从额定的Un变为U，特性曲线平行下降。因为直流电机的转速不能突变，因此电机的运行点从A点变为B点。这样电机便工作在第二象限，此时电机的Tem为负，意味着产生电制动转矩，使直流电机降速。又有电磁转矩公式：               Tem =Ctψ

电枢电流极性为负，表明电机处于发电状态，开始向电网回馈能量。

只有机车处于再生制动状态且制动能量无法被吸收时，车辆释放的电能将使电网电压提高，受流网（轨）电流极性为反向。根据电流极性的正反可以辅助判断再生制动吸收设备的投入。此措施极大的改善了判断控制策略的精确性。

但是现有控制策略由于信号系统的检测故障以及偏差等问题，还是可能造成电流检测的误判，使得机车在正常驱动行驶工况下，制动能量吸收装置投入工作进行能量吸收，造成能量的浪费；或由于信号传输的问题，使得机车处于制动状态下，制动能量吸收装置不能及时投入，使得电网电压不断升高，危害周边供电安全、造成电网崩溃。因此针对整个信号检测系统的可靠性问题，还是可以继续对制动能量吸收装置的投切的控制策略进行优化加强。

系统投切的控制策略逻辑示意图如图4所示。

    1）电流方面的改进：因为电流的极性改变是瞬间完成的，给电流极性的检测装置带来冲击，影响判断结果。因此可以在电流检测装置前面加装预开关。此处预开关的作用是避免电流的反向冲击影响测量精度。因为制动调压开关的启动是电流极性为负的充分条件之一，因此电流预开关可以设为机车制动调压开关。当机车进站需要制动时，启动制动调压开关，而后电流检测装置才投入检测工作。当判断电流极性为负时，再投入电压检测判断。其设定为吸收装置的投入增设一个充分条件，提高系统投切准确性。其中结果对比装置的作用是当制动调压开关启动时对比装置处于或状态，当制动调压开关关断时处于与状态。这样，采用两个独立电流检测装置形成具有自检错功能的检测装置。

图4  系统投切的控制策略逻辑示意图

2）电压方面改进：机车制动状态下，机车回馈电网能量，电流极性为负。也就是说只有在电流极性为负的基础上，才能检测电网电压是否超出吸收装置投入电压基本判断值。因此可将电流负极性输出信号作为电压检测装置的预开关。以此避免因电网电压正常波动所造成的装置误投切。

另外，预开关及其主开关的时间间隔需要依据实际工况进行设定。时间间隔过长会影响装置投切的及时性，时间间隔过短依然会影响状态判断的准确性，应予格外注意。

系统投切的控制策略仿真主控图如图5所示。

图5  控制策略主控图

Enable（0、1）作为调压开关的开闭输入，0时对比装置处于“与”状态，1时对比装置处于“或”状态。为验证策略的理论正确性，验证结果只涉及混合吸收装置的开断，示波器的输出会依据相应工况做出调整。

图6吸收装置处于非制动状态下的仿真结果。仿真结果表明吸收装置在电网电压正常波动时不会投入吸收装置（子图3所示）。

图6  吸收装置非制动状态下的仿真结果

图7为列车制动状态下吸收装置的仿真结果。仿真结果表明列车制动状态下，吸收装置在一侧电流检测装置检测失败情况下（子图2所示）依然可以可靠投入（子图4所示）。

图7  制动状态下有检测干扰时仿真结果

图8为吸收装置在非制动状态下受干扰条件下的仿真结果。仿真结果表明吸收装置在列车处于非制动状态且检测受到干扰条件下（子图3所示），吸收装置不会投入使用进行能量消耗（子图4所示）。

图8非制动状态下、有检测干扰时仿真结果

4 总结

本文针对城市轨道交通中再生制动能量的回收问题，分析了目前的四种可行吸收方案，综合比较后结合逆变和电阻消耗型两种方案，采用了混合的吸收方式进行能量回收。为确保电网稳定及行车安全，并针对我国电网特点下的混合方案对其现有的控制策略进行了创新改进，并提出预开关思想。基于MATLAB的仿真结果表明：相对于传统控制策略，改进后的控制策略可有效改善电流激变对测量结果准确度的影响、检测装置可靠性对测量结果的影响以及电网电压正常波动所带来的不安全因素，抗干扰性强，为系统的安全稳定运行增添新一层的保障。

参考文献：

[1]于松伟，杨兴山，韩连祥等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]成都：西南交通大学出版社，2008，1-3，451-456

[2]王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生电能的吸收与利用分析[J].城市轨道交通研究，2007 ，（6），http://dlib.edu.cnki.net/kns50/detail.aspx?dbname=CJFD2007&filename=GDJT200706014

[3] 湘潭市恒信电气有限公司. 再生制动吸收设备的投入判断方法及设备.中国，C，200710105633.9.2007年10月24日.

[4]李根良，张征宇，李汉卿等. HXXS-NB/380V型电阻－逆变混合再生制动能量吸收装置研制.湖南：  湖南恒信电气有限公司，2008

[5]曾建军，林知明，郭万岭.地铁再生制动能量吸收装置[J].电气化铁道，2008，（6），http://dlib.edu.cnki.net/kns50/detail.aspx?dbname=CJFD2008&filename=DQHD200806016

[6]叶芹禄，周伟志.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J].铁道勘测与设计，2009，（3）http://dlib.edu.cnki.net/kns50/detail.aspx?dbname=CJFDTEMP&filename=TDKC200903015