1、地鐵制動能量分析及再生技術研究                        摘 要：針對目前國內城市軌道交通采用電阻吸收方式存在的浪費能量及需加裝散熱設備的缺點，提出了采用電容吸收的方案，該方案充分利用了制動能量，減小了環境污染。該方案利用 Simulink 工具建立了地鐵制動動態模型，通過仿真得到了地鐵在不同初速度下產生的制動能量，仿真結果表明對制動能量

2、進行回收利用將帶來巨大的經濟效益。關鍵詞：制動能量；再生技術；電容吸收；軌道交通 0 引言      城市軌道交通工程中，普遍采用直?交變壓變頻的傳動方式，車輛的制動方式為電制動（再生制動）+ 空氣制動，運行中以電制動為主，空氣制動為輔。列車在運行過程中，由于站間距較短，列車啟動、制動頻繁，制動能量相當可觀。根據經驗，地鐵再生制動產生的能量除了一定比例（一般為20%80%，根據列車運行密度和區間距離的不同而異）被其他相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當列車發車密度較低時，再生

3、能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。資料表明，當列車發車間隔大于10 min時，再生制動能量被吸收的概率幾乎為零，此時絕大部分制動能量將被車輛吸收電阻吸收，變成熱能并向四外散發，這必將使隧道和站內的溫度升高1。目前國內城市軌道交通在地面采用電阻能耗吸收裝置處理列車運行過程中的再生能量，這不僅浪費能量，而且也增加了站內空調通風裝置的負擔，并使城軌建設費用和運行費用增加。如能將這部分能量儲存再利用，這些問題將迎刃而解。1 制動能量回收方案      目前，吸收裝置所采用的吸收方案主要有電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型等4種2。其中電阻

4、耗能型是將制動能量消耗在吸收電阻上，這是目前國內外應用比較普遍的方案，該方案控制簡單、工作可靠、應用成熟，其主要缺點是該方案只能將電能轉換為熱能排掉，造成能源浪費，而且電阻散熱會導致環境溫度升高，因此需要相應的通風裝置，即增加了相應的電能消耗；電容儲能型是將制動能量吸收到大容量電容器組中，當供電區間有列車需要取流時將所儲存的電能釋放出去，其主要缺點是要設置體積龐大的電容器組，且電容因頻繁處于充放電狀態而導致使用壽命短；飛輪儲能型的基本原理與電容儲能型一樣，只是儲能元件為飛輪電機，但由于飛輪長時間處于高速旋轉狀態，且飛輪質量也很大，故摩擦耗能問題嚴重，飛輪工作壽命短；逆變回饋型是將車輛制動時的直

5、流電逆變成工頻交流電與車站內380 V電網并網，將電能消耗在站內電梯、照明、通風等用電設施上，該吸收方案有利于能源的綜合利用，實現了節能，但是技術復雜，設備投資很大。綜上所述，除電阻耗能型外其余3種方案都充分利用了再生能量，但也均有各自的缺陷，因此目前國內尚無相應的成熟產品。但從能源的角度看，這是個必然的發展趨勢，因此有必要對其進行深入研究。      比較分析以上4種吸收方案可知，如能找到一種容量大、體積小、壽命長的電容器，則電容儲能型的問題就可以解決，最近出現的超級電容是一種先進的高能量儲存元件，具有以下特點：（1）電容量大，比普通電容器的

6、容量提高了34個數量級，目前最大容量可達5 000 F；（2）充放電壽命很長，可達500 000次，可提供千安以上的放電電流；（3）充電迅速，使用便捷，可在數十秒到數分鐘內快速充電；（4）串并聯組合方便3。      綜上所述，電容吸收方案是可行的。該方案中電容器組用超級電容串并聯組合而成，其主電路原理見圖1。主電路由電動隔離開關、直流快速斷路器、電壓傳感器、IGBT變流器和吸收電容等構成。      其主要工作原理為：當車輛再生制動且其能量沒有其他設備吸收時，將使電網電壓抬高，此時吸收電容通過

7、變流器吸收部分能量，即抬高的電壓向電容充電。當車輛再生制動完畢并轉入牽引運行時，電容兩端電壓比網壓高，電容開始向電網放電，將電容上的電能通過直流電網或其他耗電設備釋放掉。      吸收裝置的啟動過程：啟動時，先由電站室遠程控制，使控制電源合上，綜合自動化系統發出“啟動”命令給快開“ZK”的合閘回路，然后合上快速斷路器，通過綜合自動化系統發出的工作指令信號，設備啟動電動隔離開關（S0），當電動隔離開關合好，其閉合信號送入微機控制系統。隨后微機控制系統將根據SV1檢測的電網電壓的大小來判斷吸收裝置是否工作。當線網電壓超出規定范圍時，首先合上預充電

8、接觸器K1，給濾波裝置充電，然后合上線路接觸器S1，此時完成吸收裝置投入工作前的準備。2 地鐵制動能量的分析及仿真計算2.1 列車運行阻力      列車運行阻力可分為基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列車運行的任何情況下都存在的阻力，附加阻力是在列車運行的個別條件下才產生的阻力。這里只考慮列車運行的基本阻力。      基本阻力通常由軸承阻力、滾動阻力、滑動阻力、沖擊和震動阻力以及空氣阻力5部分組成。這5部分阻力之和通常用式（1）表示4：FW= a + bv + cv2  &

9、#160;    （1）      式中，a、b、c為阻力系數；v為車輛的運行速度，km/h。      各種機車車輛的基本阻力可以通過試驗獲得，廣州某型號地鐵車輛的基本阻力：FW=1.97 + 0.015v + 0.000 156 v2。2.2 地鐵車輛制動的動力學分析      假設車輛的運行阻力為Ff，制動初速度為v，車重為m，則產生的制動能量：E=mv2/2-Ff S   

10、60;      （2）      式中，E為產生的制動能量；S為車輛的制動距離。根據車輛運動方程得：      式中，FB為制動力； x 為車輛的加速度。      根據式（1）及式（3）可以建立車輛制動的動力學方程。      本文采用理想的恒流制動特性，忽略換向條件、最高速度等限制，其特性曲線如圖2所示。2.3 制動能量的仿真計算 

11、     利用Smulink工具箱建立系統的動力學模型，如圖3。仿真參數如表1所示，由此可以得出不同車輛在不同的初速度條件下制動所對應的制動時間、制動距離、車輛總動能以及產生的制動能量等參數，表2列出了部分仿真結果，圖4為制動初速度為70 km/h時，示波器Scope顯示的波形。2.4 仿真結果分析      由表2可知車輛制動時產生的能量十分可觀，并且制動初速度越大所產生的制動能量也越大，同時制動距離和制動時間也越大，這一規律完全與能量守恒定律相符。假設某地鐵車輛的制動初速度為80 km/h，那么每次制

12、動產生的能量為9 875 837 J，即每次制動可回收的電能為2.75 kW·h。按照每年365 d，每輛列車每天運營18 h，平均每小時制動30次 計 算 ， 一 輛 列 車 全 年 回 饋 的 電 能 為ER=365×18×30×2.75=542 025 kW·h。      以每度電價0.5元計算，每年可節省電費27.1萬元，若考慮地鐵全線的運營列車數及發車密度，節省的電費將成倍數增長，所以采用電容吸收方案回收這部分能量將節省巨額電費。另外，該回收裝置的安裝也會給地鐵其他系統帶來巨大的社會

13、和經濟效益，比如：可以減少列車制動電阻容量，從而減輕車體重量、更節能、成本更低。因此，對地鐵制動能量的回收再利用很有必要，再生技術的深入研究具有重大的實際意義。3 結論      本文針對電阻吸收方式的缺點提出采用電容吸收方式回收制動能量的方法，該方法利用電容將剩余的制動能量儲存起來并適時送回電網，這不僅可以充分利用制動能量，節約能源，而且可以減小污染，改善電網供電品質。但該方法也存在電容容量大，電容組合所占空間大，電容的使用壽命短等缺陷，而超級電容正好可以彌補這些缺陷，就是說電容吸收方式的方案是可行的。設備要正常運行需保證投入工作前吸收電容能有足夠大的儲能空間，故采用電容吸收方案時需要注意一個關鍵環節：當車輛再生制動完成后，吸收電容上的電能必須通過直流電網或其他耗電設備將其能量釋放掉，否則下一周期吸收電容無法吸收制動能量，也就是說吸收設備每次工作后都要將電容上的電能釋放掉，為設備的下一次投入工作做好準備。最后通過地鐵電制動的動力學模型對制動能量進行了仿真計算，結果驗證了能量回收利用的必要性及其產生的巨大經濟效益。      由以上分析可知，再生制動能量電容吸收技術的研究開發對我國城市軌道交通的發展、節能、環保都有重要意義，也是城市軌道交通領域發展的重要方向。 參考文獻：