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地铁制动能量分析及再生技术研究
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内容提示：针对目前国内城市轨道交通采用电阻吸收方式存在的浪费能量及需加装散热设备的缺点，提出了采用电容吸收的方案，该方案充分利用了制动能量，减小了环境污染。该方案利用 Simulink 工具建立了地铁制动动态模型，通过仿真得到了地铁在不同初速度下产生的制动能量，仿真结果表明对制动能量进行回收利用将带来巨大的经济效益。
摘 要：针对目前国内城市轨道交通采用电阻吸收方式存在的浪费能量及需加装散热设备的缺点，提出了采用电容吸收的方案，该方案充分利用了制动能量，减小了环境污染。该方案利用 Simulink 工具建立了地铁制动动态模型，通过仿真得到了地铁在不同初速度下产生的制动能量，仿真结果表明对制动能量进行回收利用将带来巨大的经济效益。（参考《建筑中文网》）
关键词：制动能量；再生技术；电容吸收；轨道交通
0 引言
城市轨道交通工程中，普遍采用直?交变压变频的传动方式，车辆的制动方式为电制动（再生制动） 空气制动，运行中以电制动为主，空气制动为辅。列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。根据经验，地铁再生制动产生的能量除了一定比例（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车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。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。资料表明，当列车发车间隔大于10 min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被车辆吸收电阻吸收，变成热能并向四外散发，这必将使隧道和站内的温度升高[1]。目前国内城市轨道交通在地面采用电阻能耗吸收装置处理列车运行过程中的再生能量，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使城轨建设费用和运行费用增加。如能将这部分能量储存再利用，这些问题将迎刃而解。
1 制动能量回收方案
目前，吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等4种[2]。其中电阻耗能型是将制动能量消耗在吸收电阻上，这是目前国内外应用比较普遍的方案，该方案控制简单、工作可靠、应用成熟，其主要缺点是该方案只能将电能转换为热能排掉，造成能源浪费，而且电阻散热会导致环境温度升高，因此需要相应的通风装置，即增加了相应的电能消耗；电容储能型是将制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去，其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组，且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短；飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样，只是储能元件为飞轮电机，但由于飞轮长时间处于高速旋转状态，且飞轮质量也很大，故摩擦耗能问题严重，飞轮工作寿命短；逆变回馈型是将车辆制动时的直流电逆变成工频交流电与车站内380 V电网并网，将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上，该吸收方案有利于能源的综合利用，实现了节能，但是技术复杂，设备投资很大。综上所述，除电阻耗能型外其余3种方案都充分利用了再生能量，但也均有各自的缺陷，因此目前国内尚无相应的成熟产品。但从能源的角度看，这是个必然的发展趋势，因此有必要对其进行深入研究。
比较分析以上4种吸收方案可知，如能找到一种容量大、体积小、寿命长的电容器，则电容储能型的问题就可以解决，最近出现的超级电容是一种先进的高能量储存元件，具有以下特点：（1）电容量大，比普通电容器的容量提高了3～4个数量级，目前最大容量可达5 000 F；（2）充放电寿命很长，可达500 000次，可提供千安以上的放电电流；（3）充电迅速，使用便捷，可在数十秒到数分钟内快速充电；（4）串并联组合方便[3]。
综上所述，电容吸收方案是可行的。该方案中电容器组用超级电容串并联组合而成，其主电路原理见图1。主电路由电动隔离开关、直流快速断路器、电压传感器、IGBT变流器和吸收电容等构成。
其主要工作原理为：当车辆再生制动且其能量没有其他设备吸收时，将使电网电压抬高，此时吸收电容通过变流器吸收部分能量，即抬高的电压向电容充电。当车辆再生制动完毕并转入牵引运行时，电容两端电压比网压高，电容开始向电网放电，将电容上的电能通过直流电网或其他耗电设备释放掉。
吸收装置的启动过程：启动时，先由电站室远程控制，使控制电源合上，综合自动化系统发出“启动”命令给快开“ZK”的合闸回路，然后合上快速断路器，通过综合自动化系统发出的工作指令信号，设备启动电动隔离开关（S0），当电动隔离开关合好，其闭合信号送入微机控制系统。随后微机控制系统将根据SV1检测的电网电压的大小来判断吸收装置是否工作。当线网电压超出规定范围时，首先合上预充电接触器K1，给滤波装置充电，然后合上线路接触器S1，此时完成吸收装置投入工作前的准备。
2 地铁制动能量的分析及仿真计算
2.1 列车运行阻力
列车运行阻力可分为基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列车运行的任何情况下都存在的阻力，附加阻力是在列车运行的个别条件下才产生的阻力。这里只考虑列车运行的基本阻力。
基本阻力通常由轴承阻力、滚动阻力、滑动阻力、冲击和震动阻力以及空气阻力5部分组成。这5部分阻力之和通常用式（1）表示[4]：
FW= a bv cv2 （1）
式中，a、b、c为阻力系数；v为车辆的运行速度，km/h。
各种机车车辆的基本阻力可以通过试验获得，广州某型号地铁车辆的基本阻力：
FW=1.97 0.015v 0.000 156 v2。
2.2 地铁车辆制动的动力学分析
假设车辆的运行阻力为Ff，制动初速度为v，车重为m，则产生的制动能量：
E=mv2/2-Ff S （2）
式中，E为产生的制动能量；S为车辆的制动距离。
根据车辆运动方程得：
式中，FB为制动力； x 为车辆的加速度。
根据式（1）及式（3）可以建立车辆制动的动力学方程。
本文采用理想的恒流制动特性，忽略换向条件、最高速度等限制，其特性曲线如图2所示。
假设制动功率为P，当车辆运行在v0至v1阶段
2.3 制动能量的仿真计算
利用Smulink工具箱建立系统的动力学模型，如图3。仿真参数如表1所示，由此可以得出不同车辆在不同的初速度条件下制动所对应的制动时间、制动距离、车辆总动能以及产生的制动能量等参数，表2列出了部分仿真结果，图4为制动初速度为70 km/h时，示波器Scope显示的波形。
2.4 仿真结果分析
由表2可知车辆制动时产生的能量十分可观，并且制动初速度越大所产生的制动能量也越大，同时制动距离和制动时间也越大，这一规律完全与能量守恒定律相符。假设某地铁车辆的制动初速度为80 km/h，那么每次制动产生的能量为9 875 837 J，即每次制动可回收的电能为2.75 kW·h。按照每年365 d，每辆列车每天运营18 h，平均每小时制动30次 计 算 ， 一 辆 列 车 全 年 回 馈 的 电 能 为ER=365×18×30×2.75=542 025 kW·h。
以每度电价0.5元计算，每年可节省电费27.1万元，若考虑地铁全线的运营列车数及发车密度，节省的电费将成倍数增长，所以采用电容吸收方案回收这部分能量将节省巨额电费。另外，该回收装置的安装也会给地铁其他系统带来巨大的社会和经济效益，比如：可以减少列车制动电阻容量，从而减轻车体重量、更节能、成本更低。因此，对地铁制动能量的回收再利用很有必要，再生技术的深入研究具有重大的实际意义。
3 结论
本文针对电阻吸收方式的缺点提出采用电容吸收方式回收制动能量的方法，该方法利用电容将剩余的制动能量储存起来并适时送回电网，这不仅可以充分利用制动能量，节约能源，而且可以减小污染，改善电网供电品质。但该方法也存在电容容量大，电容组合所占空间大，电容的使用寿命短等缺陷，而超级电容正好可以弥补这些缺陷，就是说电容吸收方式的方案是可行的。设备要正常运行需保证投入工作前吸收电容能有足够大的储能空间，故采用电容吸收方案时需要注意一个关键环节：当车辆再生制动完成后，吸收电容上的电能必须通过直流电网或其他耗电设备将其能量释放掉，否则下一周期吸收电容无法吸收制动能量，也就是说吸收设备每次工作后都要将电容上的电能释放掉，为设备的下一次投入工作做好准备。最后通过地铁电制动的动力学模型对制动能量进行了仿真计算，结果验证了能量回收利用的必要性及其产生的巨大经济效益。
由以上分析可知，再生制动能量电容吸收技术的研究开发对我国城市轨道交通的发展、节能、环保都有重要意义，也是城市轨道交通领域发展的重要方向。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/9123.htm
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