地鐵制動(dòng)能量分析及再生技術(shù)研究

1、地鐵制動(dòng)能量分析及再生技術(shù)研究                        摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通采用電阻吸收方式存在的浪費(fèi)能量及需加裝散熱設(shè)備的缺點(diǎn)，提出了采用電容吸收的方案，該方案充分利用了制動(dòng)能量，減小了環(huán)境污染。該方案利用 Simulink 工具建立了地鐵制動(dòng)動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)仿真得到了地鐵在不同初速度下產(chǎn)生的制動(dòng)能量，仿真結(jié)果表明對(duì)制動(dòng)能量

2、進(jìn)行回收利用將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：制動(dòng)能量；再生技術(shù)；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(dòng)方式，車(chē)輛的制動(dòng)方式為電制動(dòng)（再生制動(dòng)）+ 空氣制動(dòng)，運(yùn)行中以電制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，由于站間距較短，列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量除了一定比例（一般為20%80%，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同而異）被其他相鄰列車(chē)吸收利用外，剩余部分將主要被列車(chē)的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當(dāng)列車(chē)發(fā)車(chē)密度較低時(shí)，再生

3、能量被其他車(chē)輛吸收的概率將大大降低。資料表明，當(dāng)列車(chē)發(fā)車(chē)間隔大于10 min時(shí)，再生制動(dòng)能量被吸收的概率幾乎為零，此時(shí)絕大部分制動(dòng)能量將被車(chē)輛吸收電阻吸收，變成熱能并向四外散發(fā)，這必將使隧道和站內(nèi)的溫度升高1。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通在地面采用電阻能耗吸收裝置處理列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的再生能量，這不僅浪費(fèi)能量，而且也增加了站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)，并使城軌建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。如能將這部分能量?jī)?chǔ)存再利用，這些問(wèn)題將迎刃而解。1 制動(dòng)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(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型和逆變回饋型等4種2。其中電阻

4、耗能型是將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上，這是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較普遍的方案，該方案控制簡(jiǎn)單、工作可靠、應(yīng)用成熟，其主要缺點(diǎn)是該方案只能將電能轉(zhuǎn)換為熱能排掉，造成能源浪費(fèi)，而且電阻散熱會(huì)導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，因此需要相應(yīng)的通風(fēng)裝置，即增加了相應(yīng)的電能消耗；電容儲(chǔ)能型是將制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間有列車(chē)需要取流時(shí)將所儲(chǔ)存的電能釋放出去，其主要缺點(diǎn)是要設(shè)置體積龐大的電容器組，且電容因頻繁處于充放電狀態(tài)而導(dǎo)致使用壽命短；飛輪儲(chǔ)能型的基本原理與電容儲(chǔ)能型一樣，只是儲(chǔ)能元件為飛輪電機(jī)，但由于飛輪長(zhǎng)時(shí)間處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且飛輪質(zhì)量也很大，故摩擦耗能問(wèn)題嚴(yán)重，飛輪工作壽命短；逆變回饋型是將車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的直

5、流電逆變成工頻交流電與車(chē)站內(nèi)380 V電網(wǎng)并網(wǎng)，將電能消耗在站內(nèi)電梯、照明、通風(fēng)等用電設(shè)施上，該吸收方案有利于能源的綜合利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，但是技術(shù)復(fù)雜，設(shè)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(guó)內(nèi)尚無(wú)相應(yīng)的成熟產(chǎn)品。但從能源的角度看，這是個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)，因此有必要對(duì)其進(jìn)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(zhǎng)的電容器，則電容儲(chǔ)能型的問(wèn)題就可以解決，最近出現(xiàn)的超級(jí)電容是一種先進(jìn)的高能量?jī)?chǔ)存元件，具有以下特點(diǎn)：（1）電容量大，比普通電容器的

6、容量提高了34個(gè)數(shù)量級(jí)，目前最大容量可達(dá)5 000 F；（2）充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)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(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電；（4）串并聯(lián)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(jí)電容串并聯(lián)組合而成，其主電路原理見(jiàn)圖1。主電路由電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、直流快速斷路器、電壓傳感器、IGBT變流器和吸收電容等構(gòu)成。      其主要工作原理為：當(dāng)車(chē)輛再生制動(dòng)且其能量沒(méi)有其他設(shè)備吸收時(shí)，將使電網(wǎng)電壓抬高，此時(shí)吸收電容通過(guò)

7、變流器吸收部分能量，即抬高的電壓向電容充電。當(dāng)車(chē)輛再生制動(dòng)完畢并轉(zhuǎn)入牽引運(yùn)行時(shí)，電容兩端電壓比網(wǎng)壓高，電容開(kāi)始向電網(wǎng)放電，將電容上的電能通過(guò)直流電網(wǎng)或其他耗電設(shè)備釋放掉。      吸收裝置的啟動(dòng)過(guò)程：?jiǎn)?dòng)時(shí)，先由電站室遠(yuǎn)程控制，使控制電源合上，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)出“啟動(dòng)”命令給快開(kāi)“ZK”的合閘回路，然后合上快速斷路器，通過(guò)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)出的工作指令信號(hào)，設(shè)備啟動(dòng)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)（S0），當(dāng)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)合好，其閉合信號(hào)送入微機(jī)控制系統(tǒng)。隨后微機(jī)控制系統(tǒng)將根據(jù)SV1檢測(cè)的電網(wǎng)電壓的大小來(lái)判斷吸收裝置是否工作。當(dāng)線網(wǎng)電壓超出規(guī)定范圍時(shí)，首先合上預(yù)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(shí)完成吸收裝置投入工作前的準(zhǔn)備。2 地鐵制動(dòng)能量的分析及仿真計(jì)算2.1 列車(chē)運(yùn)行阻力      列車(chē)運(yùn)行阻力可分為基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列車(chē)運(yùn)行的任何情況下都存在的阻力，附加阻力是在列車(chē)運(yùn)行的個(gè)別條件下才產(chǎn)生的阻力。這里只考慮列車(chē)運(yùn)行的基本阻力。      基本阻力通常由軸承阻力、滾動(dòng)阻力、滑動(dòng)阻力、沖擊和震動(dòng)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(shù)；v為車(chē)輛的運(yùn)行速度，km/h。      各種機(jī)車(chē)車(chē)輛的基本阻力可以通過(guò)試驗(yàn)獲得，廣州某型號(hào)地鐵車(chē)輛的基本阻力：FW=1.97 + 0.015v + 0.000 156 v2。2.2 地鐵車(chē)輛制動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析      假設(shè)車(chē)輛的運(yùn)行阻力為Ff，制動(dòng)初速度為v，車(chē)重為m，則產(chǎn)生的制動(dòng)能量：E=mv2/2-Ff S   

10、60;      （2）      式中，E為產(chǎn)生的制動(dòng)能量；S為車(chē)輛的制動(dòng)距離。根據(jù)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方程得：      式中，F(xiàn)B為制動(dòng)力； x 為車(chē)輛的加速度。      根據(jù)式（1）及式（3）可以建立車(chē)輛制動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。      本文采用理想的恒流制動(dòng)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(dòng)能量的仿真計(jì)算 

11、     利用Smulink工具箱建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖3。仿真參數(shù)如表1所示，由此可以得出不同車(chē)輛在不同的初速度條件下制動(dòng)所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離、車(chē)輛總動(dòng)能以及產(chǎn)生的制動(dòng)能量等參數(shù)，表2列出了部分仿真結(jié)果，圖4為制動(dòng)初速度為70 km/h時(shí)，示波器Scope顯示的波形。2.4 仿真結(jié)果分析      由表2可知車(chē)輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量十分可觀，并且制動(dòng)初速度越大所產(chǎn)生的制動(dòng)能量也越大，同時(shí)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間也越大，這一規(guī)律完全與能量守恒定律相符。假設(shè)某地鐵車(chē)輛的制動(dòng)初速度為80 km/h，那么每次制

12、動(dòng)產(chǎn)生的能量為9 875 837 J，即每次制動(dòng)可回收的電能為2.75 kW·h。按照每年365 d，每輛列車(chē)每天運(yùn)營(yíng)18 h，平均每小時(shí)制動(dòng)30次 計(jì) 算 ， 一 輛 列 車(chē) 全 年 回 饋 的 電 能 為ER=365×18×30×2.75=542 025 kW·h。      以每度電價(jià)0.5元計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)27.1萬(wàn)元，若考慮地鐵全線的運(yùn)營(yíng)列車(chē)數(shù)及發(fā)車(chē)密度，節(jié)省的電費(fèi)將成倍數(shù)增長(zhǎng)，所以采用電容吸收方案回收這部分能量將節(jié)省巨額電費(fèi)。另外，該回收裝置的安裝也會(huì)給地鐵其他系統(tǒng)帶來(lái)巨大的社會(huì)

13、和經(jīng)濟(jì)效益，比如：可以減少列車(chē)制動(dòng)電阻容量，從而減輕車(chē)體重量、更節(jié)能、成本更低。因此，對(duì)地鐵制動(dòng)能量的回收再利用很有必要，再生技術(shù)的深入研究具有重大的實(shí)際意義。3 結(jié)論      本文針對(duì)電阻吸收方式的缺點(diǎn)提出采用電容吸收方式回收制動(dòng)能量的方法，該方法利用電容將剩余的制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)并適時(shí)送回電網(wǎng)，這不僅可以充分利用制動(dòng)能量，節(jié)約能源，而且可以減小污染，改善電網(wǎng)供電品質(zhì)。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(jí)電容正好可以彌補(bǔ)這些缺陷，就是說(shuō)電容吸收方式的方案是可行的。設(shè)備要正常運(yùn)行需保證投入工作前吸收電容能有足夠大的儲(chǔ)能空間，故采用電容吸收方案時(shí)需要注意一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：當(dāng)車(chē)輛再生制動(dòng)完成后，吸收電容上的電能必須通過(guò)直流電網(wǎng)或其他耗電設(shè)備將其能量釋放掉，否則下一周期吸收電容無(wú)法吸收制動(dòng)能量，也就是說(shuō)吸收設(shè)備每次工作后都要將電容上的電能釋放掉，為設(shè)備的下一次投入工作做好準(zhǔn)備。最后通過(guò)地鐵電制動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果驗(yàn)證了能量回收利用的必要性及其產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益。      由以上分析可知，再生制動(dòng)能量電容吸收技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展、節(jié)能、環(huán)保都有重要意義，也是城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。 參考文獻(xiàn)：