為了降低隧道洞體和車站內(nèi)溫度并提高洞內(nèi)空氣質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)進行再生能量吸收的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置。本文主要介紹了再生制動能量吸收電阻+逆變裝置的設(shè)計重點，闡述了該裝置工作的基本原理，并對其在變電所中的投運方式進行了探討。
針對目前城市軌道交通中廣泛應(yīng)用的再生制動技術(shù)，如果采用車輛吸收電阻，來吸收地鐵列車運行過程中的再生能量，則將帶來隧道和站臺內(nèi)的溫升問題，同時也增加了站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負擔(dān)， 造成大量的能源浪費并使地鐵的建設(shè)費用和運行費用增加。
為了降低隧道洞體和車站內(nèi)溫度并提高洞內(nèi)空氣質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)進行再生能量吸收的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置。本文主要介紹了再生制動能量吸收電阻+逆變裝置的設(shè)計重點，闡述了該裝置工作的基本原理，并對其在變電所中的投運方式進行了探討。
引言
在城市軌道交通車輛應(yīng)用的較為廣泛的調(diào)速技術(shù)主要有直流斬波調(diào)壓、再生-電阻制動系統(tǒng)，交流變頻變壓調(diào)速（即VVVF系統(tǒng)）、再生電制動系統(tǒng)。北京地鐵已采用了上述兩種調(diào)速系統(tǒng)的電動客車，上海、廣州地鐵采用VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)，重慶、武漢、深圳、天津城軌車輛也均采用VVVF交流調(diào)速、再生電制動系統(tǒng)。車輛在運行過程中， 由于站間距一般較短， 列車起制動頻繁， 因此要求起動加速度和制動減速度大，制動平穩(wěn)并具有良好的起動和制動性能。從能量相互轉(zhuǎn)換的角度看， 制動能量是相當(dāng)可觀的。由于軌道交通整流設(shè)備采用的是二極管整流器，只能單向供電。當(dāng)列車制動時， 再生回饋能量通過機車變頻裝置向直流電網(wǎng)充電，使直流電網(wǎng)電壓升高，當(dāng)直流電壓大于整流器輸出電壓時， 二極管整流器被反向阻斷。由于地鐵系統(tǒng)的特點是區(qū)間距離短、列車運行密度高， 這樣列車在全線運行過程中必將有頻繁的啟動、制動過程。根據(jù)運營經(jīng)驗，車輛再生制動產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的30%甚至更多。而這些再生能量除了按一定比例（一般為20%～80%， 根據(jù)列車運行密度和區(qū)間距離的不同而異） 被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當(dāng)列車發(fā)車密度較低時，再生能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。資料表明，當(dāng)列車發(fā)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，變成熱能并向洞內(nèi)四外散發(fā)，這必將使隧道和站內(nèi)的溫度升高 。目前國內(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(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負擔(dān)，并使城軌建設(shè)費用和運行費用增加。若能將這部分能量儲存再利用，這些問題將迎刃而解。
可采用的相關(guān)技術(shù)
為了減少制動能量在列車制動電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內(nèi)溫度的升高和減少車載設(shè)備，國外一般在牽引變電所的直流母線上設(shè)置再生制動能量吸收裝置，所采用的吸收方案主要包括電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型四種方式。 電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。該裝置的優(yōu)點是控制簡單，其主要缺點是再生制動能量消耗在吸收電阻上，未加以利用；而且電阻散熱也導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，因此當(dāng)該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，而且該房間需采取措施保證有足夠的通風(fēng)量，需要相應(yīng)的通風(fēng)動力裝置，也增加了相應(yīng)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(dāng)供電區(qū)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(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(zhuǎn)狀態(tài)，且飛輪質(zhì)量也很大，故摩擦耗能問題嚴重，飛輪工作壽命短。該類吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲能電容器組或飛輪電機、IGBT 斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機控制單元等。
逆變回饋型再生制動能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)， 其交流進線接到交流電網(wǎng)上。當(dāng)再生制動使直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、直流電壓變換器和調(diào)節(jié)控制柜等。該裝置充分利用了列車再生制動能量， 提高了再生能量的利用率， 節(jié)能效果好，但是技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備投資較大。
在對再生能量吸收裝置的四種回饋方式進行技術(shù)性價比后，提出了采用電阻吸收+能量逆變結(jié)合的模式。裝置主電路由三部分組成，即開關(guān)及濾波單元、電阻吸收單元和逆變吸收單元；逆變吸收的用電設(shè)備為各牽引降壓混合變電所的低壓用電負載。
再生制動能量吸收電阻+逆變裝置主要由隔離開關(guān)柜、斬波控制柜、逆變控制柜、電阻柜、隔離變壓器柜等構(gòu)成。
隔離開關(guān)柜具有執(zhí)行再生制動吸收設(shè)備與電網(wǎng)接通或分離、電網(wǎng)濾波、系統(tǒng)故障保護等功能。
斬波控制柜主要實現(xiàn)吸收裝置自動轉(zhuǎn)換及檢測等功能。它由多個獨立的IGBT斬波支路及微機控制裝置等組成，每一支路IGBT斬波器控制其開通或關(guān)斷，差相工作。檢測電網(wǎng)電壓變化由電壓傳感器檢測并實現(xiàn)判別牽引、制動工況。本斬波柜采用電力電子器件IGBT作為開關(guān)元件，根據(jù)實際再生制動力的大小調(diào)節(jié)吸收電流，充分滿足車輛的再生制動功能，并具有過流、過壓和短路等保護。微機控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用的需要和相應(yīng)設(shè)備的特點，分為上、下兩級控制。上位機采用具有高可靠性和功能強大的工業(yè)控制機，是控制系統(tǒng)的人機交互工具，也是一個系統(tǒng)通訊中樞。主要進行狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)存貯及圖形表現(xiàn)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、運行控制和通訊處理等工作；下位機采用高性能的微處理器，結(jié)合其它外圍器件，構(gòu)成一個性能穩(wěn)定、可靠、功能強大的底層系統(tǒng)。完成數(shù)據(jù)采集、邏輯處理、故障判斷、控制輸出、PI調(diào)節(jié)運算、多相PWM輸出和系統(tǒng)通訊等工作。為了便于系統(tǒng)的維護與開發(fā)，整個上位機系統(tǒng)是模塊化設(shè)計的。
吸收電阻柜用作再生制動吸收設(shè)備功率吸收元件，它由若干電阻單元組成。電阻器組件為無骨架長波型電阻元件，由于電阻帶為非磁性材料，而且采用框架式波形繞組，電感量低；電阻值溫漂變化??；采用模塊結(jié)構(gòu)，調(diào)整電阻值方便。
微機控制系統(tǒng)根據(jù)各個傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)。一旦確認列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，系統(tǒng)啟動吸收過程。在控制系統(tǒng)中設(shè)置二級判斷基準(zhǔn)值，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第一級判斷電壓時，系統(tǒng)首先投入逆變吸收；逆變轉(zhuǎn)換成AC380V電壓，自動跟蹤AC380V母線電壓，并向用電負載供電，將再生能量消耗在用電設(shè)備上；一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網(wǎng)電壓進一步的上升，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第二級判斷電壓時，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動能量消耗，穩(wěn)定電網(wǎng)不再上升，確保列車充分有效利用電制動。該裝置的原理示意如下圖所示。
制動控制柜主要實現(xiàn)吸收裝置自動投入、撤出和濾波等功能。制動電阻柜主要由吸收電阻組成，實現(xiàn)制動能量的吸收和排出功能。
逆變控制柜主要實現(xiàn)逆變吸收、自動并網(wǎng)及逆變電流調(diào)節(jié)等功能。逆變柜采用電力電子器件IGBT作為開關(guān)元件，根據(jù)實際再生制動力的大小調(diào)節(jié)吸收電流，充分滿足車輛的再生制動功能。并具有過流、過壓、缺相和短路等保護。
隔離變壓器柜通過干式變壓器實現(xiàn)再生電能逆變吸收裝置與交流供電系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)與隔離。
地面制動電阻裝置應(yīng)保證在線路上有列車在進行電制動且制動時產(chǎn)生的再生能量不能被其它取流列車和逆變裝置以及用電設(shè)備吸收時，制動電阻裝置應(yīng)能可靠地將再生能量吸收；并根據(jù)吸收功率的大小自動調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，維持線網(wǎng)電壓恒定。在列車起動、加速、惰性、停站和線路上無車輛運行而整流機組處于工作狀態(tài)情況下，本裝置禁止投入線網(wǎng)工作來消耗能量。因此本裝置必須能合理地判斷和確定制動電阻裝置的導(dǎo)通和關(guān)斷電壓，此方案的適用性還有待于在實踐中驗證。
技術(shù)方案的研究與比較
●有關(guān)系統(tǒng)的仿真模擬計算
仿真模擬是較為先進的研究方法之一，事實證明，這樣的研究方法是可取的、科學(xué)的、可靠的。許多重大項目都要經(jīng)過各種仿真模擬計算后才能夠進入實施階段，開發(fā)研究階段的有關(guān)模擬分析參數(shù)的選擇和確定將有可能影響到整個工程的方案決策、運行效果以及工程投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟合理性。因此，在項目的設(shè)計階段進行大量的、準(zhǔn)確的仿真模擬是非常必要的。多年來中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院已經(jīng)在各條城市軌道交通的供電系統(tǒng)設(shè)計中多次運用這種方法。因此， 為了得到更為準(zhǔn)確可靠的研究結(jié)果，在研究過程中對相關(guān)的系統(tǒng)進行了大量的模擬分析與比較。所應(yīng)用到的主要模擬技術(shù)和分析流程見圖1。
1： 列車運行模擬
列車運行的模擬仿真是整個方案研究最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺和依據(jù)，它的正確性和科學(xué)性將直接影響后續(xù)模擬計算的準(zhǔn)確性和方案的可靠性。因此必須對與此相關(guān)的各個系統(tǒng)進行充分調(diào)查、分析與研究。主要包括車輛特性、車輛阻力、車輛運行工況的分析與研究，線路資料和有關(guān)運營資料的分析與整理，從而獲得準(zhǔn)確的全線列車運行數(shù)據(jù)。
2：不同運行圖模擬
一般來說，在固定的列車追蹤間隔運行狀態(tài)下，列車的牽引用電負荷反映到牽引變電所是相對持續(xù)穩(wěn)定的，不會因運行圖上下行鋪畫的時間交錯產(chǎn)生較大的波動變化。因此， 設(shè)計院一般在設(shè)計牽引供電系統(tǒng)方案和容量的時候，只需對典型的高峰小時運行圖進行模擬就可以滿足要求。而再生能量回饋電流則是短時的、不穩(wěn)定的，由于其他列車的運行狀態(tài)直接影響到再生電流的吸收比例，所以在作回饋電流的模擬分析時，應(yīng)該充分考慮運行圖上下行鋪畫的不同時間交錯情況下的回饋電流特性。在進行運行圖模擬時，增加了以追蹤間隔為周期，以2 s 為步長的多圖模擬模型，為下一步的供電系統(tǒng)模擬提供更具廣泛性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
3：供電系統(tǒng)模擬
供電系統(tǒng)模擬是基于全線牽引供電網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型之上，根據(jù)有限元分析的基本思想對全線網(wǎng)絡(luò)模型進行一定間隔的切割，并對各個切割斷面進行數(shù)據(jù)抽象，同時根據(jù)運行圖數(shù)據(jù)對全線列車的運行狀態(tài)掃描后進行全線的牽引供電網(wǎng)絡(luò)分析，從而計算出供電網(wǎng)絡(luò)各個切割斷面的瞬態(tài)電氣參數(shù)，并進行統(tǒng)計輸出。本文在原有的模擬模型基礎(chǔ)上， 加入了電能回饋吸收裝置的簡化數(shù)學(xué)模型（見圖2）， 使模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)確，為回饋吸收系統(tǒng)方案的建立和容量的選擇提供可靠的依據(jù)。由于在進行系統(tǒng)模擬分析的過程中，主要研究目標(biāo)為能量的流動過程， 因此為了簡化算法，提高運行速度，將回饋裝置在數(shù)學(xué)模型上簡化為可調(diào)電阻，設(shè)定回饋裝置的電壓投入條件，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的大小來適應(yīng)回饋功率的變化。通過各種運營狀態(tài)下的模擬分析、統(tǒng)計，獲得回饋功率
圖2 回饋吸收裝置的簡化模型示意圖
● 仿真模擬結(jié)果分析
考慮到再生回饋電能的負荷特點（短時性和隨機性），對不同運行階段的列車運行、不同運行圖和供電網(wǎng)絡(luò)進行大量的模擬分析和比較。以某牽引變電所為例的圖3 可以看出，在相同的列車運行追蹤密度下，再生回饋功率因不同的運行圖鋪畫而差異很大。而在未來的實際運行中， 運行圖可能會出現(xiàn)各種隨機性變化。
圖3 某變電所遠期高峰小時-平均回饋功率曲線
● 再生吸收裝置的分布方案與容量選擇
因為當(dāng)前沒有相應(yīng)設(shè)計原則可依照，根據(jù)再生回饋負荷的特點、大量模擬計算和數(shù)據(jù)分析并考慮到大部分再生電流回饋沖擊都在20 s 以內(nèi)，所以可認為各變電所回饋裝置的容量是按照以下原則確定：（1）按照不同運營條件、不同運行圖下的20 s 平均最大負荷確定；（2） 用不同運營條件、不同運行圖下的短時最大負荷進行容量校核。
● 再生回饋／吸收電能的統(tǒng)計分析
通過對某地鐵線路的模擬計算和統(tǒng)計分析，在不同追蹤間隔條件下，全線的不同運行圖平均回饋功率統(tǒng)計。在各種追蹤間隔條件下的不同運行圖平均回饋功率波動曲線見圖4。在不同追蹤間隔的條件下， 不同運行圖的平均回饋功率波動不大， 回饋功率的大小與追蹤間隔沒有直接的關(guān)系。因此認為可以對各種運行條件下的回饋功率進行平均并作為全線全天回饋能量統(tǒng)計的基
圖4 不同追蹤間隔下的回饋功率波動曲線
按照每年365 天，每天運營時間18 h 計算，某地鐵全線全年回饋吸收電能總量為ERe。ERe=365×18×1 331=8 744 670（kW·h）。
結(jié)束語
隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市軌道交通在今后若干年內(nèi)建設(shè)必將步入高速發(fā)展的階段。根據(jù)我國"十一五"規(guī)劃中明確提出要建設(shè)節(jié)約型社會，并提出以最少的資源消耗獲得最大的經(jīng)濟和社會收益，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。再生制動吸收裝置作為我國城市軌道交通供電系統(tǒng)內(nèi)的一種新型設(shè)備，是機車向輕便、簡單、易維護發(fā)展的必然結(jié)果，也是城市軌道交通向綠色環(huán)保發(fā)展的必然趨勢。在經(jīng)濟上，它減少城市軌道交通的建設(shè)、維護費用，也是城市軌道交通向經(jīng)濟合理發(fā)展的必然要求。目前，該設(shè)備雖然在研究試驗階段，但隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，該設(shè)備是一項值得在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域推廣的新技術(shù)。
針對目前城市軌道交通中廣泛應(yīng)用的再生制動技術(shù)，如果采用車輛吸收電阻，來吸收地鐵列車運行過程中的再生能量，則將帶來隧道和站臺內(nèi)的溫升問題，同時也增加了站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負擔(dān)， 造成大量的能源浪費并使地鐵的建設(shè)費用和運行費用增加。
為了降低隧道洞體和車站內(nèi)溫度并提高洞內(nèi)空氣質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)進行再生能量吸收的相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置。本文主要介紹了再生制動能量吸收電阻+逆變裝置的設(shè)計重點，闡述了該裝置工作的基本原理，并對其在變電所中的投運方式進行了探討。
引言
在城市軌道交通車輛應(yīng)用的較為廣泛的調(diào)速技術(shù)主要有直流斬波調(diào)壓、再生-電阻制動系統(tǒng)，交流變頻變壓調(diào)速（即VVVF系統(tǒng)）、再生電制動系統(tǒng)。北京地鐵已采用了上述兩種調(diào)速系統(tǒng)的電動客車，上海、廣州地鐵采用VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)，重慶、武漢、深圳、天津城軌車輛也均采用VVVF交流調(diào)速、再生電制動系統(tǒng)。車輛在運行過程中， 由于站間距一般較短， 列車起制動頻繁， 因此要求起動加速度和制動減速度大，制動平穩(wěn)并具有良好的起動和制動性能。從能量相互轉(zhuǎn)換的角度看， 制動能量是相當(dāng)可觀的。由于軌道交通整流設(shè)備采用的是二極管整流器，只能單向供電。當(dāng)列車制動時， 再生回饋能量通過機車變頻裝置向直流電網(wǎng)充電，使直流電網(wǎng)電壓升高，當(dāng)直流電壓大于整流器輸出電壓時， 二極管整流器被反向阻斷。由于地鐵系統(tǒng)的特點是區(qū)間距離短、列車運行密度高， 這樣列車在全線運行過程中必將有頻繁的啟動、制動過程。根據(jù)運營經(jīng)驗，車輛再生制動產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的30%甚至更多。而這些再生能量除了按一定比例（一般為20%～80%， 根據(jù)列車運行密度和區(qū)間距離的不同而異） 被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當(dāng)列車發(fā)車密度較低時，再生能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。資料表明，當(dāng)列車發(fā)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，變成熱能并向洞內(nèi)四外散發(fā)，這必將使隧道和站內(nèi)的溫度升高 。目前國內(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(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負擔(dān)，并使城軌建設(shè)費用和運行費用增加。若能將這部分能量儲存再利用，這些問題將迎刃而解。
可采用的相關(guān)技術(shù)
為了減少制動能量在列車制動電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內(nèi)溫度的升高和減少車載設(shè)備，國外一般在牽引變電所的直流母線上設(shè)置再生制動能量吸收裝置，所采用的吸收方案主要包括電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型四種方式。 電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動時直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動能量消耗在吸收電阻上。該裝置的優(yōu)點是控制簡單，其主要缺點是再生制動能量消耗在吸收電阻上，未加以利用；而且電阻散熱也導(dǎo)致環(huán)境溫度上升，因此當(dāng)該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)時，電阻柜需單獨放置，而且該房間需采取措施保證有足夠的通風(fēng)量，需要相應(yīng)的通風(fēng)動力裝置，也增加了相應(yīng)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(dāng)供電區(qū)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(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(zhuǎn)狀態(tài)，且飛輪質(zhì)量也很大，故摩擦耗能問題嚴重，飛輪工作壽命短。該類吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲能電容器組或飛輪電機、IGBT 斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、傳感器和微機控制單元等。
逆變回饋型再生制動能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)， 其交流進線接到交流電網(wǎng)上。當(dāng)再生制動使直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流快速斷路器、電動隔離開關(guān)、直流電壓變換器和調(diào)節(jié)控制柜等。該裝置充分利用了列車再生制動能量， 提高了再生能量的利用率， 節(jié)能效果好，但是技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備投資較大。
在對再生能量吸收裝置的四種回饋方式進行技術(shù)性價比后，提出了采用電阻吸收+能量逆變結(jié)合的模式。裝置主電路由三部分組成，即開關(guān)及濾波單元、電阻吸收單元和逆變吸收單元；逆變吸收的用電設(shè)備為各牽引降壓混合變電所的低壓用電負載。
再生制動能量吸收電阻+逆變裝置主要由隔離開關(guān)柜、斬波控制柜、逆變控制柜、電阻柜、隔離變壓器柜等構(gòu)成。
隔離開關(guān)柜具有執(zhí)行再生制動吸收設(shè)備與電網(wǎng)接通或分離、電網(wǎng)濾波、系統(tǒng)故障保護等功能。
斬波控制柜主要實現(xiàn)吸收裝置自動轉(zhuǎn)換及檢測等功能。它由多個獨立的IGBT斬波支路及微機控制裝置等組成，每一支路IGBT斬波器控制其開通或關(guān)斷，差相工作。檢測電網(wǎng)電壓變化由電壓傳感器檢測并實現(xiàn)判別牽引、制動工況。本斬波柜采用電力電子器件IGBT作為開關(guān)元件，根據(jù)實際再生制動力的大小調(diào)節(jié)吸收電流，充分滿足車輛的再生制動功能，并具有過流、過壓和短路等保護。微機控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用的需要和相應(yīng)設(shè)備的特點，分為上、下兩級控制。上位機采用具有高可靠性和功能強大的工業(yè)控制機，是控制系統(tǒng)的人機交互工具，也是一個系統(tǒng)通訊中樞。主要進行狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)存貯及圖形表現(xiàn)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、運行控制和通訊處理等工作；下位機采用高性能的微處理器，結(jié)合其它外圍器件，構(gòu)成一個性能穩(wěn)定、可靠、功能強大的底層系統(tǒng)。完成數(shù)據(jù)采集、邏輯處理、故障判斷、控制輸出、PI調(diào)節(jié)運算、多相PWM輸出和系統(tǒng)通訊等工作。為了便于系統(tǒng)的維護與開發(fā)，整個上位機系統(tǒng)是模塊化設(shè)計的。
吸收電阻柜用作再生制動吸收設(shè)備功率吸收元件，它由若干電阻單元組成。電阻器組件為無骨架長波型電阻元件，由于電阻帶為非磁性材料，而且采用框架式波形繞組，電感量低；電阻值溫漂變化??；采用模塊結(jié)構(gòu)，調(diào)整電阻值方便。
微機控制系統(tǒng)根據(jù)各個傳感器檢測信號，綜合判斷直流電網(wǎng)上是否有列車處于再生電制動狀態(tài)。一旦確認列車處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，系統(tǒng)啟動吸收過程。在控制系統(tǒng)中設(shè)置二級判斷基準(zhǔn)值，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第一級判斷電壓時，系統(tǒng)首先投入逆變吸收；逆變轉(zhuǎn)換成AC380V電壓，自動跟蹤AC380V母線電壓，并向用電負載供電，將再生能量消耗在用電設(shè)備上；一旦逆變吸收消耗不了該能量，將引起電網(wǎng)電壓進一步的上升，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第二級判斷電壓時，電阻斬波器立即投入工作，電阻吸收裝置將再生制動能量消耗，穩(wěn)定電網(wǎng)不再上升，確保列車充分有效利用電制動。該裝置的原理示意如下圖所示。
制動控制柜主要實現(xiàn)吸收裝置自動投入、撤出和濾波等功能。制動電阻柜主要由吸收電阻組成，實現(xiàn)制動能量的吸收和排出功能。
逆變控制柜主要實現(xiàn)逆變吸收、自動并網(wǎng)及逆變電流調(diào)節(jié)等功能。逆變柜采用電力電子器件IGBT作為開關(guān)元件，根據(jù)實際再生制動力的大小調(diào)節(jié)吸收電流，充分滿足車輛的再生制動功能。并具有過流、過壓、缺相和短路等保護。
隔離變壓器柜通過干式變壓器實現(xiàn)再生電能逆變吸收裝置與交流供電系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)與隔離。
地面制動電阻裝置應(yīng)保證在線路上有列車在進行電制動且制動時產(chǎn)生的再生能量不能被其它取流列車和逆變裝置以及用電設(shè)備吸收時，制動電阻裝置應(yīng)能可靠地將再生能量吸收；并根據(jù)吸收功率的大小自動調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，維持線網(wǎng)電壓恒定。在列車起動、加速、惰性、停站和線路上無車輛運行而整流機組處于工作狀態(tài)情況下，本裝置禁止投入線網(wǎng)工作來消耗能量。因此本裝置必須能合理地判斷和確定制動電阻裝置的導(dǎo)通和關(guān)斷電壓，此方案的適用性還有待于在實踐中驗證。
技術(shù)方案的研究與比較
●有關(guān)系統(tǒng)的仿真模擬計算
仿真模擬是較為先進的研究方法之一，事實證明，這樣的研究方法是可取的、科學(xué)的、可靠的。許多重大項目都要經(jīng)過各種仿真模擬計算后才能夠進入實施階段，開發(fā)研究階段的有關(guān)模擬分析參數(shù)的選擇和確定將有可能影響到整個工程的方案決策、運行效果以及工程投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟合理性。因此，在項目的設(shè)計階段進行大量的、準(zhǔn)確的仿真模擬是非常必要的。多年來中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院已經(jīng)在各條城市軌道交通的供電系統(tǒng)設(shè)計中多次運用這種方法。因此， 為了得到更為準(zhǔn)確可靠的研究結(jié)果，在研究過程中對相關(guān)的系統(tǒng)進行了大量的模擬分析與比較。所應(yīng)用到的主要模擬技術(shù)和分析流程見圖1。
1： 列車運行模擬
列車運行的模擬仿真是整個方案研究最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺和依據(jù)，它的正確性和科學(xué)性將直接影響后續(xù)模擬計算的準(zhǔn)確性和方案的可靠性。因此必須對與此相關(guān)的各個系統(tǒng)進行充分調(diào)查、分析與研究。主要包括車輛特性、車輛阻力、車輛運行工況的分析與研究，線路資料和有關(guān)運營資料的分析與整理，從而獲得準(zhǔn)確的全線列車運行數(shù)據(jù)。
2：不同運行圖模擬
一般來說，在固定的列車追蹤間隔運行狀態(tài)下，列車的牽引用電負荷反映到牽引變電所是相對持續(xù)穩(wěn)定的，不會因運行圖上下行鋪畫的時間交錯產(chǎn)生較大的波動變化。因此， 設(shè)計院一般在設(shè)計牽引供電系統(tǒng)方案和容量的時候，只需對典型的高峰小時運行圖進行模擬就可以滿足要求。而再生能量回饋電流則是短時的、不穩(wěn)定的，由于其他列車的運行狀態(tài)直接影響到再生電流的吸收比例，所以在作回饋電流的模擬分析時，應(yīng)該充分考慮運行圖上下行鋪畫的不同時間交錯情況下的回饋電流特性。在進行運行圖模擬時，增加了以追蹤間隔為周期，以2 s 為步長的多圖模擬模型，為下一步的供電系統(tǒng)模擬提供更具廣泛性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
3：供電系統(tǒng)模擬
供電系統(tǒng)模擬是基于全線牽引供電網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型之上，根據(jù)有限元分析的基本思想對全線網(wǎng)絡(luò)模型進行一定間隔的切割，并對各個切割斷面進行數(shù)據(jù)抽象，同時根據(jù)運行圖數(shù)據(jù)對全線列車的運行狀態(tài)掃描后進行全線的牽引供電網(wǎng)絡(luò)分析，從而計算出供電網(wǎng)絡(luò)各個切割斷面的瞬態(tài)電氣參數(shù)，并進行統(tǒng)計輸出。本文在原有的模擬模型基礎(chǔ)上， 加入了電能回饋吸收裝置的簡化數(shù)學(xué)模型（見圖2）， 使模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果更加準(zhǔn)確，為回饋吸收系統(tǒng)方案的建立和容量的選擇提供可靠的依據(jù)。由于在進行系統(tǒng)模擬分析的過程中，主要研究目標(biāo)為能量的流動過程， 因此為了簡化算法，提高運行速度，將回饋裝置在數(shù)學(xué)模型上簡化為可調(diào)電阻，設(shè)定回饋裝置的電壓投入條件，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的大小來適應(yīng)回饋功率的變化。通過各種運營狀態(tài)下的模擬分析、統(tǒng)計，獲得回饋功率
圖2 回饋吸收裝置的簡化模型示意圖
● 仿真模擬結(jié)果分析
考慮到再生回饋電能的負荷特點（短時性和隨機性），對不同運行階段的列車運行、不同運行圖和供電網(wǎng)絡(luò)進行大量的模擬分析和比較。以某牽引變電所為例的圖3 可以看出，在相同的列車運行追蹤密度下，再生回饋功率因不同的運行圖鋪畫而差異很大。而在未來的實際運行中， 運行圖可能會出現(xiàn)各種隨機性變化。
圖3 某變電所遠期高峰小時-平均回饋功率曲線
● 再生吸收裝置的分布方案與容量選擇
因為當(dāng)前沒有相應(yīng)設(shè)計原則可依照，根據(jù)再生回饋負荷的特點、大量模擬計算和數(shù)據(jù)分析并考慮到大部分再生電流回饋沖擊都在20 s 以內(nèi)，所以可認為各變電所回饋裝置的容量是按照以下原則確定：（1）按照不同運營條件、不同運行圖下的20 s 平均最大負荷確定；（2） 用不同運營條件、不同運行圖下的短時最大負荷進行容量校核。
● 再生回饋／吸收電能的統(tǒng)計分析
通過對某地鐵線路的模擬計算和統(tǒng)計分析，在不同追蹤間隔條件下，全線的不同運行圖平均回饋功率統(tǒng)計。在各種追蹤間隔條件下的不同運行圖平均回饋功率波動曲線見圖4。在不同追蹤間隔的條件下， 不同運行圖的平均回饋功率波動不大， 回饋功率的大小與追蹤間隔沒有直接的關(guān)系。因此認為可以對各種運行條件下的回饋功率進行平均并作為全線全天回饋能量統(tǒng)計的基
圖4 不同追蹤間隔下的回饋功率波動曲線
按照每年365 天，每天運營時間18 h 計算，某地鐵全線全年回饋吸收電能總量為ERe。ERe=365×18×1 331=8 744 670（kW·h）。
結(jié)束語
隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市軌道交通在今后若干年內(nèi)建設(shè)必將步入高速發(fā)展的階段。根據(jù)我國"十一五"規(guī)劃中明確提出要建設(shè)節(jié)約型社會，并提出以最少的資源消耗獲得最大的經(jīng)濟和社會收益，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。再生制動吸收裝置作為我國城市軌道交通供電系統(tǒng)內(nèi)的一種新型設(shè)備，是機車向輕便、簡單、易維護發(fā)展的必然結(jié)果，也是城市軌道交通向綠色環(huán)保發(fā)展的必然趨勢。在經(jīng)濟上，它減少城市軌道交通的建設(shè)、維護費用，也是城市軌道交通向經(jīng)濟合理發(fā)展的必然要求。目前，該設(shè)備雖然在研究試驗階段，但隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，該設(shè)備是一項值得在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域推廣的新技術(shù)。
