城市轨道交通车辆制动能量回收技术研究现状

（一）城市轨道交通车辆再生制动能量回收技术研究现状

尽管在实际应用的过程中存在诸多困难，然而城市轨道交通车辆制动能量回收技术却受到越来越多的关注，尤其是再生制动能量的回收潜力、回收途径及回收经济效益和环境效益有效评价等得到了很多研究机构的青睐。

在分析制动能量回收技术之前，需要对不同地域制动能量的回收潜力有所了解。L·Latkovsis和L·Grigans根据联合概率分布的基本原理，对里加市城市轨道交通系统的11个变电所未回收的再生制动能量进行了估算。计算结果表明，各个变电所每年均有115 MW·h到125.7MW·h不等的再生制动能量可以得到进一步的回收利用。刘宝林则通过对广州地铁1号线拖车牵引系统的数据采集发现，1号线车辆的再生制动能量中约48%反馈给电网被其他列车吸收，而消耗在制动电阻上的热量仅有2.9 %，其余部分均在列车运行过程中通过运行阻力耗散。由此认为，广州地铁1号线是否需要设置储能器件进行储能，仍需要在综合评定节能效果和制造维修成本的基础上进行合理决策。

在回收潜力明晰的基础上，制动能量回收系统的建模工作，将对制动能量回收技术的优化改进起到决定性作用。M. Chymera等通过仿真城市轨道交通电气化系统的动态响应对该系统进行了分块建模，特别是变电所及超级电容储能装置的电力模型，对于分析系统的电力特性具有指导性意义。A·Rufer等针对存在超级电容储能装置的变电所，建立了电力电子模型并提出了优化问题及约束条件，使得系统优化理论以在制动能量回收系统中得到应用。另外，M. Nankyo、 S. Hillmansen和C. Roberts以及F. Ampofo等也分别对再生制动能量回收系统进行了不同角度的建模研究工作，包括反馈闭环控制器设计、运行过程的动力学分析和环境热能数据统计等。

另一方面，A. Hammar等对超级电容建立了更详细的电热模型，尤其是对超级电容的电热指标进行了在线测试，并计算得出了不同类型超级电容在-25～55℃温度范围内的损耗与效率。池耀田对于当前市面上流行的一些储能器如飞轮储能器、静止电容储能器及车载电容储能器的优缺点进行了分析比较，辅之以车载仿真结果对各类储能系统进行图解说明。T. Ise等则通过模糊控制的方法对超导磁储能器件在混合动力车辆上的应用进行了可行性分析。这些工作无疑为储能器件在器件储能型制动能量回收系统的实际应用过程中的合理选取提供了科学依据。

在目前城市轨道交通车辆再生制动能量回收系统已得到初步商业化应用的前提下，赵立峰等详细介绍了中国首批电容储能型回收系统—— 应用于北京地铁5号线的德国西门子公司SITRAS SES电容储能式再生电能吸收装置。而对于其他车体上已有的再生制动能量回收系统，Jun Huang和P. Barrade等分别为电力汽车和柴油动力机车的再生制动能量回收提出了不同的优化方案，包括无源无损缓冲器的设置、超级电容储能器容量与尺寸的二次设计等。这些均对再生制动能量回收系统应用于城市轨道交通车辆具有借鉴意义。张雷与T. Konishi等则对制动能量回收系统进行了SIMULINK建模及仿真，得到了制动过程中的电压、电流、功率及能量曲线并进行了数值分析，从仿真角度模拟了能量回收系统在实际运行过程中各项指标的变化趋势。

（二）城市轨道交通车辆电阻制动能量回收技术研究现状

由于电阻制动占电制动比例约为40 %，因此城市轨道交通车辆的电阻制动能量回收是非常必要的。然而，从当前国内外电阻制动研究状况来看，大部分制动能量回收研究均针对车辆的再生制动过程展开，较少涉及车辆的电阻制动过程。因此，作为对再生制动能量回收技术的有效补充，作者通过建立城市轨道交通车辆电阻制动能量回收实验系统，进行了基于车载的城市轨道交通车辆电阻制动能量回收方法的研究，这里的“电阻制动能量回收技术”定义为制动能量在没有通过电阻吸收以前就被制动能量回收装置回收的技术。城市轨道交通车辆电阻制动能量回收方案原理如图4-30所示。

图4-30　城市轨道交通车辆电阻制动能量回收方案原理图

该系统通过机械控制方式来改变三级飞轮的档次以实现车辆惯量加载3种工况，即车辆轻载、满载和超载工况，并基于NI实验系统软件LabVIEW对车辆牵引和制动的各种参数进行设定和测量。其中，MCU为主控制单元，对大功率切换开关进行控制以实现超级电容充电与制动电阻释放多余能量的切换；ACU为辅助控制单元，对小功率切换开关进行控制以实现超级电容供电与车载交流电源供电的切换。总体来说，该方案以超级电容为储能媒介，对电阻制动能量进行储存，并通过DC/AC将该部分能量逆变为工频交流电供车载交流用电器使用。当电阻制动能量过大时，超级电容不能再吸收能量，此时通过大功率切换开关使得多余能量耗散在制动电阻上；而当超级电容内能量不足时，小功率切换开关将切换至车载交流电源通路，由车载交流电源向交流用电器供电。目前电阻制动能量回收实验系统的电阻制动能量回收率已超过80 %。城市轨道交通车辆电阻制动能量回收方案在电阻制动原有特点的基础上，综合了器件储能型和逆变供能型2种回收方式的优点，具有较强的市场应用潜力。