再生制动能量吸收设备在重庆轻轨中的应用

——中铁电气化局集团有限公司 王卫东 唐小伟
　
　　摘要：介绍了重庆轻轨车辆制动的基本情况，针对目前城市轨道交通中广泛应用的再生制动技术，重庆轻轨率先在国内采用了安装在变电所中的新型再生制动能量集中吸收设备；介绍了再生制动吸收设备的主电路设计、设计的重点，阐述了该装置工作的基本原理，并对其在变电所中的投运方式进行了探讨；该设备简化了城轨车辆设计，减轻了车辆的环境污染，降低了城轨建设成本，是一项值得在国内城市轨道交通领域推广的新技术。
　　关键词：重庆轻轨 再生制动 再生制动能量吸收设备 城市轨道交通
　　重庆轻轨机车制动概况
　　重庆轻轨较新线一期工程车辆采用跨座式单轨车,运营车辆采用直—交传动方式；其牵引电动机为交流电动机，主要参数:额定功率:105kW；额定电压:AC1100V；车辆的制动方式为:电制动(再生制动)+空气制动(磨擦制动)。运行中以电制动为主,空气制动为辅,并具有电制动与空气制动自动协调配合的功能。在列车速度较高时,使用再生制动,当列车减速到一定速度再生制动不起作用时,使用空气制动。再生制动产生的能量被在线其它车辆吸收或牵引降压混合变电所内的吸收装置所消耗。
　　重庆轻轨较新线一期工程，东起市中心区商业繁华地带的较场口，经临江门、黄花园、大溪沟、曾家岩、牛角沱、李子坝、佛图关、大坪、袁家岗、谢家湾、杨家坪、动物园至大堰村，共计14座车站（3座地下站、11座高架站）和1个大堰村维修基地。全线线路长度14.35km，全线设主变电所2座，牵引降压混合变电所6座、降压变电所10座。再生制动能量吸收装置设置在6座牵引降压混合变电所中，对车辆制动的再生能量进行集中吸收。
　　车辆再生制动技术
　　目前城市轨道交通车辆（地铁、轻轨、有轨电车）应用得较为广泛的调速技术主要有直流斩波调压、再生-电阻制动系统，交流变频变压调速（即VVVF系统）、再生电制动系统。北京地铁已采用了上述两种调速系统的电动客车，上海、广州地铁采用VVVF交流调速系统，重庆、武汉、深圳城轨车辆也均采用VVVF交流调速、再生电制动系统。
　　采用再生回馈电制动方式是现代地铁、轻轨车节能及减少污染的最佳途径。无论是直流斩波调压车、还是VVVF交流调速车均采用再生回馈电制动方式。
　　工作原理
　　通常当车辆处于再生电制动时，若电网具备吸收能力，即此时另有其它车辆正处于牵引状况，列车能稳定的再生制动。而当单列车运行时，此时电网不具备吸收能力，列车只能采用空气或其它机械制动。因此，解决此状况的方法是在供电站附近设置再生制动吸收设备。
再生制动吸收设备
　　牵引电站再生制动吸收设备是城轨交通供电控制系统的重要组成部分，对抑制地铁洞内温升、减少车载设备、减小车辆维修量带来了较大的便利。原地铁、轻轨车辆电制动采用再生制动或再生—电阻制动模式，对于车流密度不大的线路，再生电制动功能得不到充分发挥，造成气制动投入频繁，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，且造成地铁隧道内温度不断升高。为了减少电阻制动逸散在洞内的温度，工程中不得不加大洞内排、通风量或增大空调功率，造成工程建设费用及运营费用昂贵。再生制动吸收就是在牵引电站设置集中吸收设备，使车辆再生能量消耗在地面空间。
　　再生制动吸收设备工作原理
　　当处于再生制动状况的列车回馈出去的电流不能完全被其它车辆和本车的用电设备所吸收时，吸收装置立即投入工作，吸收掉多余的回馈电流，使车辆再生电流持续稳定， 最大限度的发挥电制动功能。
　　国外吸收装置主要采取恒压吸收和逆变吸收两种方式，恒压吸收装置采用斩波器和吸收电阻配合，根据再生制动时线网电压的变化状态调节斩波器导通比，从而改变吸收功率，将线网电压恒定在某一设定值范围内。逆变吸收装置则是利用电力电子器件构成逆变器，将直流电逆变成工频交流电馈送交流电网。由于该交流电谐波分量较大，所以必须设置谐波抑制器和功率补偿器。装置控制部分一般采用单片机系统或用一台工控机实现控制和显示。装置均以柜式箱体布置，视吸收功率的大小由若干个控制柜组成。
　　重庆轻轨较新线选用的国内北京地铁车辆厂和湘潭恒信公司生产的再生制动能量吸收设备，该设备设在沿线的6个牵引所中，它根据检测到的电压电流量判断线网上是否有列车处于再生电制动状态。一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，装置立即投入工作，稳定电网不再上升，确保列车充分有效利用电制动，属于恒压吸收的方式。下面就其主电电路构成和工作原理做一个简要说明。
　　吸收装置的主电路构成和工作原理
　　主电路主要由电动隔离开关（QS）、线路接触器（KM1）、滤波装置（L、C）、吸收电阻（RZ1～RZ4）、IGBT斩波器（VT1～VT4）、续流二极管（VD1～VD4）等元器件组成。IGBT斩波器（VT）与吸收电阻(RZ)组成一个吸收电路，本设备具有四个独立的吸收电阻支路，每一支路由一个IGBT斩波器控制，构成四相不重恒压吸收控制系统。吸收装置控制系统根据采集到的直流母线电压电流信号以及整流变一次侧的交流电压信号，综合判断机车的牵引、制动情况，吸收装置根据判断确定斩波器的开通角和吸收支路投入数量。 该装置的设计关键点在：
　　（1）如何准确快速地判断线网上有列车处于再生制动状态且其能量不能被其他用电设备所吸收；
　　（2）如何确定每个吸收装置的吸收功率；
　　（3）如何确定吸收电阻功率及其散热问题；
　　（4）如何确定滤波电感器等系统参数，确定吸收装置斩波时不对电站系统通信及信号系统产生影响等。
　　吸收装置正常的吸收启动过程：当线网电压回到Umin～Umax之间时，装置控制系统首先合上KM2充电接触器，给滤波电容充电，然后合上线路接触器（KM1），此时完成吸收装置投入工作前的准备。装置根据各个传感器检测信号综合判断线网上是否有列车处于再生电制动状态，一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，斩波器立即投入工作，稳定电网不再上升，确保列车充分有效利用电制动。
　　机车在不同的运行情况下，再生制动产生的回馈电流也不相同，装置根据设置参数要求或测定参数要求，其控制系统进行快速的电流跟踪和恒压控制运算，当车辆制动级位较低时，即回馈电流较小，经控制单元运算后，调节斩波器导通比，使斩波器处于低开通状态。随着机车制动级位增加，控制系统经PID实时运算，快速调节斩波器导通比，以维持电网电压的相对恒定，直至线网电压值低于设定的吸收电压值后，关闭斩波器，等待下次车辆的再生吸收。13整个制动过程，可以根据线网电压变化及再生功率大小，实现实时控制，吸收效果良好。
吸收装置的斩波器IGBT为电力电子元件，确保通过的电流较大，装置配了热电偶温度检测功能，检测吸收电阻柜空气出口温度、斩波器各热管温度，当发现某一环节温度过高，控制系统将自动降低吸收功率，限制温度继续上升。直至关闭系统工作。保证吸收装置在无人监守的情况下自动安全运行。
　　吸收装置在直流供电系统投退方式讨论
　　为保证机车可靠的制动，根据机车的运行情况，重庆轻轨在每一个牵引所安装一套再生制动吸收设备，这样在每一个接触网供电区间都有一套该装置，重庆轻轨较新线一期工程线路长度14.35km，基本上是2～3公里设置一套吸收设备。
　　吸收装置投入运行的顺序是：先给吸收装置一个启动命令，吸收装置的QS合闸，然后给命令合上CB,这样直流母线电压加入吸收装置，吸收装置判断直流母线电压后，自动合上接触器KM1,整个吸收装置投入直流供电系统，实时监视直流母线电压，准备吸收车辆再生制动能量。
夜间车辆停止运营时，在负荷比较少的情况下，直流系统的空载电压偏高，为防止吸收装置吸收电网电压，一般将吸收装置退出运行。退出的顺序：先给命令退出CB，吸收装置与直流母线电压断开，接触器KM1自动断开；然后给吸收装置退出命令，吸收装置QS断开，这样整个吸收装置退出运用。
　　从重庆轻轨吸收装置投入退出情况看，吸收装置与CB构成一个系统，两者密不可分，吸收装置单独投入或者CB单独投入的在实际运行中是没用意义的，这样可以考虑将CB归入吸收装置控制，即只要给吸收装置一个投入或者退出命令，吸收装置根据检查情况，自动合分CB、QS和KM1。这样可以提高吸收装置投退的自动程度。
　　结束语
　　再生制动吸收装置作为我国城市轨道交通供电系统内的一种新型设备，在重庆轻轨首次运营使用，是机车向轻便、简单、易维护发展的必然结果，也是城市轨道交通向绿色环保发展的必然趋势。在经济上，它减少城市轨道交通的建设、维护费用，也是城市轨道交通向经济合理发展的必然要求。目前，广州地铁、天津轻轨也开始使用这种设备，随着我国城市轨道交通的发展，该设备在轨道交通领域将会得到广泛的应用。