再生制動能量吸收設備在重慶輕軌中的應用

——中鐵電氣化局集團有限公司 王衛東 唐小偉
　
　　摘要：介紹了重慶輕軌車輛制動的基本情況，針對目前城市軌道交通中廣泛應用的再生制動技術，重慶輕軌率先在國內采用了安裝在變電所中的新型再生制動能量集中吸收設備；介紹了再生制動吸收設備的主電路設計、設計的重點，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；該設備簡化了城軌車輛設計，減輕了車輛的環境污染，降低了城軌建設成本，是一項值得在國內城市軌道交通領域推廣的新技術。
　　關鍵詞：重慶輕軌 再生制動 再生制動能量吸收設備 城市軌道交通
　　重慶輕軌機車制動概況
　　重慶輕軌較新線一期工程車輛采用跨座式單軌車,運營車輛采用直—交傳動方式；其牽引電動機為交流電動機，主要參數:額定功率:105kW；額定電壓:AC1100V；車輛的制動方式為:電制動(再生制動)+空氣制動(磨擦制動)。運行中以電制動為主,空氣制動為輔,并具有電制動與空氣制動自動協調配合的功能。在列車速度較高時,使用再生制動,當列車減速到一定速度再生制動不起作用時,使用空氣制動。再生制動產生的能量被在線其它車輛吸收或牽引降壓混合變電所內的吸收裝置所消耗。
　　重慶輕軌較新線一期工程，東起市中心區商業繁華地帶的較場口，經臨江門、黃花園、大溪溝、曾家巖、牛角沱、李子壩、佛圖關、大坪、袁家崗、謝家灣、楊家坪、動物園至大堰村，共計14座車站（3座地下站、11座高架站）和1個大堰村維修基地。全線線路長度14.35km，全線設主變電所2座，牽引降壓混合變電所6座、降壓變電所10座。再生制動能量吸收裝置設置在6座牽引降壓混合變電所中，對車輛制動的再生能量進行集中吸收。
　　車輛再生制動技術
　　目前城市軌道交通車輛（地鐵、輕軌、有軌電車）應用得較為廣泛的調速技術主要有直流斬波調壓、再生-電阻制動系統，交流變頻變壓調速（即VVVF系統）、再生電制動系統。北京地鐵已采用了上述兩種調速系統的電動客車，上海、廣州地鐵采用VVVF交流調速系統，重慶、武漢、深圳城軌車輛也均采用VVVF交流調速、再生電制動系統。
　　采用再生回饋電制動方式是現代地鐵、輕軌車節能及減少污染的最佳途徑。無論是直流斬波調壓車、還是VVVF交流調速車均采用再生回饋電制動方式。
　　工作原理
　　通常當車輛處于再生電制動時，若電網具備吸收能力，即此時另有其它車輛正處于牽引狀況，列車能穩定的再生制動。而當單列車運行時，此時電網不具備吸收能力，列車只能采用空氣或其它機械制動。因此，解決此狀況的方法是在供電站附近設置再生制動吸收設備。
再生制動吸收設備
　　牽引電站再生制動吸收設備是城軌交通供電控制系統的重要組成部分，對抑制地鐵洞內溫升、減少車載設備、減小車輛維修量帶來了較大的便利。原地鐵、輕軌車輛電制動采用再生制動或再生—電阻制動模式，對于車流密度不大的線路，再生電制動功能得不到充分發揮，造成氣制動投入頻繁，使得洞內或沿線閘瓦灰塵較多，嚴重污染環境，且造成地鐵隧道內溫度不斷升高。為了減少電阻制動逸散在洞內的溫度，工程中不得不加大洞內排、通風量或增大空調功率，造成工程建設費用及運營費用昂貴。再生制動吸收就是在牽引電站設置集中吸收設備，使車輛再生能量消耗在地面空間。
　　再生制動吸收設備工作原理
　　當處于再生制動狀況的列車回饋出去的電流不能完全被其它車輛和本車的用電設備所吸收時，吸收裝置立即投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使車輛再生電流持續穩定， 最大限度的發揮電制動功能。
　　國外吸收裝置主要采取恒壓吸收和逆變吸收兩種方式，恒壓吸收裝置采用斬波器和吸收電阻配合，根據再生制動時線網電壓的變化狀態調節斬波器導通比，從而改變吸收功率，將線網電壓恒定在某一設定值范圍內。逆變吸收裝置則是利用電力電子器件構成逆變器，將直流電逆變成工頻交流電饋送交流電網。由于該交流電諧波分量較大，所以必須設置諧波抑制器和功率補償器。裝置控制部分一般采用單片機系統或用一臺工控機實現控制和顯示。裝置均以柜式箱體布置，視吸收功率的大小由若干個控制柜組成。
　　重慶輕軌較新線選用的國內北京地鐵車輛廠和湘潭恒信公司生產的再生制動能量吸收設備，該設備設在沿線的6個牽引所中，它根據檢測到的電壓電流量判斷線網上是否有列車處于再生電制動狀態。一旦確認列車處于再生制動狀態并需要吸收能量時，裝置立即投入工作，穩定電網不再上升，確保列車充分有效利用電制動，屬于恒壓吸收的方式。下面就其主電電路構成和工作原理做一個簡要說明。
　　吸收裝置的主電路構成和工作原理
　　主電路主要由電動隔離開關（QS）、線路接觸器（KM1）、濾波裝置（L、C）、吸收電阻（RZ1～RZ4）、IGBT斬波器（VT1～VT4）、續流二極管（VD1～VD4）等元器件組成。IGBT斬波器（VT）與吸收電阻(RZ)組成一個吸收電路，本設備具有四個獨立的吸收電阻支路，每一支路由一個IGBT斬波器控制，構成四相不重恒壓吸收控制系統。吸收裝置控制系統根據采集到的直流母線電壓電流信號以及整流變一次側的交流電壓信號，綜合判斷機車的牽引、制動情況，吸收裝置根據判斷確定斬波器的開通角和吸收支路投入數量。 該裝置的設計關鍵點在：
　　（1）如何準確快速地判斷線網上有列車處于再生制動狀態且其能量不能被其他用電設備所吸收；
　　（2）如何確定每個吸收裝置的吸收功率；
　　（3）如何確定吸收電阻功率及其散熱問題；
　　（4）如何確定濾波電感器等系統參數，確定吸收裝置斬波時不對電站系統通信及信號系統產生影響等。
　　吸收裝置正常的吸收啟動過程：當線網電壓回到Umin～Umax之間時，裝置控制系統首先合上KM2充電接觸器，給濾波電容充電，然后合上線路接觸器（KM1），此時完成吸收裝置投入工作前的準備。裝置根據各個傳感器檢測信號綜合判斷線網上是否有列車處于再生電制動狀態，一旦確認列車處于再生制動狀態并需要吸收能量時，斬波器立即投入工作，穩定電網不再上升，確保列車充分有效利用電制動。
　　機車在不同的運行情況下，再生制動產生的回饋電流也不相同，裝置根據設置參數要求或測定參數要求，其控制系統進行快速的電流跟蹤和恒壓控制運算，當車輛制動級位較低時，即回饋電流較小，經控制單元運算后，調節斬波器導通比，使斬波器處于低開通狀態。隨著機車制動級位增加，控制系統經PID實時運算，快速調節斬波器導通比，以維持電網電壓的相對恒定，直至線網電壓值低于設定的吸收電壓值后，關閉斬波器，等待下次車輛的再生吸收。13整個制動過程，可以根據線網電壓變化及再生功率大小，實現實時控制，吸收效果良好。
吸收裝置的斬波器IGBT為電力電子元件，確保通過的電流較大，裝置配了熱電偶溫度檢測功能，檢測吸收電阻柜空氣出口溫度、斬波器各熱管溫度，當發現某一環節溫度過高，控制系統將自動降低吸收功率，限制溫度繼續上升。直至關閉系統工作。保證吸收裝置在無人監守的情況下自動安全運行。
　　吸收裝置在直流供電系統投退方式討論
　　為保證機車可靠的制動，根據機車的運行情況，重慶輕軌在每一個牽引所安裝一套再生制動吸收設備，這樣在每一個接觸網供電區間都有一套該裝置，重慶輕軌較新線一期工程線路長度14.35km，基本上是2～3公里設置一套吸收設備。
　　吸收裝置投入運行的順序是：先給吸收裝置一個啟動命令，吸收裝置的QS合閘，然后給命令合上CB,這樣直流母線電壓加入吸收裝置，吸收裝置判斷直流母線電壓后，自動合上接觸器KM1,整個吸收裝置投入直流供電系統，實時監視直流母線電壓，準備吸收車輛再生制動能量。
夜間車輛停止運營時，在負荷比較少的情況下，直流系統的空載電壓偏高，為防止吸收裝置吸收電網電壓，一般將吸收裝置退出運行。退出的順序：先給命令退出CB，吸收裝置與直流母線電壓斷開，接觸器KM1自動斷開；然后給吸收裝置退出命令，吸收裝置QS斷開，這樣整個吸收裝置退出運用。
　　從重慶輕軌吸收裝置投入退出情況看，吸收裝置與CB構成一個系統，兩者密不可分，吸收裝置單獨投入或者CB單獨投入的在實際運行中是沒用意義的，這樣可以考慮將CB歸入吸收裝置控制，即只要給吸收裝置一個投入或者退出命令，吸收裝置根據檢查情況，自動合分CB、QS和KM1。這樣可以提高吸收裝置投退的自動程度。
　　結束語
　　再生制動吸收裝置作為我國城市軌道交通供電系統內的一種新型設備，在重慶輕軌首次運營使用，是機車向輕便、簡單、易維護發展的必然結果，也是城市軌道交通向綠色環保發展的必然趨勢。在經濟上，它減少城市軌道交通的建設、維護費用，也是城市軌道交通向經濟合理發展的必然要求。目前，廣州地鐵、天津輕軌也開始使用這種設備，隨著我國城市軌道交通的發展，該設備在軌道交通領域將會得到廣泛的應用。