再生制動(dòng)能量吸收設(shè)備在重慶輕軌中的應(yīng)用

——中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司 王衛(wèi)東 唐小偉
　
　　摘要：介紹了重慶輕軌車(chē)輛制動(dòng)的基本情況，針對(duì)目前城市軌道交通中廣泛應(yīng)用的再生制動(dòng)技術(shù)，重慶輕軌率先在國(guó)內(nèi)采用了安裝在變電所中的新型再生制動(dòng)能量集中吸收設(shè)備；介紹了再生制動(dòng)吸收設(shè)備的主電路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，闡述了該裝置工作的基本原理，并對(duì)其在變電所中的投運(yùn)方式進(jìn)行了探討；該設(shè)備簡(jiǎn)化了城軌車(chē)輛設(shè)計(jì)，減輕了車(chē)輛的環(huán)境污染，降低了城軌建設(shè)成本，是一項(xiàng)值得在國(guó)內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域推廣的新技術(shù)。
　　關(guān)鍵詞：重慶輕軌 再生制動(dòng) 再生制動(dòng)能量吸收設(shè)備 城市軌道交通
　　重慶輕軌機(jī)車(chē)制動(dòng)概況
　　重慶輕軌較新線(xiàn)一期工程車(chē)輛采用跨座式單軌車(chē),運(yùn)營(yíng)車(chē)輛采用直—交傳動(dòng)方式；其牽引電動(dòng)機(jī)為交流電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù):額定功率:105kW；額定電壓:AC1100V；車(chē)輛的制動(dòng)方式為:電制動(dòng)(再生制動(dòng))+空氣制動(dòng)(磨擦制動(dòng))。運(yùn)行中以電制動(dòng)為主,空氣制動(dòng)為輔,并具有電制動(dòng)與空氣制動(dòng)自動(dòng)協(xié)調(diào)配合的功能。在列車(chē)速度較高時(shí),使用再生制動(dòng),當(dāng)列車(chē)減速到一定速度再生制動(dòng)不起作用時(shí),使用空氣制動(dòng)。再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量被在線(xiàn)其它車(chē)輛吸收或牽引降壓混合變電所內(nèi)的吸收裝置所消耗。
　　重慶輕軌較新線(xiàn)一期工程，東起市中心區(qū)商業(yè)繁華地帶的較場(chǎng)口，經(jīng)臨江門(mén)、黃花園、大溪溝、曾家?guī)r、牛角沱、李子壩、佛圖關(guān)、大坪、袁家崗、謝家灣、楊家坪、動(dòng)物園至大堰村，共計(jì)14座車(chē)站（3座地下站、11座高架站）和1個(gè)大堰村維修基地。全線(xiàn)線(xiàn)路長(zhǎng)度14.35km，全線(xiàn)設(shè)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(dòng)能量吸收裝置設(shè)置在6座牽引降壓混合變電所中，對(duì)車(chē)輛制動(dòng)的再生能量進(jìn)行集中吸收。
　　車(chē)輛再生制動(dòng)技術(shù)
　　目前城市軌道交通車(chē)輛（地鐵、輕軌、有軌電車(chē)）應(yīng)用得較為廣泛的調(diào)速技術(shù)主要有直流斬波調(diào)壓、再生-電阻制動(dòng)系統(tǒng)，交流變頻變壓調(diào)速（即VVVF系統(tǒng)）、再生電制動(dòng)系統(tǒng)。北京地鐵已采用了上述兩種調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)客車(chē)，上海、廣州地鐵采用VVVF交流調(diào)速系統(tǒng)，重慶、武漢、深圳城軌車(chē)輛也均采用VVVF交流調(diào)速、再生電制動(dòng)系統(tǒng)。
　　采用再生回饋電制動(dòng)方式是現(xiàn)代地鐵、輕軌車(chē)節(jié)能及減少污染的最佳途徑。無(wú)論是直流斬波調(diào)壓車(chē)、還是VVVF交流調(diào)速車(chē)均采用再生回饋電制動(dòng)方式。
　　工作原理
　　通常當(dāng)車(chē)輛處于再生電制動(dòng)時(shí)，若電網(wǎng)具備吸收能力，即此時(shí)另有其它車(chē)輛正處于牽引狀況，列車(chē)能穩(wěn)定的再生制動(dòng)。而當(dāng)單列車(chē)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)電網(wǎng)不具備吸收能力，列車(chē)只能采用空氣或其它機(jī)械制動(dòng)。因此，解決此狀況的方法是在供電站附近設(shè)置再生制動(dòng)吸收設(shè)備。
再生制動(dòng)吸收設(shè)備
　　牽引電站再生制動(dòng)吸收設(shè)備是城軌交通供電控制系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)抑制地鐵洞內(nèi)溫升、減少車(chē)載設(shè)備、減小車(chē)輛維修量帶來(lái)了較大的便利。原地鐵、輕軌車(chē)輛電制動(dòng)采用再生制動(dòng)或再生—電阻制動(dòng)模式，對(duì)于車(chē)流密度不大的線(xiàn)路，再生電制動(dòng)功能得不到充分發(fā)揮，造成氣制動(dòng)投入頻繁，使得洞內(nèi)或沿線(xiàn)閘瓦灰塵較多，嚴(yán)重污染環(huán)境，且造成地鐵隧道內(nèi)溫度不斷升高。為了減少電阻制動(dòng)逸散在洞內(nèi)的溫度，工程中不得不加大洞內(nèi)排、通風(fēng)量或增大空調(diào)功率，造成工程建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用昂貴。再生制動(dòng)吸收就是在牽引電站設(shè)置集中吸收設(shè)備，使車(chē)輛再生能量消耗在地面空間。
　　再生制動(dòng)吸收設(shè)備工作原理
　　當(dāng)處于再生制動(dòng)狀況的列車(chē)回饋出去的電流不能完全被其它車(chē)輛和本車(chē)的用電設(shè)備所吸收時(shí)，吸收裝置立即投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使車(chē)輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定， 最大限度的發(fā)揮電制動(dòng)功能。
　　國(guó)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(jù)再生制動(dòng)時(shí)線(xiàn)網(wǎng)電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將線(xiàn)網(wǎng)電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)。逆變吸收裝置則是利用電力電子器件構(gòu)成逆變器，將直流電逆變成工頻交流電饋送交流電網(wǎng)。由于該交流電諧波分量較大，所以必須設(shè)置諧波抑制器和功率補(bǔ)償器。裝置控制部分一般采用單片機(jī)系統(tǒng)或用一臺(tái)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)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(gè)控制柜組成。
　　重慶輕軌較新線(xiàn)選用的國(guó)內(nèi)北京地鐵車(chē)輛廠(chǎng)和湘潭恒信公司生產(chǎn)的再生制動(dòng)能量吸收設(shè)備，該設(shè)備設(shè)在沿線(xiàn)的6個(gè)牽引所中，它根據(jù)檢測(cè)到的電壓電流量判斷線(xiàn)網(wǎng)上是否有列車(chē)處于再生電制動(dòng)狀態(tài)。一旦確認(rèn)列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，裝置立即投入工作，穩(wěn)定電網(wǎng)不再上升，確保列車(chē)充分有效利用電制動(dòng)，屬于恒壓吸收的方式。下面就其主電電路構(gòu)成和工作原理做一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。
　　吸收裝置的主電路構(gòu)成和工作原理
　　主電路主要由電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)（QS）、線(xiàn)路接觸器（KM1）、濾波裝置（L、C）、吸收電阻（RZ1～RZ4）、IGBT斬波器（VT1～VT4）、續(xù)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(gè)吸收電路，本設(shè)備具有四個(gè)獨(dú)立的吸收電阻支路，每一支路由一個(gè)IGBT斬波器控制，構(gòu)成四相不重恒壓吸收控制系統(tǒng)。吸收裝置控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的直流母線(xiàn)電壓電流信號(hào)以及整流變一次側(cè)的交流電壓信號(hào)，綜合判斷機(jī)車(chē)的牽引、制動(dòng)情況，吸收裝置根據(jù)判斷確定斬波器的開(kāi)通角和吸收支路投入數(shù)量。 該裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在：
　　（1）如何準(zhǔn)確快速地判斷線(xiàn)網(wǎng)上有列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)且其能量不能被其他用電設(shè)備所吸收；
　　（2）如何確定每個(gè)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(wèn)題；
　　（4）如何確定濾波電感器等系統(tǒng)參數(shù)，確定吸收裝置斬波時(shí)不對(duì)電站系統(tǒng)通信及信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生影響等。
　　吸收裝置正常的吸收啟動(dòng)過(guò)程：當(dāng)線(xiàn)網(wǎng)電壓回到Umin～Umax之間時(shí)，裝置控制系統(tǒng)首先合上KM2充電接觸器，給濾波電容充電，然后合上線(xiàn)路接觸器（KM1），此時(shí)完成吸收裝置投入工作前的準(zhǔn)備。裝置根據(jù)各個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)綜合判斷線(xiàn)網(wǎng)上是否有列車(chē)處于再生電制動(dòng)狀態(tài)，一旦確認(rèn)列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，斬波器立即投入工作，穩(wěn)定電網(wǎng)不再上升，確保列車(chē)充分有效利用電制動(dòng)。
　　機(jī)車(chē)在不同的運(yùn)行情況下，再生制動(dòng)產(chǎn)生的回饋電流也不相同，裝置根據(jù)設(shè)置參數(shù)要求或測(cè)定參數(shù)要求，其控制系統(tǒng)進(jìn)行快速的電流跟蹤和恒壓控制運(yùn)算，當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)級(jí)位較低時(shí)，即回饋電流較小，經(jīng)控制單元運(yùn)算后，調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，使斬波器處于低開(kāi)通狀態(tài)。隨著機(jī)車(chē)制動(dòng)級(jí)位增加，控制系統(tǒng)經(jīng)PID實(shí)時(shí)運(yùn)算，快速調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，以維持電網(wǎng)電壓的相對(duì)恒定，直至線(xiàn)網(wǎng)電壓值低于設(shè)定的吸收電壓值后，關(guān)閉斬波器，等待下次車(chē)輛的再生吸收。13整個(gè)制動(dòng)過(guò)程，可以根據(jù)線(xiàn)網(wǎng)電壓變化及再生功率大小，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(guò)的電流較大，裝置配了熱電偶溫度檢測(cè)功能，檢測(cè)吸收電阻柜空氣出口溫度、斬波器各熱管溫度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一環(huán)節(jié)溫度過(guò)高，控制系統(tǒng)將自動(dòng)降低吸收功率，限制溫度繼續(xù)上升。直至關(guān)閉系統(tǒng)工作。保證吸收裝置在無(wú)人監(jiān)守的情況下自動(dòng)安全運(yùn)行。
　　吸收裝置在直流供電系統(tǒng)投退方式討論
　　為保證機(jī)車(chē)可靠的制動(dòng)，根據(jù)機(jī)車(chē)的運(yùn)行情況，重慶輕軌在每一個(gè)牽引所安裝一套再生制動(dòng)吸收設(shè)備，這樣在每一個(gè)接觸網(wǎng)供電區(qū)間都有一套該裝置，重慶輕軌較新線(xiàn)一期工程線(xiàn)路長(zhǎng)度14.35km，基本上是2～3公里設(shè)置一套吸收設(shè)備。
　　吸收裝置投入運(yùn)行的順序是：先給吸收裝置一個(gè)啟動(dòng)命令，吸收裝置的QS合閘，然后給命令合上CB,這樣直流母線(xiàn)電壓加入吸收裝置，吸收裝置判斷直流母線(xiàn)電壓后，自動(dòng)合上接觸器KM1,整個(gè)吸收裝置投入直流供電系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)視直流母線(xiàn)電壓，準(zhǔn)備吸收車(chē)輛再生制動(dòng)能量。
夜間車(chē)輛停止運(yùn)營(yíng)時(shí)，在負(fù)荷比較少的情況下，直流系統(tǒng)的空載電壓偏高，為防止吸收裝置吸收電網(wǎng)電壓，一般將吸收裝置退出運(yùn)行。退出的順序：先給命令退出CB，吸收裝置與直流母線(xiàn)電壓斷開(kāi)，接觸器KM1自動(dòng)斷開(kāi)；然后給吸收裝置退出命令，吸收裝置QS斷開(kāi)，這樣整個(gè)吸收裝置退出運(yùn)用。
　　從重慶輕軌吸收裝置投入退出情況看，吸收裝置與CB構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，兩者密不可分，吸收裝置單獨(dú)投入或者CB單獨(dú)投入的在實(shí)際運(yùn)行中是沒(méi)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(gè)投入或者退出命令，吸收裝置根據(jù)檢查情況，自動(dòng)合分CB、QS和KM1。這樣可以提高吸收裝置投退的自動(dòng)程度。
　　結(jié)束語(yǔ)
　　再生制動(dòng)吸收裝置作為我國(guó)城市軌道交通供電系統(tǒng)內(nèi)的一種新型設(shè)備，在重慶輕軌首次運(yùn)營(yíng)使用，是機(jī)車(chē)向輕便、簡(jiǎn)單、易維護(hù)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(shì)。在經(jīng)濟(jì)上，它減少城市軌道交通的建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用，也是城市軌道交通向經(jīng)濟(jì)合理發(fā)展的必然要求。目前，廣州地鐵、天津輕軌也開(kāi)始使用這種設(shè)備，隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，該設(shè)備在軌道交通領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。