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车辆制动能量回收 第 5 页 共 5 页
低碳世博，能源再利用——
基于超级电容的城市轨道车辆制动能量回收
1 概述
由于城市轨道车辆具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，世界各国普遍认识到，解决城市交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。随着我国经济的高速发展、城市化进程的不断加快，城市轨道交通将在我国城市公共交通运输中占有越来越越重要的地位。到目前为止我国已有北京、上海、广州、深圳、武汉等城市已经运行，截至2009年9月，我国有27个城市正在筹备建设城市轨道交通，其中22个城市的轨道交通建设规划已经获得国务院批复。至2015年，北京、上海、广州、深圳等22个城市将建设79条轨道交通线路，总长度为2259.84公里，计划总投资8820.03亿元。
城市轨道交通列车的特点就是线路的站间距短，列车运行时频繁地起动、制动，基本上在列车达到最高速时很快就会制动。目前,我国地铁列车大都采用接触网/轨直流供电, 牵引系统大都是变压变频的交流传动系统。列车牵引时从电网吸收能量，制动时采用反馈制动把制动能量反馈回电网, 根据经验，地铁再生制动产生的能量除了一定比例（一般为20%～80%，根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。资料表明，当列车发车间隔大于10 min时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，此时绝大部分制动能量将被车辆吸收电阻吸收，变成热能并向四外散发，这必将使隧道和站内的温度升高。目前国内城市轨道交通在地面采用电阻能耗吸收装置处理列车运行过程中的再生能量，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使城轨建设费用和运行费用增加。如能将这部分能量储存再利用，这些问题将迎刃而解。
2 可行性分析
城市轨道交通车辆制动能量是否具有回收的可行性，需要对制动能量进行合理计算，并根据其大小确定制动能量是否具有实际回收价值。现以一列上海轨道交通2号线6节车辆编组为例（4节动车，2节拖车），设轨道车辆的制动初速度为70km/h (V1) ，制动末速度为8km/h (V2），M为车辆和载客质量，则利用公式（1）计算电制动能量。（1）
根据中国目前一些城市轨道交通车辆停车站点距离的统计数据，车辆平均约每2分钟制动一次，如果车辆每天的运行时间平均为16h，则每天制动次数为480次，全年运行天数按照340天计算，每年制动次数为163200次。表1为车辆轻载（AW1），满载（AW2）和超载（AW3）三种工况下电制动能量计算结果。
表1 电制动能量
工况
车辆及载客质量×103（kg）
一次电制动能量×106（J）
一次电制动电量（kW·h）
一年总的制动次数
一年电制动电量（kW·h）
AW1
253.2
47.2
13.1
163200
2137920
AW2
290.4
54.2
15.1
163200
2464320
AW3
327.6
61.1
17.0
163200
2774400
因为电制动包括再生制动和电阻制动，根据上海轨道交通2号线测试结果统计分析，电阻制动占电制动的比例大约为40％，如果将电阻制动能量的80％进行回收，按照工业用电每度为1.2元计算，则电阻制动能量及节约的费用见表2。
表2 电阻制动能量及回收情况
工况
一年电阻制动次数
一年电阻制动电量（kW·h）
一年回收电量（kW·h）
一年节约的费用（万元）
AW1
65280
855168
684134.4
82.1
AW2
65280
985728
788582.4
94.6
AW3
65280
1109760
887808.0
106.5
如果按照目前现代化燃煤电厂的供电效率40%计算，1kg标准煤完全燃料可产生7000kCal（即2.93×107J）热量，可节约的标准煤量和相应减少CO2的排放量见表3。
表3 回收电阻制动能量的相应节约标准煤数量和减少的CO2排放量
工况
一年电阻制动回收能量×1012（J）
节约标准煤（吨）
减少的CO2排放量（吨）
AW1
2.46
210.0
770.0
AW2
2.84
241.5
885.5
AW3
3.20
273.0
1001.0
因此由上计算，如果能把这些制动能回收是相当可观，由于当今世界的电力电子技术的快速发展，制动能量回收技术已经完全可以实现。因此制动能量有效回收城市轨道交通车辆的制动能量，不仅可以产生显著的经济效益，而且可以产生显著的环境效益，这就促进了最大化回收城市轨道交通车辆制动能量逐渐成为当今城市轨道交通节能技术的研究热点。
3 技术方案
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，而本系统建立的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。
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%，各种工况下实验系统的电阻制动能量回收效率如表4所示。可见，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两种回收方式的优点，具有较强的市场应用潜力。
4 制动能量回收技术研究发展趋势及可能的难点
在全球关注于节能减排以及大力推广新能源技术的21世纪，制动能量的回收不仅用于城市轨道交通车辆，而且用于电动提升机、电梯、电动汽车和高速电牵引列车，并已经进入商业化应用推广阶段。这无疑促进了城市轨道交通车辆制动能回收技术在中国的快速发展。近年来，城市轨道交通工程理论的成熟与车辆部件生产精度的提高，使得关于城市轨道交通车辆制动能量回收方面的研究和应用取得了显著的成就，并具有良好的研究和市场发展前景。未来在轨道车辆制动能量回收技术方面的研究，可以更关注于以下几个方向：
（1）优化列车运行方案，提高再生能利用率。由于产生再生制动需要附近列车吸收部分再生制动能量，如何优化列车编排，使再生制动能更高效地得到回收是非常值得研究的一个问题，可行的节能时刻表能够极大地提高再生能利用率。
（2）轨道车辆再生制动与电阻制动能量的综合利用。由于电阻制动能量在电制动能量中占据着较大的比例，仅仅考虑再生制动能量回收是不能满足进一步节能的要求的。因此，开展电阻制动能量的回收是潜力巨大的一个热点研究方向。
（3）以城市轨道交通车辆制动能量回收系统作为电网中的分布式供能系统。由于轨道车辆制动能量回收系统能够使制动能量自产自销，因此满足分布式供能系统的基本概念，有可能在不远的将来，城市轨道交通车辆与轨道周边居民区或工业区的电源耦合，发展为一个组合式的分布式供能系统，提高供能系统的安全性和经济性。
（4）制动能量回收系统的研发机构应与车辆制造厂家进行更加有效的沟通和技术合作，使制动能量回收系统与整车进行整体优化，在整车技术性能和空间布局方面完美结合，实现整车技术最优化。
然而，在针对这些方向开展研究并付诸实际应用的过程中，还存在着诸多困难需要克服，其中包括：
（1）列车数量与轨道运行环境的限制。对于每一条特定的线路，其轨道车辆数量都是有限的，多购进列车就增加了的运营成本；另外，轨道建设的硬件设施也对列车运行密度有一定的限制。因此，在编制最优的列车运行时刻表的过程中，往往需要在最节能方案与最低成本之间做出权衡。
（2）解决强大电流对系统中电力电子器件的冲击问题。上海轨道交通2号线的在线测试数据表明，在电阻制动过程中电阻制动瞬时电流往往会超过900A，最高可达约1100A[22]；而且在电阻制动能量回收方案中，大、小功率开关的频繁切换会对系统中的电力电子器件产生极大的电流冲击，严重影响器件的使用寿命。因此如何设计大容量耐冲击的电力电子系统是目前较难解决的问题。
（3）分布式供能系统理论尚需完善，实际可操作性有待于验证。分布式供能系统是近些年才逐渐得到重视的概念，目前仅有待修订的IEEE 1547标准[23]对该类系统进行了相关规定；关于分布式供能系统的相关研究目前大多还仅限于模糊控制和神经网络控制等抽象模型，建立一套完整的理论系统尚需时日。另一方面，城市轨道交通车辆制动能量回收系统中的电压、电流均较大，对电网的冲击也很大，而且往往需要整流逆变装置对其进行处理，如何安全可靠地在电网中以分布式发电系统形式运行仍需进行控制理论的相关研究。
（4）在车辆制造厂家在空间布局、设备布置、子系统控制与整车控制系统之间连接与匹配等方面，能否与制动能量回收系统的研发机构进行良好的合作，是能否最大限度发挥制动能量回收系统的节能效果关键问题，而市场实际应用效果是检验车辆制造厂家和制动能量回收系统研发机构合作成败的具体体现。
5 结论
随着城市轨道交通系统的日趋普及和逐渐完善，城市轨道车辆制动能量的回收利用逐渐成为人们关注的焦点。城市轨道交通车辆在制动过程中会产生数量可观的制动能量，具有回收价值。电力电子器件制造工艺的飞速发展使得制动能量回收系统越来越多样化和集成化，为研发过程提供了可选择性。城市轨道交通车辆制动能量回收技术拥有非常可喜的研究现状和广阔的应用前景。在制动能量回收系统技术和应用过程当中还存在一些技术因素的制约与认识上的障碍，随着制动能量回收技术的完善和商业化应用的推广，制动能量回收技术逐渐会显现出显著的经济效益和环境效益，逐步在不同类型的轨道交通车辆上推广应用，实现制动能量回收的良好经济效益和社会效益。