城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统分析

城市轨道交通可再生制动方案摘要：城市轨道车辆运行具有频繁启动、制动的特点，机车制动能量的可再生利用已成为了城市轨道交通节能的主要方式。

本文对比分析了城市轨道交通可再生制动能量吸收的若干方案，重点分析了基于超级电容的储能型和逆变回馈型可再生制动系统的工作原理和典型拓扑结构。

最后介绍了储能-逆变回馈复合型制动方案。

关键词：城市轨道交通；可再生制动；双向直流变换器；逆变回馈Research on Absorb Project of Regenerative Braking in Urban RailTransitAbstract: Frequent start and braking are the main features of urban rail transportation, and theregenerative utility of braking energy has been considered as one of the most important approach to saveenergy of urban rail transit. Some strategies of regenerative braking energy absorbing is analyzed andcompared in the paper. The principle and typical topological structures of regenerative braking systembased on energy storage of super capacitors and feedback inverters are discussed in detail. Finally, thestrategy that combines energy storage and feedback inverter is presented.Key words:unban rail transit; regenerative braking; bi-directional DC/DC converter; feedback inverter1. 引言随着城市化进程的逐渐加快，城市轨道交通发展迅速。

城市轨道交通列车再生制动能量吸收方案的研究城市轨道交通列车再生制动能量吸收方案的研究【摘要】针对城市轨道交通列车再生制动能量的吸收利用，分别研究了目前四种最主要的吸收方案，并对各方案的优缺点进行了对比分析，得出了逆变回馈型是目前综合考虑的最佳方案的结论，可供新建地铁线路在具体实施中进行参考。

【关键词】城市轨道交通；再生制动；能量吸收方案城市轨道交通列车再生制动时，产生的能量一部分被相邻处于牵引状态的列车利用，另一部分由列车的制动电阻发热消耗，或由吸收装置吸收利用，其中有大约48% 反馈回了电网用于其它列车消耗，有大约2.9%被制动电阻消耗[1]。

目前，电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型及逆变回馈型是四种主要的城市轨道交通列车制动能量吸收方案。

本文讨论的内容是上述四种方案的基本原理和最新研究成果及应用，并对各个方案的特点进行比较。

1.电阻耗能型电阻耗能型再生制动能量吸收装置采用电力电子器件和电阻配合的消耗方式，根据再生制动时的接触网电压变化调节电力电子器件的导通比，利用电阻消耗制动能量，从而将直流电压恒定在某一设定值的范围内。

当列车反馈的制动能量能被其他相邻列车完全吸收时，电阻吸收装置不投入工作。

当列车反馈的制动能量无法被其他相邻列车完全吸收的时候，直流母线电压上升，当这一电压上升到设定值时，电阻能耗装置就立即投入工作，消耗多余的制动能量，将牵引网的电压控制在一定的范围内。

目前，地面电阻制动能量吸收装置己在国内外城市轨道交通工程中使用，如国内的重庆轻轨、广州地铁、天津地铁等，国外如日本、意大利及加拿大等。

但从节能的角度考虑，在新建线路中该方案已几乎不被采用。

该方案控制简单，可以取消或减少车载制动电阻，降低车辆自重，提高列车动力性能，降低隧道温度、减少闸瓦损耗。

国内产品成熟，价格较低。

缺点是再生制动能量由电阻发热消耗，再生电能未被有效利用；同时产生的热能会导致变电所温度升高，提高了变电所的通风要求。

地铁再生制动能量吸收利用系统应用探究摘要：随着我国经济的快速发展，人民生活水平的逐渐提高；越来越多的人意识到节约能源、保护环境的重要性；低碳出行、绿色交通已成为我国城市发展的重中之重。

地铁作为一种大运量、高密度的交通工具，它在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色。

地铁列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、启动及制动频繁等特点，列车进行频繁的启动及制动，势必产生较大、较多的再生制动能量。

怎么合理的吸收和利用这些再生制动的能量，是目前我国大多数地铁项目，需要探究的问题。

一、地铁再生制动能量产生的原理及分析和计算1、地铁再生制动能量产生的原理地铁列车的制动方式一般分为空气制动和电气制动两种类型；一种是依靠闸瓦与车轮间摩擦形成制动力，这就是列车的空气制动方式；另一种是基于交流变频调速的列车牵引系统能够在车辆制动时将牵引电机调整为发电机工况，将列车制动时的机械能转化为电能，这就是列车的电气制动方式。

2、地铁再生制动能量的分析和计算例如某地铁列车采用再生制动和机械制动，必要时投入电阻制动，现对其制动能量进行分析和计算。

列车最高运行速度：80km/h（22.22m/S），列车惰行一段时间后，以某一初速度开始采用再生制动，制动加速度为（-1m/s2)），速度降低到5km/h（1.39m/s）以下时采用机械制动，当再生制动失效时（即再生制动能量不能被相邻列车吸收或无相邻列车时）辅以电阻制动。

列车制动时动能转换为再生制动能量和机械能。

其公式为:E= m（v0-vt）2/2-FW*S式中,E-可利用的再生制动能量，m-列车总重量，6节编组取284tv0-列车再生制动初速度（因地铁一般为车站高、区间低，列车进站前制动时，列车经爬坡增加势能速度已处于降低阶段），取50km/h（13.89 m/s）vt-列车再生制动末速度，取5km/h（1.39m/s）S-列车制动距离，S=（v02- vt2）/2FW-列车制动过程中运行阻力的平均值。

城市轨道交通再生制动能量利用研究随着城市人口的不断增长和城市化进程的加速，城市交通问题变得日益突出。

尤其是城市轨道交通系统，作为城市交通血脉的重要组成部分，其运行安全和环保问题备受关注。

为了提高城市轨道交通的能源利用效率，近年来，针对城市轨道交通再生制动能量的利用研究日益受到重视。

城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车等多种类型，它们在运行过程中通过制动产生的能量被称为再生制动能量。

再生制动能量是指列车在制动过程中产生的动能转化为电能的能量，一般通过牵引逆变器将其反向送回供电系统中，以供给其他列车使用或者回馈到市电网络中。

再生制动能量的利用，对于减少能源浪费、降低运营成本，具有重要的意义。

再生制动能量的利用可以显著减少城市轨道交通的能源消耗，提高运营效率。

传统城市轨道交通系统中，制动过程中产生的能量大部分会以热能的形式散失掉，造成严重的能源浪费。

而通过再生制动能量的利用，可以将原本散失的能量转化为电能存储或者回馈，从而大幅度减少能源浪费，提高交通系统的能源利用率。

再生制动能量的利用能够提高城市轨道交通系统的环保性能，降低对环境的影响。

城市轨道交通系统通常处于密集的城市区域中，对环境的影响和压力较大。

再生制动能量的利用可以减少对外部环境的能量消耗，并且降低了污染物的排放。

这对于改善城市空气质量、减少环境噪音等方面都具有积极的意义。

再生制动能量的利用对于降低城市轨道交通的运营成本也具有积极影响。

能源是城市轨道交通运营成本的重要组成部分，通过再生制动能量的利用，可以显著降低能源消耗，从而减少能源采购成本。

再生制动能量的利用还可以降低设备的损耗，延长设备的使用寿命，从而降低了维护成本。

要实现再生制动能量的有效利用并不容易，需要克服一系列技术难题。

首先是再生制动能量的回馈技术问题。

再生制动能量回馈技术是城市轨道交通再生制动能量利用的关键技术之一，也是实现能量回馈的基础。

现有的再生制动能量回馈技术还存在着效率不高、回馈系统复杂、成本较高等问题，需要进一步研究和改进。

城市轨道交通再生制动能量回收系统研究毕业设计目录第1章绪论 (1)1.1城市轨道交通的发展 (1)1.2再生制动能量回馈的意义 (1)1.3本文的主要容 (2)第2章再生制动能量吸收利用技术 (3)2.1 城市轨道交通供电系统 (3)2.2城市轨道交通再生制动能量吸收方案 (4)2.2.1车辆制动方式 (4)2.2.2 电阻能耗型 (5)2.2.3 电容储能型 (6)2.2.4逆变回馈型 (7)2.2.5 三种方案比较 (7)2.3逆变电阻混合型主从配合方案 (8)2.4 本章小结 (9)第3章混合逆变-电阻制动系统设计 (10)3.1逆变-电阻制动系统 (10)3.1.1逆变-电阻型控制策略 (10)3.1.2 逆变-电阻型仿真分析 (11)3.2制动工况仿真分析 (13)3.3再生制动的能量计算 (16)3.3.1机车制动特性及计算步骤 (16)3.4 基于制动特性曲线的计算实例 (18)3.5 本章小结 (21)致谢 (22)参考文献 (23)第1章绪论1.1城市轨道交通的发展随着社会经济的高速发展，城市人口密集度和流动度日益增加，现有的交通已经不堪重负，交通不便已成为制约社会经济发展的一大因素，同时造成大中城市居民出行难坐车难的现象。

机动车辆的增长，导致交通更加拥堵，同时造成了大气污染和噪声污染。

城市轨道交通具有运量大、速度快、空间利用合理、污染少等特点，因此它受到世界各国的青睐。

大力发展城市轨道交通已成为各国解决城市交通拥堵问题的重要手段。

我国城市轨道交通发展比较滞后，近年来国家己充分认识到发展城市轨道交通的重要性，各大省会城市均已修建地铁或整改规划地铁线，而特大城市已开始发展轨道交通的网络化建设。

北京、上海、、等城市已有多条轨道交通线路开通运行。

同时、、、、等城市已经开展城轨交通的建设工作。

至2016年，国城轨线路将拥有89条，超过2500公里的运营里程［1]。

1.2再生制动能量回馈的意义城市轨道交通已得到大力发展，地铁作为城市轨道交通的主要运输工具，相对干线电气化铁路而言，地铁具有站间距离短、启动制动频繁、运行速度变化相对较大等特点。

城市轨道交通再生制动能量吸收逆变装置分析及比选发布时间：2021-06-30T07:52:50.898Z 来源：《中国科技人才》2021年第10期作者：彭飞[导读] 城市轨道交通车辆无论是采用旋转电机还是直线电机，制动模式大多采用电气制动（再生制动/电阻制动）＋空气制动互补的形式。

列车运行中的制动以电气制动为主、空气制动为辅。

在电气制动时，优先采用再生制动。

昆明地铁运营有限公司云南省昆明市 650000摘要：本文结合国内外城市轨道交通工程列车再生制动能量吸收装置的开发运用，从原理、组成等方面介绍了电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型四种能量吸收逆变装置，并对四种装置的优缺点进行了分析及对比，指出了目前运用的最佳方案及将来的发展方向。

关键词：再生制动；吸收逆变；分类；对比城市轨道交通车辆无论是采用旋转电机还是直线电机，制动模式大多采用电气制动（再生制动/电阻制动）＋空气制动互补的形式。

列车运行中的制动以电气制动为主、空气制动为辅。

在电气制动时，优先采用再生制动。

列车制动时电机处于发电机工作状态，将列车的动能转换为电能。

这部分电能扣除电机、逆变器损耗之后，一部分供本列列车辅助设备（如空调、通风机、空压机、直流负荷等）使用，其余大部分供线路上其它列车的牵引或其它能量吸收装置吸收。

当列车处于再生电气制动时，若牵引网具备吸收能力，列车基本能稳定的再生制动。

而当单列列车运行时，此时牵引网不具备吸收能力，列车只能采用电阻制动或空气制动。

列车再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的20%—40%。

而这些再生能量除了按一定比例（根据列车运行密度和区间距离的不同而异）被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车的制动电阻吸收并以发热的方式消耗掉。

国内多数地铁列车的再生制动能量吸收装置均采用车载制动电阻形式，其制动电阻分散安装在各动车底部。

因此，为节约能源，在列车车体外设置列车再生制动能量吸收装置成为研究和发展的方向，目前应用的方案主要分为电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型四种装置。

试论城市轨道交通车辆再生制动原理
城市轨道交通车辆再生制动原理是通过利用车辆运动的惯性能量和制动装置释放的能量，将其转化为电能储存起来，以供给车辆系统的其他部分使用，从而实现能量的回收与再利用。

在城市轨道交通运行过程中，车辆通常在满速行驶时需要减速或停车，而制动过程中产生的能量往往被耗散为热量，浪费了可再利用的能源。

再生制动的原理是通过将车辆的动能转化为电能，储存在能量回收系统中。

在车辆制动时，制动装置施加一定的力使车辆减速或停车，车轮与钢轨之间摩擦产生的能量被感应电动机吸收，并转化为电能。

被吸收的电能首先通过逆变器进行直流-交流的转换，然后通过整流装置将电能储存于高能量密度的电池或超级电容器中，以供给车辆其他部分使用。

再生制动系统的核心是车辆上装备的感应电动机，该电动机既可以作为驱动电机，帮助车辆加速，在该过程中提供一定的推力；又可以通过切换为发电机模式，在车辆制动时吸收能量并将其转化为电能。

通过控制感应电动机的工作模式和电流方向，可以实现制动和抱闸效果，并将能量转化为可用的电能存储。

在实际的城市轨道交通中，再生制动系统的应用可以显著提高能源利用效率，减少能源的浪费。

通过在车辆制动时将能量转化为电能储存起来，可以减少列车从静止状态重新起动时所需的能量，并降低由于频繁的加速、制动而造成的磨损和能耗。

再生制动系统还可以提供额外的制动力，减少制动距离，提高安全性能。

探析城市轨道交通车辆再生制动能量吸收系统作者：杨熙来源：《硅谷》2011年第01期摘要：从分析轨道交通车辆制动过程中，产生和吸收再生能量的过程，建立车辆再生制动能量吸收的系统模型，并着重分析再生制动能量对轨道电压产生的影响，以及能量吸收装置的工作状态，并以此为基础比较超级电容与电阻消耗的吸收系统的技术性能，以及超级电容的采购事项。

关键词：城市轨道车辆；再生制动能量；吸收系统中图分类号：U2文献标识码：A文章编号：1671—7597（2011）0110085－011 再生制动系统结构该系统共有三个组成部分，分别为整流模块、车辆模块以及吸收模块。

其中整流模块所对应的是轨道车辆再生制动系统中的整流站，它的作用是把变电站所输送的交流电压转为直流电压以供应轨道车辆使用；而车辆模块对应的则是轻轨机车，该部分是轻轨的运行部分，其核心电机可视为磁链闭环矢量控制系统和转速控制系统；最后的吸收模块所对应的是车站旁边的吸收站，获得母线电压的变化数据后，对IGBT部分的工作进行控制，吸收制动过程中所产生的能量，克服其对母线电压所产生的不良影响。

2 再生制动能量吸收系统模型的建立2.1 建立整流模型本系统采用的是24脉波整流电路，其原理为：当三相电源星形连接时，线电压超前相应的相电压为30°，采用三相三绕组，其中一次侧接成星形或者三角形，而二次侧每相则有两个绕组，三个三角形三个星形。

此外，二次侧三角形绕组每相的匝数要比二次侧星绕组多三倍，二次侧两组绕组线的电压相等，末向差60°。

在城市轨道车辆的整流模块中，两个三相6脉波整流桥组成了单台整流器，其中一个整流桥接到整段母线上的两流变压器二次侧△型绕组，另外一个则接到整流变压器二次介的Y型绕组，两者并随着构成12脉波整流器。

每个牵引变电所内的两台整流器进行并联，通过整流变压器外延±7.5°，也就是相差15°，构成24脉波整流电路。

科技成果——城市轨道交通牵引供电系统制动能量回馈技术适用范围交通行业城市轨道交通运输行业现状目前我国地铁和轻轨列车刹车制动时，车载电动机转为发电机运行，由此产生的再生制动能量将首先通过直流电网被相邻列车吸收，但当列车运行密度较低或相邻车辆也处于制动工况时，这些电能被吸收利用的几率会大大减小。

为了保证牵引供电网电压的稳定和列车安全运营，无法吸收的多余能量将由列车自身携带的制动电阻或地面制动电阻通过发热的形式消耗掉，这部分能量占列车运行牵引能耗的30%左右，造成大量的电能浪费。

成果简介1、技术原理采用该技术，在城轨列车制动时，可将原本消耗到车载或地面制动电阻上的列车制动能量回馈到35kV/33kV/10kV等交流公用电网，供给交流公用电网中的其他用电设备使用，实现能量回收再利用。

同时，再生能量回馈装置能够在交流电网功率因数较低时，作为静态无功补偿（SVG）装置运行，向交流电网补偿无功功率，提高功率因数，减少无功能量损耗，降低系统运营成本。

2、关键技术（1）高可靠性和高可用性的再生能量回馈系统技术在牵引供电系统中设置单独的再生能量回馈支路，该支路与二极管牵引整流机组在电路结构和系统保护方面具备良好的兼容性，具有多级交/直流过压保护、多级过流保护、温度保护、框架保护等系统保护功能，且回馈支路和二极管牵引整流机组支路互相独立工作，保证了整个系统的高可靠性和高可用性。

（2）城市轨道交通供电系统应用的底层控制技术底层控制技术包括基于空间矢量的两电平双模式过调制技术、高效锁相及电网故障判别技术和基于多绕组变压器的载波移相技术，能更好满足供电系统的应用要求。

（3）轴向多分裂高漏抗高解耦率变压器技术通过多绕组分裂式结构，解决变压器各绕组间相互耦合的难题，便于降低回馈系统工作时注入电网的谐波，保证回馈到公用电网的能量具备很好的清洁度，同时便于实现多支路并联，以适应不同情况下功率扩展的需求。

（4）再生能量回馈装置产品技术及模块化结构技术建立稳定的产品控制平台，模块化的结构设计实现了系统容量的灵活扩展，可维护性能好。