再生制动技术

轨道车辆再生制动技术

班级：车辆91

姓名：宋清华

学号：09015017

一、目前我国城市轨道车辆制动方式

城市轨道车辆不同于铁路传统干线客车，它有其自身特殊的性质。铁路传统

干线客车属于动力集中牵引形式，牵引动力只能由机车提供，而制动则是由机车

和车辆的空气制动机来完成，属于自动式空气制动。并且干线铁路客车运行时停

车站间距都比较大（一般情况下普通旅客列车站间距大约在30-70公里，特快旅

客列车站间距一般在200-400公里），起动和制动不是很频繁。其能量主要是用

来克服列车运行中的阻力。能量利用率较高，降低能量也比较困难。但是城市轨

道车辆的运行情况则不然。城市轨道车辆运行的线路一般站间距都很短，一般是一公里至几公里不等。由于站间距短，列车的起动和制动都很频繁。所以，大部

分电能是用来提高列车的机械能，而客服列车运行基本阻力的能量所占比率较低。

不难看出，由于城市轨道车辆运行的特殊性，其列车制动系统也不能简单的照搬干线铁路客车的制动系统模式。而应该是一套操纵灵活，作用迅速，停车平稳、

准确和制动力大的一整套复杂的联合制动系统。为了满足上面提出的要求，近年

生产的城市轨道车辆的制动系统都是采用了以电制动为主，空气制动为辅的电空

联合制动方式。列车实施常用制动时，首先进入电制动工况，降低列车运行的速度。由于低速时的制动力控制起来较为困难，当列车的速度很低时切除电制动，最后通过空气制动，实现对标停车。而紧急制动时，仅仅是空气制动起作用。其

制动模式与高速动车组的制动形式相类似。由于城市轨道车辆是由直流600V、

750V或者1500V接触网提供电能而驱动列车的，它的动车装有数台牵引电机，

这就为采用电制动提供了基本条件。电制动有再生制动和电阻制动两种形式：再

生制动时将列车的动能通过牵引电机（牵引电机工作于发电工况，产生制动转矩）

转化成电能，在其反馈电压高于电网电压时，反馈给电网，供给同一供电臂内其

他列车使用。当发电机发出的电能电压低于网压或者网压超出额定上限值不允许

反馈时，则无法馈送到电网上去，这部分电能则要通过电阻变成热量散失到大气中，这就是电阻制动。可见电阻制动时，能量没有被回收或利用，而是白白散失

掉，造成能量的浪费。当列车速度降低到某一速度时，电制动力不能满足制动要

求，制动力已经达不到规定的大小，则必须将及时启用空气制动已达到要求。在

整个速度范围内，要充分发挥各种制动方式的作用，适应城市轨道车辆的自动控

制，并且还需协调配合以获得最佳的制动性能。目前世界成熟的适用于城市轨道

车辆的微机控制直通式电空联合制动系统主要有德国knorr和日本的nabco。电

制动有许多优点，例如：可回收能量，无机械磨损，无空气污染等，这些对于单纯的空气制动是无法实现的。 二、几种再生制动技术

本文通过查阅近些年来有关轨道车辆制动系统的期刊、书籍、学位论文等文

献资料,了解掌握了关于车辆制动力和制动系统的分析研究方法,这些文献给了

作者很大的参考价值。并总结了几种再生制动方法. 1. 常规再生制动

将牵引电机产生的电能通过变流器变成直流电反馈给直流电网，供给其他列车使

用。所以这种再生制动也叫做反馈制动。经过调研，在目前国内外的城市轨道车

辆中，绝大多数都是采用这种再生制动方式。这种方式不需要在额外的增加设备，

因为目前的城市轨道车辆的主变流器大都采用技术十分成熟的逆变器，这种变流器可以在四个象限运行，即正向牵引，正向制动，逆向牵引，逆向制动。其工况

间转换十分的简单、可靠。所以，这种再生制动方式在绝大多数城市轨道车辆上得到广泛的应用。但是这种制动方式也有其致命的弱点，那就是其利用率很低。

因为这种再生制动受到电网电压的限制。当一列车进行反馈制动时，而同一供电

区段内没有其它车辆运行，回送到电网上的能量不能被其它列车吸收和利用。这

样就会抬升电网电压，对变电所的供电设备不利。在调研阶段，我考察过大连轻

轨、上海地铁等经典的城市轨道交通系统。由于列车的发车间隔长、供电臂长度、

网压等因素的限制，在实际运用中，反馈制动的使用率很低。其制动时产生的能

量没有回送给电网供其他列车利用。而是直接转入电阻制动，将产生的电能转化

为热量散失于大气中。根据各地铁运营公司提供的数据显示，有50%以上的电能

在制动过程中被转化成热能散掉。而再一次起车或加速时，又要重新从电网获取

能量，造成极大的浪费。显然这与国家提倡的节能减排，绿色环保的基调是背道

而驰的。 2. 能馈式牵引供电变流技术

城市轨道交通车辆再生动能量具有幅值高、时间短的特点,功率冲击较大。再生制动能量处理问题产生的根本原因是城市轨道交通供电系统采用了不可逆

的整流电路,利用一种新型能馈式轨道交通牵引供电变流方案,采用双向阶梯波

合成变流器实现城市轨道交通系统的供电与再生制动能量回馈。阶梯波合成变流器具有开关频率低、开关损耗小、电磁兼容性好、输入谐波少、总谐波含量低、

滤波器体积小等优点,特别适合城市轨道交通系统的大功率能馈供电。为了实现

阶梯波合成变流器的快速调节,采用新的顺序采样空间矢量调制(SVM)技术,采用该技术后,阶梯波合成过程中等效采样点从传统的每周期6个提高到每周期24

个,提高了调制环节的带宽,减小了调制环节的延时,为提高阶梯波合成变流器的

动态性能提供了有利的技术基础;在分析变换器模型的基础上,提出了一种SVM

调制延时补偿办法,采用该补偿办法后,降低了dqo坐标系下两相系统的耦合,提

高了变换器带宽,为实现dq轴电流解耦控制和有功功率、无功功率的独立控制提

供了必要的基础;提出了阶梯波合成变流器的瞬时值闭环控制策略与参数设计方

法,为提高和优化阶梯波合成变流器的动态性能提供了必要的依据,为城市轨道

交通供电系统直流母线的动态调节提供技术保障。该双向阶梯波合成变流器除了

开关频率低、电流波形正弦性好以外,还具有快速的动态调节性能。 在分析了再

生制动能量全功率回馈电网与再生制动能量全储存方式的优缺点基础上,可采用

一种新型的能馈与储能相结合的再生制动能量吸收方案,利用能馈系统回馈大部

分能量,减少储能系统的容量、体积以及成本,利用储能系统为脉冲能量提供一定

缓冲,减小再生制动能量对电网的冲击以及能馈系统的设计容量,提高能馈系统

的容量利用率。研究了三种容量配置方法,并研究了两种控制器实现方式,以实现

两个系统的功率容量配合。通过仿真模型研究了能馈系统与储能系统的能量分配

与电网电压特性。 为了配合能馈牵引供电系统,缓冲脉动功率对电网的冲击,采

用基于超级电容器的储能系统。这是模块化储能系统功率变换方案,采用该模块

化方案一方面可以使储能系统适用于多种供电电压等级的城市轨道交通系统,另

外一方面还可降低储能模块的超级电容器串联个数,提高了超级电容器组的可靠

性;针对多模块输入串联结构的储能系统,采用输入均压能力的双向变换器闭环

控制策略,保障多模块串联结构在双向变换器场合的应用;储能单元电压均衡措

施是保证超级电容器串联应用的高效与可靠的关键技术,在现有均衡电路的基础

上应用新型的电压均衡电路,根据均衡速度的需要,该均衡电路可开环控制也可

闭环控制,控制方法都比较简单,不需要对多个电容器单元进行电压检测与决策

控制就可以实现电压的自动均压。 3. 超级电容储能再生制动技术

其次随着储能装置技术的不断发展,大能量密度和功率密度的储能装置不断

涌现,这就为解决再生制动问题开辟了一条蹊径。可将新型储能装置——超级电

容器应用在城市轨道车辆电器制动系统中,以超级电容器为储能元件,实现能再

生制动的方法应用于实际。采用IGBT为开关元件设计了超级电容储能再生制动

的主电路,以80C196单片机为核心,设计储能再生制动系统的控制电路、保护电路构,对储能再生制动的控制可以达到很高的精度,可以使得城市轨道车辆在常

用工况下均能实现再生制动。 4. 软制动技术

相对于通过物理接触摩擦来产生制动力的硬制动方式,以电制动为主的软制

动不仅控制精确、维修成本低,而且能够达到最大限度地节约能源的目的。目前,

具有控制精确、节能等优点的再生制动已经在城市轨道交通中得到广泛的应用。

就当前已经被采用的“软制动技术”来看,车载电阻是用来防止再生制动失效最

常用的方法,然而,车载制动电阻又会带来车体重量提高及隧道温升的问题。采用

的地面电阻吸收过剩的再生能量方法不但能有效地防止再生失效,而且能够避免

车辆重量增加和隧道温升的缺点。地铁车辆的逆变器基本采用硬开关技术,无法

实现在零电压、零电流的状态下开通和关断,导致开关器件的损耗累积和电压电

流的冲击,所以采用软控制方式,解决电制动回路中大功率开关器件因受到极大

电压和电流应力冲击而崩溃失效的问题。软制动系统的关键技术中,是一种新型

的零电流转换逆变器ZCT-PWM装置。针对地面制动电阻的容量确定和位置分布原

则这两个重要的问题,可城市轨道交通地面电阻制动系统的仿真模型。而列车运

行图、线路阻抗以及装置吸收电压等重要因素对地面制动电阻装置也有重要影响。

相比其他类型的能量回收系统,地面电阻制动系统具有控制方便、成本低和可靠

性、可行性高的突出优点。

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