城市軌道交通系統(tǒng)中，其運行工況特點為頻繁啟動與制動，啟動時消耗大量電網(wǎng)電能，而制動時會產(chǎn)生可觀的再生電能。一般來說，地鐵車輛在制動時產(chǎn)生的能量約占牽引能耗的40%~50%。這部分能量反饋回電網(wǎng)后，約有30%~50%(與發(fā)車間隔等多種因素有關)被相鄰列車利用。由于牽引變電所中整流器采用二極管不控整流，能量只能單向流動，未被臨車利用的能量將造成牽引網(wǎng)壓升高，危及用電設備安全。

目前再生制動能量回收技術主要包括電阻耗散型，逆變回饋型和儲能型三種。其中，耗散型是將再生制動能量以熱能的方式通過制動電阻消耗掉，這也是國內外普遍采用的方式，此種制動方式在車輛制動時，將機車的動能轉換為電能后消耗在電阻上，變成熱能散發(fā)到大氣中致使隧道和車站內的溫度升高，再生制動能量沒有被再利用，造成能源浪費，而且低速時制動效果差，還需保證機車有足夠的通風量，因此不做詳細對比。

逆變回饋型是將制動能量通過逆變裝置逆變并網(wǎng)，供電網(wǎng)上其他用電設備使用。儲能型是將制動能量通過雙向變換器儲存在儲能裝置中，包括電池、飛輪和超級電容等。

逆變回饋型

再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)主要采用電力電子功率模塊IGBT構成大功率三相逆變器，該裝置的直流側與牽引電網(wǎng)的直流母線連接，交流側與交流電網(wǎng)連接。當列車制動能量促使牽引電網(wǎng)的直流電壓超過設定值時，再生制動能量回饋裝置啟動并從牽引電網(wǎng)中吸收電能并將電能回饋到交流電網(wǎng)中，供其他負載使用。

逆變回饋型配電示意圖

再生制動能量逆變回饋裝置采用高頻電力電子開關器件IGBT實現(xiàn)的變流器具有具有諧波含量小、控制方法靈活并且動態(tài)性能好等優(yōu)點。基于PWM并網(wǎng)逆變器的再生制動能量回饋方案除了可以在機車再生制動時穩(wěn)定直流側電壓。

具體優(yōu)點如下

1、交流電網(wǎng)側采用電感濾波，不存在換向電壓畸變，且交流電流諧波含量小，對電網(wǎng)污染輕。入網(wǎng)功率因數(shù)高，并且不因回饋功率變化而變化，可減少無功補償設備的投資。

2、由于功率管的開關頻率比較高，濾波器體積容量可以設計得比較小，濾波器損耗小，并且動態(tài)響應快。

3、充分利用了地鐵列車再生制動能量，提高了再生制動能量的利用效率，節(jié)能效果好，還可減小機車制動電阻的容量。其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲能元件，也不要吸收電阻，因此對環(huán)境溫度影響小。

具體缺點如下

1、回饋至電網(wǎng)的交流電流雖然諧波含量小，但是存在的諧波也會對其他用電設備產(chǎn)生一定的影響。

2、回饋至電網(wǎng)的電能，雖然可以達到重復利用的效果，但由于在傳輸線路上存在損耗，故達不到節(jié)能的最大化。

3、逆變回饋裝置的電路結構復雜，維護費用較高。

4、逆變回饋裝置中變壓器始終接于電網(wǎng)上，造成較大的空載損耗。

5、電能回饋給電網(wǎng)時，如若跟電網(wǎng)方協(xié)調不當，會產(chǎn)生二次的電費計算，使得地鐵方承受更多的電費開支。

超級電容儲能型

超級電容儲能型再生制動能量吸收利用系統(tǒng)包括雙向直流變換器和超級電容器儲能系統(tǒng)兩部分，并接在地鐵列車的直流供電母線上。

當?shù)罔F列車制動時，直流母線電壓上升，雙向直流變換器向超級電容器陣列充電，超級電容器陣列吸收制動能量;

當?shù)罔F列車啟動時，直流母線電壓下降，超級電容器陣列存儲的能量通過雙向直流變換器釋放能量。

超級電容儲能型配電示意圖

工作原理：

1、當?shù)罔F車輛再生制動時，直流牽引電網(wǎng)電壓升高，控制電路控制雙向DC/DC變換器主電路工作于Buck電路模式，直流牽引電網(wǎng)與超級電容儲能系統(tǒng)連接后，對其進行充電。超級電容組吸收再生制動能量，同時降低直流牽引電網(wǎng)電壓。

2、當?shù)罔F車輛處于加速或者啟動工況時，直流牽引電網(wǎng)電壓會被拉低，此時控制器控制雙向DC/DC變換器工作于Boost電路模式，超級電容儲能系統(tǒng)與直流牽引電網(wǎng)導通后，超級電容組通過升壓電感對接觸網(wǎng)進行能量反饋。此工況下，超級電容儲能系統(tǒng)的投入使用，減少了交通運營對供電系統(tǒng)峰值功率的要求，使直流牽引電網(wǎng)電壓的跌落得到了緩解。

3、當?shù)罔F車輛惰行時，控制器可以根據(jù)超級電容組電量，控制雙向DC/DC變換器主電路對超級電容組的能量存儲狀態(tài)進行調整。

超級電容陣列由大量超級電容單體串并聯(lián)而組成，是超級電容儲能系統(tǒng)的能量存儲單元，實現(xiàn)能量存儲與穩(wěn)定直流牽引電網(wǎng)電壓的雙重目的。當直流牽引電網(wǎng)電壓被抬升時,超級電容陣列進行能量存儲;當直流牽引電網(wǎng)電壓被拉低時，超級電容陣列將能量反饋給牽引電網(wǎng)。

超級電容儲能型裝置具體優(yōu)點

1、超級電容儲能裝置，結構簡單，沒有附加的變壓器等裝置，能耗元件少，能耗小，易安裝，維護費用少。

2、采用超級電容儲能裝置，制動能量轉換的電能直接存儲在超級電容中，無能量回饋給電網(wǎng)，不會給電網(wǎng)造成污染或沖擊。

3、電能直接存儲在超級電容中，地鐵啟動時，超級電容充分放電，儲存的電能能夠得到全部的釋放，能夠達到最大的節(jié)能效果。

4、采用超級電容儲能裝置，能夠提升接觸網(wǎng)電壓，減少接觸網(wǎng)電壓波動，降低直流母線上的能量損耗。

在超級電容儲能型裝置起步之初，由于超級的電容的價格較高，因此造成成本較高，但隨著對超級電容的研究與生產(chǎn)，超級電容的成本日趨降低，因此這一缺點也不再成為超級電容儲能裝置的缺陷。

效益分析對比

整體效益&節(jié)能效益

超級電容儲能型裝置損耗更小，對設備使用整體效益更大

通過對逆變回饋型裝置與超級電容儲能裝置的工作原理對比分析我們可以看出，相比于逆變回饋型，超級電容儲能型裝置有優(yōu)點如下:

1、超級電容儲能裝置結構簡單，易安裝，維護費用少，能耗小;

2、超級電容儲能裝置制動能量直接存儲于超級電容當中，充放電靈活，無須將能量回饋至電網(wǎng)，效率更高，不會給電網(wǎng)造成諧波污染或是沖擊，同時能量歷經(jīng)的轉換過程更簡單可靠，消耗更少。

3、逆變回饋型裝置將制動能量回饋至電網(wǎng)，需經(jīng)變壓器/變換器兩次轉換，造成回饋效率降低，沒能達到最佳的節(jié)能效果。

4、超級電容儲能裝置比之逆變回饋裝置，不需要加裝變壓器及其相關設施，不存在變壓器及其相關設施待機工作持續(xù)耗電的問題，同時開關頻率較小，損耗更小。

5、不存在向電網(wǎng)回饋電能，因此不存在二次收費問題。

6、在地鐵車輛啟動時，會引起母線電壓的波動，通過采用超級電容儲能裝置能夠起到穩(wěn)壓功能，穩(wěn)定母線電壓，避免其他用電設備收到干擾。

節(jié)能效益——每天單個站點多節(jié)省560.358元

無論是采用逆變回饋型還是超級電容儲能型裝置，均可以使地鐵方減少在車載制動電阻購置方面的成本，同時減少制動電阻輔助散熱風機能耗，減少站點與車輛通風空調系統(tǒng)運營成本，減輕地鐵車輛的重量，達到節(jié)能減排的效果。因此兩種裝置對節(jié)能減排的作用主要由制動能量方面的節(jié)省來體現(xiàn)。

假設分析背景：

以深圳市地鐵五號線某站點為例，根據(jù)統(tǒng)計分析假設地鐵發(fā)車間隔約為3分鐘，以每天該站點工作時間6：30-23：00，工作16.5小時，共計發(fā)車次數(shù)為330次。據(jù)統(tǒng)計地鐵每次牽引供電耗電量平均約為20度左右，其中40%~50%左右的電能為地鐵制動能量(計算取值約為9度)。這部分制動能量回饋到直流電網(wǎng)后，約30%~50%(計算取值約3.6度)被線路上同一供電區(qū)段相鄰車輛和本車輔助系統(tǒng)吸收，剩余的電能(約5.4度)則通過制動電阻消耗掉。

針對于逆變回饋型裝置，單個站點全天電阻制動能量理論值為5.4x330=1782度，而通過變壓器的逆變以及線路等損耗，假設為3MW系統(tǒng)，則變壓器額定功率約為3150kVA，系統(tǒng)效率大于等于98%(廠家宣稱效率，實際有待考證)，取效率為98%進行分析計算，實際每天電阻制動能量回饋值，即節(jié)能值約為1782x98%-3150x0.8%x24=1141.56度，按深圳電費0.9元/度，折合節(jié)省電費為1141.56x0.9=1027.404元。

對于超級電容儲能型裝置，效率大于等于99%，取效率為99%，由于不存在變壓器等裝置帶來的損耗，因此實際每天儲能裝置節(jié)省的電能值約為1782x99%=1764.18度，按深圳電費0.9元/度，折合每天節(jié)省電費為：1764.18x0.9=1587.762元。

根據(jù)上述分析，得出采用同等MW級的超級電容儲能裝置相比逆變回饋型，每天單個站點多節(jié)省560.358元。

超級電容儲能系統(tǒng)更具競爭力

通過上面的對比分析與計算，可以看出采用超級電容儲能的再生制動能量回收利用裝置，具有比較好的節(jié)能效果，即使考慮價格因素，和其它回收利用裝置相比也具有競爭力。

審核編輯：湯梓紅