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地铁制动能量分析及再生技术研究
摘要:针对目前国内城市轨道交通采用电阻吸收方式存在的浪费能量及需加装散热设备的缺点,提出了采用电容吸收的方案,该方案充分利用了制动能量,减小了环境污染。该方案利用 Simulink 工具建立了地铁制动动态模型,通过仿真得到了地铁在不同初速度下产生的制动能量,仿真结果表明对制动能量进行回收利用将带来巨大的经济效益。关键词:制动能量;再生技术;电容吸收;轨道交通
0 引言
城市轨道交通工程中,普遍采用直?交变压变频的传动方式,车辆的制动方式为电制动(再生制动)+ 空气制动,运行中以电制动为主,空气制动为辅。列车在运行过程中,由于站间距较短,列车启动、制动频繁,制动能量相当可观。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[1]。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。
1 制动能量回收方案
目前,吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等4种[2]。其中电阻耗能型是将制动能量消耗在吸收电阻上,这是目前国内外应用比较普遍的方案,该方案控制简单、工作可靠、应用成熟,其主要缺点是该方案只能将电能转换为热能排掉,造成能源浪费,而且电阻散热会导致环境温度升高,因此需要相应的通风装置,即增加了相应的电能消耗;电容储能型是将制动能量吸收到大容量电容器组中,当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去,其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组,且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短;飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样,只是储能元件为飞轮电机,但由于飞轮长时间处于高速旋转状态,且飞轮质量也很大,故摩擦耗能问题严重,飞轮工作寿命短;逆变回馈型是将车辆制动时的直流电逆变成工频交流电与车站内380 V电网并网,将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上,该吸收方案有利于能源的综合利用,实现了节能,但是技术复杂,设备投资很大。综上所述,除电阻耗能型外其余3种方案都充分利用了再生能量,但也均有各自的缺陷,因此目前国内尚无相应的成熟产品。但从能源的角度看,这是个必然的发展趋势,因此有必要对其进行深入研究。比较分析以上4种吸收方案可知,如能找到一种容量大、体积小、寿命长的电容器,则电容储能型的问题就可以解决,最近出现的超级电容是一种先进的高能量储存元件,具有以下特点:(1)电容量大,比普通电容器的容量提高了
3~4个数量级,目前最大容量可达5 000 F;
(2)充放电寿命很长,可达500 000次,可提供千安以上的放电电流;(3)充电迅速,使用便捷,可在数十秒到数分钟内快速充电;(4)串并联组合方便[3]。
综上所述,电容吸