电气化铁路再生制动能量的产生与利用

学术论文 2018-02-11 11:00:33
    引言
    电气化铁路以电力为动力来源,有着能耗小、功率大、加速快、运输能力强等经济技术上的优越性[1]。随着我国交通运输现代化进程的不断推进,电气化铁路也向着信息化、高速化和重载化的方向飞速发展。但与此同时,交通运输所带来的高耗能将加重当前各类资源面临枯竭的现状。如何更有效、合理地利用能源,是整个社会乃至全世界需要正视并亟待解决的问题[2]。可再生能源对环境没有危害或危害极小,并且可以循环使用。再生制动技术是一种在电机车制动时,将动能转化存储为电能的制动手段,是一种可再生能源。因此,充分利用可再生能源是应对资源匮乏的最有效措施之一[3]。再生制动技术是一种在电机车制动时,将动能转化存储为电能的制动手段,是一种可再生能源。研究如何回收、存储和高效地利用再生制动能量,是目前交通节能技术的关键问题。
    20世纪60年代末,日本的电力机车广泛使用了励磁变流控制系统。该系统可以在机车到站停车过程中,产生再生制动作用,为后续再生制动技术的发展和研究奠定了基础[4]。随着电力电子器件的快速发展,4500V门极可关断晶闸管(GTO)的诞生以及投入使用,很大程度上推动了再生制动技术的发展和应用[5]。此后,多个国家开始研究再生制动技术,并将其应用于高速列车,以节约电能。如德国ICE系列城际快车尾部的动力车运用了再生制动技术,随后节约了34%的电能[6]。法国、瑞典、英国等发达国家的高速列车制动方式大多以再生制动技术为主,电阻制动、空气制动或盘形制动为辅[7]。我国自SS7型电力机车采用再生制动技术后[8],自主研发了“和谐号”系列动车组列车,其制动手段也均为再生制动。由于高速动车组运行速度快、功率大、负载重,列车制动时将施加很大的制动力,由此产生的制动能量也将远大于普通列车。再生制动技术不仅可以提供列车制动时必要的制动力,还可以产生清洁的电能,保障了高速动车组的安全、高效与可靠运行,也提高了能量的利用率。这正是再生制动技术在高速动车组中得以广泛利用的主要原因[9]。
    1 牵引供电技术概述
    1.1 同相牵引供电系统
    图1为同相牵引供电系统的结构。牵引供电系统主要由牵引变电所、牵引网和辅助供电设施组成[10],是连接三相电力系统和电力机车内所有电气设备与机械设备的总称,起到了变压、变相和传输电能的作用。当机车用电时,电网通过接触网向机车供电;当电力机车产生再生制动能量时,将反馈电能到电网。
    1.2 网侧电路
    图2称为电力机车的网侧电路,其主要功能是由网侧获取电能[11]。两节机车间的网侧电路通过车顶的高压连接器相连,因此,仅通过一个受电弓就可以满足整台机车的供电要求[12]。电力机车的受电弓从接触网获得电能;电流流经电力机车后,通过轮对传导给钢轨,经由轨道以及大地流入牵引变压器,构成电气回路。
    2 牵引变流装置概述
    机车上可四象限运行的牵引变流装置为再生制动能量的产生提供了基础。牵引变流装置的原理图如图3所示,其由一个四象限整流器、一个中间直流环节和一个三相PWM逆变器组成。
在电力机车上坡行驶时,四象限整流器进行“交-直变换”,交流电网经过整流电路给直流电动机供电,机车将电能转变为位能。电力机车下坡时,电动机作为发电机运行,产生制动效果,四象限整流器进行“直-交变换”,发电机产生的直流电经过逆变电路变成交流电,送到电网中去,即将机车的位能转变为电能,此时电路处于再生制动状态[13]。中间直流电路的作用是将直流电压稳定在规定范围内、向牵引电机提供无功功率、降低谐波含量。三相PWM逆变器将直流电压变换为电压和频率可变的三相交流电,为牵引电动机供电,并进行速度特性控制。若反馈到受电弓的电能被同一供电臂下的牵引机车直接利用,则不需要增加任何设备,节约成本,较为高效。这种方法的前提是在同一供电臂下在处于牵引工况的机车和处于再生制动工况的机车同时存在。通过调整机车运行图,可以加大同一供电臂下两类机车同时出现的时间,使得牵引机车和制动机车在同一供电臂下同时出现的概率变大,提高再生制动能量的利用率[14]。
    3 结束语
    本文分析了电气化铁路再生制动能量的产生与利用,对研究再生制动能量的回收利用奠定了基础。
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