轨道交通车辆再生制动能量及利用率的仿真研究

肖宏榕

肖宏榕

深圳市地铁集团有限公司运营总部广东深圳518000

摘要：伴随着社会的快速进步，经济的迅猛增长，如今我国的轨道交通也迈向了快速发展的阶段。轨道交通车辆再生制动能量及利用率也越来越成为了人们关注的重点。为了能够改善目前轨道交通车辆再生制动能量的利用率，达到更好的节能减排效果，本文将对轨道教育车辆再生制动能量及其利用率等相关问题进行研究和分析。

关键词：轨道交通；再生制动能量；利用率

引言

我国的轨道交通正在快速发展的阶段，能源的消耗也成为了一项重要的问题。根据现今的轨道交通发展现状来看，我国的城市轨道交通普遍采用了直—交变压变频的技术工艺，而城市轨道交通车辆大多选择再生制动以及机械制度联合的制动方法。城市轨道交通车辆再生制动能量的整个阶段，车辆在运作的过程中能够产生一定的电能，这些产生的制动能量可以给车辆牵引提供很大的能量。因此，轨道交通车辆再生制动能量以及其利用在车辆运作中很重要。

一、轨道交通的发展状况

1.1轨道交通的起步阶段

伴随着城市化进程逐渐的加快，城市轨道交通也随之逐渐繁荣发展起来，城市的规模格局逐渐扩大，数量也在不断的增多，为了减轻城市交通的压力，提高人们的生活水平，更多的轨道交通被逐步建立起来。在工业革命时期，第一条铁路出现在了人们的视线中，也由此迎来了铁路交通的时代，由于当时科学技术水平的局限轨道交通存在较多的不足，例如车速较慢、经常晚点、噪音很强、乘车舒适度差等，但由于它极大的提高了人们出行的效率，给交通带来了较好的便利，从而被人们广泛的接受并不断的得到发展。

1.2轨道交通的发展阶段

轨道交通的出现至今已经有一百多年的历史，由于二战的原因，轨道交通的发展曾一度受其影响呈现出停滞状态，但战争结束后，人们生活水平的不断提高，经济的迅猛发展，人口规模的不断上升，促进了轨道交通的繁荣发展。由于机动车的大量增多导致交通事故以及交通拥挤等问题频发，这也促使人们更多的将目光集中到便捷、稳定的轨道交通上。轨道交通较之机动车具有高校、便捷、快速、污染小等优势，因此被人们重视。现今各个国家城市都在依靠建设城市轨道交通的方式来环节交通的压力，提高人们出行的水平。现今大多数城市采用以地铁为主，其他轨道交通为辅的城市轨道交通建设方案，因此，轨道交通的出现为城市的交通做出了极大的贡献。

1.3我国轨道交通发展的现状

在现今的经济发展条件下，轨道交通已经成为了人们生活中重要的一部分。在过去我国的轨道交通发展几乎处于停滞的状态。虽然我国早起曾建设了轨道电车，但其运行效果较差，最后甚至被淘汰。改革开放以后，我国各方面都得到了迅猛的发展，交通更成为经济建设中的关键环节。在发展过程中政府充分的认识到轨道交通对于人们生活以及经济发展的重要意义，便积极的展开轨道交通建设，甚至将“发展城市轨道交通”列入了纲要中。现今，我国的轨道交通已经迈入了蓬勃发展的阶段，各个城市的轨道交通建设都如火如荼的展开，施工技术水平也逐渐提高，轨道交通越来越成为人们生活中重要的部分。在轨道交通繁荣发展的现实条件下，研究并分析轨道交通的相关技术水平，了解轨道交通车辆再生制动能量及利用率对轨道交通的发展有着重要的意义和作用，同样对人们生活水平的提高以及经济的发展有着积极的促进作用。

二、轨道交通车辆再生制动能量及利用率的仿真研究与分析

2.1轨道交通车辆再生制动能量仿真研究的依据

轨道交通车辆再生制动能量中的一部分能够被相同供电区间中的另一车辆所利用，而无法被利用的制动能量一般会导致牵引电网的电压升高，因此需要借助某种方法将其利用或者转移。现在我国的轨道交通大多数选择安装电阻来消耗多出的再生制动能量，这不仅造成了能力的浪费还可能影响到制动能量的再生，且导致热能的产生从而增加散热的负担。所以，对再生制动能力进行高效的利用，合理的回收是提能源利用率，达到节能减排效果的最佳方式。下面将会依据一千五百伏特的轨道直流供电系统，通过对锂电子电池储能系统对再生制动能力利用率的研究与分析，从而达到对轨道交通再生制动能量及利用率的仿真研究。

2.2再生制动能量的利用方案

在现今的技术水平下，轨道交通车辆再生制动能量的回收利用大多采用逆变回馈型以及电能存储型这两种主要的方法。较为先进的锂离子电池是现今发展较为好的储能工具，锂离子电池具有较大的容量且功率也较强，自身条件较为符合轨道交通再生制动能量吸收与释放的要求与需要。锂离子电池能够较好的储藏能量，其系统具有双向DC/DC变换器以及储能装置两个组成要件。把锂离子电池通过串联形成一个电池组，利用它的转换器然后与轨道交通直流牵引电网相连接，借助对双向DC/DC变换器的掌控，能够达到对再生制动能力的储存以及回收的效果。

三、再生制动能量及利用率的仿真分析

3.1轨道交通车辆制动的过程

轨道交通车辆在制动过程中往往分为了三个步骤，首先是在车辆制动开始阶段选择再生制动，再生能量不但能够提供车辆的辅助用电，还可以输送一定的电能到牵引电网中。由于速度的减缓，再生能量无法输入至电网中，则只能用在车辆的辅助用电中。在车辆的速度减缓至每小时五千米的时速一下时，车辆需要选择机械制动停车。在制动的开始阶段，车辆电机通过有效的运作将一些动能转化为电能。

3.2轨道车辆运行阻力

轨道车辆运行阻力主要涵盖了摩擦产生的阻力以及轨道路线弯曲产生的阻力。在仿真研究情况下只考虑车辆运行遇到的基本阻力。基本阻力由Fｆ表示，基本阻力与车辆运行速度V之间的关系能够表示成公式一：Ff=a+bv+cv2轨道交通车辆在制动的整个阶段，如果在垫支动力以及运行所受到的阻力共同作用下导致其速度减缓，而轨道交通车辆在再生制动期间有公式二：m=-FＢ-Fｆ＝-FＢ-a-bv-cv２表示。其电制动力由FB表示；车辆速度由v表示；车辆加速度由表示。

3.3再生制动能力仿真结果分析

依照轨道交通车辆制动的过程以及方式特点，按照再生制动能量的仿真方案，将某市地铁四号线作为案例对制动能量进行较为精确的计算。某市地铁四号线的总体重量约为176.1吨，制动力大小为176kN，该车辆运行所受到的阻力可以表示为：Ff=20.286+0.3822v+0.002058v2。此次仿真研究计算时选择车辆的初始制动速度九十千米每小时，逆变器效率是0.95，辅助设备的用电是44.55千瓦。则电击的效率可以表示如下：

根据上面算是能够知道回馈至直流牵引电网的制动最大功率约为3.1*103千瓦，再生制动猛烈是3.414*104千焦。根据计算所得出的结果能够发现仿真研究与实际测量结果较为一致。

3.4再生制动能量利用率

因为轨道交通车辆的发车间隔大概在三至七分钟的时间范围内，因此相同的供电区间内车辆制动以及加速运行同时进行的状况较为常见。车辆再生制动能量被直流牵引电网所利用过程中，一些能量可能会被其他车辆所利用，剩下的制动能力便能够借助电池储能设备进行存储，所以再生制动能力利用率对于电池储能系统的设计有着重要的意义。

四、结语

在现今技术水平的局限下，我国轨道交通车辆再生制动能量的利用率不能满足节能减排的要求，需要进一步的改进与完善才能更好的达到节能的效果。本文通过对轨道交通车辆再生制动能量及其利用率进行简要的仿真研究与分析，更全面的了解了再生制动能量的相关问题，从而更好的促进轨道交通的发展。

参考文献：

[1]林仕立，宋文吉，胡婧娴，等.轨道交通车辆再生制动能量及利用率的仿真研究；城市轨道交通研究；2014-05-10.

[2]柏业金.城市轨道交通车辆再生制动能量的分析与存储系统的研究；西南交通大学；2013-10-25.

[3]许爱国.城市轨道交通再生制动能量利用技术研究；南京航空航天大学；2009-09-01.