高速列车再生节能技术综述

袭,望

摘要：我国高速铁路建设规模持续扩大，在碳中和的大背景下，高速铁路日益增长的能源需求使高铁能耗问题愈加凸显，如何经济有效实现再生制动能量的利用是我国高铁发展过程中绕不开的问题。根据再生制动能量利用方式的区别，对能耗型、回馈型和储能型再生能量利用技术的发展现状进行分析，为完善高速铁路节能体系提供有价值的借鉴。

关键词：电气化铁路；再生制动；碳中和；节能减耗

1引  言

我国高速铁路建设规模持续扩大，截至2022年年末，我国铁路营业里程达到15.5万公里，其中高铁4.2万公里。同时动车保有量超过4000组[1]。在碳中和的大背景下，高速铁路日益增长的能源需求使高铁能耗问题愈加凸显，我国高速列车普遍采用再生制动的方式实现列车制动，在制动过程中牵引电机会转化为发电机将列车的动能与势能以电能的方式反馈至牵引网[2]，如何经济有效实现再生制动能量的利用是我国高铁发展过程中绕不开的问题。

当前，我国高铁再生制动送至牵引网的能量只能靠同一供电臂上列车吸收，剩余能量经牵引变压器返送至电网。但高速列车速度较快，且由于区间的设置，一般同一供电臂上存在多辆列车的情况比较少见，因此再生制动产生的能量更多的是直接回馈至电网。但由于高铁的再生制动能量具有功率幅值大、波动剧烈等特点[3]，直接回馈至电网并不利于电网系统的稳定性。而相较于我国地铁较为成熟的再生能量利用方案，在交流电气化铁路领域中，如何实现再生能量利用应用仍处于研究阶段。因此，如何利用再生制动能量实现高速列车的节能减耗具有重要的研究意义[4]。

我国地铁的供电制式为直流电压750V和1500V，地铁产生的再生制动能量幅值远小于高铁，所以装置的容量更小，电路结构与控制系统相对简单。我国电气化铁路采用单相27.5kV的工频交流电，且高铁的再生制动能量具有功率幅值大、波动剧烈等特点，这些特点增加了适用于高速铁路的再生制动能量回收装置的设计难度。目前已有文献研究应用于高速铁路的再生制动能量利用方案，国内外均有各种高速铁路再生制动利用的工程实例，其中按照再生制动能量利用方式又分为能耗型，回馈型和储能型三种。基于以上分析，本文从再生制动能量利用方式的角度分析当前再生节能技术的种类以及性能，并对各个技术的发展现状进行总结。为完善高速铁路节能体系提供有价值的借鉴。

2能耗型再生能量利用技术

能耗型再生制动能量利用技术通过耗能装置实现再生能量的就地消纳。这种以损耗形式处理再生制动能量的方法，并没有对能量进行合理利用，反而带来一些弊端，例如会引起装置温度的升高，增大通风系统的二次能耗，造成更多的电能浪费。因此不代表再生能量利用技术的发展方向。

图1 能耗型再生制动技术原理图

能耗型再生制动能量利用系统的基本结构如图所示，当电力机车进行制动操作时，接触网电压会

因再生制动功率大量返还急剧升高。电阻制动装置则在牵引网压瞬时值超过给定的电压参考值时启动。针对机车制动能量的时变性，电阻制动装置可通过控制斩波器P导通时间调节电阻制动装置吸收的制动能量，以使接触网电压恢复至稳定值[5]。

在国内，己有厂家（株洲时代、湖南衡信等）研制出纯电阻型再生制动能量吸收装置并投产使用。国内重庆地铁就采用电阻方式，目前运行效果良好。另外，天津地铁1号线、广州地铁4号线也采用此种方式并投入运行，首都机场线也采用这种方式。

3回馈型再生能量利用技术

回馈型再生能量利用技术是直接对列车反馈至27.5kV牵引网上的能量进行利用的技术[6]。回馈型再生能量利用技术主要分为两种，一种是直接回馈型再生能量利用技术，如图3.1所示，通过多列车运行优化，使同一供电臂上列车的再生制动能量能够被其他处于牵引工况的列车吸收，剩余能量回馈至电网；另一种是独立站点型再生能量利用技术，如图3.2所示，将列车再生制动能量回馈到特定电压等级的电网，比如将再生制动能量回馈到10kV贯通线，用于铁路沿线照明监测等系统[7]。

图3.1 直接回馈型再生能量利用技术原理图

图3.2 独立站点型再生能量利用技术原理图

值得一提的是，目前也有一些研究将直接回馈型再生能量利用技术与储能型再生能量利用技术相结合[8][9]，形成再生能量复合利用系统。再生能量优先供给线路上其他列车，剩余能量通过储能介质进行储能。或通过变流装置实现再生制动能量的跨供电臂的直接回馈，剩余能量利用储能介质进行储能，原理如图3.3所示。

图3.3 再生能量负荷利用系统原理图

在国内，回馈再生能量利用技术在城市轨道交通已经得到应用，如天津3号线和广州5号线等。通过逆变器将再生直流电能逆变成交流电能回馈至变电所交流电网或中压网络。但高速铁路主要通过直接返还至公共电网方式对制动能量进行处理。

4储能型再生能量利用技术

随着储能技术的发展[10]，储能技术越来越多地运用于牵引供电系统，其基本原理如图

4.1所示。当列车进入下坡区段时，机车进行再生制动，储能系统工作在储能状态并吸收再生制动能量；当列车进入到上坡区段时，列车进入牵引工况，储能系统则切换到能馈状态将存储能量进行释放[11]。

储能型再生能量利用技术按照储能介质种类不同，可以划分为电化学储能，超级电容储能，超导电磁储能和飞轮储能等。储能介质即能量存储的载体，是储能系统的重要组成部分[12]。不同的应用场景对储能介质的特性有着不同要求。本节将从不同储能介质的特性入手，分析各个储能方式在轨道交通系统中的应用现状与前景。

图4.1 储能型再生能量利用技术原理图

（1）电化学储能

电化学储能主要包括蓄电池储能和锂电池储能。蓄电池储能作为传统的储能方式[13]，储能介质种类繁多，各有特点。液流电池可深度放电，循环寿命长，电池系统环保安全，但是储能密度不高，需要辅助液泵；铅酸蓄电池技术成熟，响应速度快，造价便宜，往往作为高速铁路动车组辅助蓄电池，但是体积大，质量重，循环寿命短，维护困难[14]；相比铅酸电池，碱性镍镉电池功率密度相对较高、使用寿命较长，但存在记忆效应，对环境污染大[15]，难以适应高速铁路工况频繁切换的场景。

锂电池能量转换效率高，质量轻，响应速度快，储能密度较高，循环寿命较长，是目前综合性能最好的蓄电池，但是其造价昂贵，且不能大电流充放电，容易爆炸。

总的来说，化学电池功率、能量密度较低，充放电循环寿命有限，大量使用电池对环境造成污染，而轨道交通起制动频繁，再生制动能量功率较大，因此蓄电池储能系统在该领域的使用受到很多限制。

（2）超级电容储能

相比于蓄电池储能，超级电容储能具有充放电迅速，功率密度高，受温度影响较小的优点[16][17]，目前,在超级电容器产业化方面,美国、日本、俄罗斯处于领先地位,几乎占据了整个超级电容器市场。这些国家的超级电容器产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势。从目前的情况来看,实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器。在我国,上海奥威科技开发有限公司、北京集星科技公司等诸多厂家也已研发出高性能的双电层电容器,并己开始批量生产。

以双电层电容器为代表的超级电容具有很高的功率密度，循环次数远远高于化学电池[18]。但双电层电容器重量大，能量密度低且成本较高的特点限制了其的大规模推广和使用。

（3）超导电磁储能

超导电磁储能利用超导线圈储存磁场能量，通过电力电子变流器与电力系统连接，构成既能快速储存能量又能快速释放能量的快速响应器件。与其它储能系统相比，超导磁储能在理论上可长期无损耗储存能量，其储存和释放过程中效率可达 95%以上，响应速度快，并且无污染，是比较理想的储能装置，最适合短时大功率应用场合[19]。

但是，超导磁储能装置的能量密度比飞轮储能和蓄电池储能低[20]，因此通常与蓄电池储能配合使用，既可以满足高能量密度和高功率密度的要求，同时通过超导的快速响应减少电池的充放电次数，从而可以延长电池的寿命。超导磁储能系统在城轨交通再生制动能量吸收方面具有较好的应用前景，但目前在实用技术上仍存在有一定的困难。

（4）飞轮储能

飞轮储能装置结构如图所示，其工作原理为通过对变电所直流空载电压、母线电压的跟踪判断，确定是否有列车在实施再生制动，且再生电能不能完全被车载制动电阻和相邻车辆吸收。当判断直流母线电压升高到一定值时，飞轮高速转动，存储能量；当判断变电所附近有列车启动时（母线电压降低到一定值），飞轮转速降低，作为发电设备向牵引网反馈电能。除具有电能吸收功能外还具有稳压功能，通过设置运行状态，可在牵引网电压较高时吸收电能、在电压较低时释放电能，稳定电压[21]。但飞轮是高速转动的机械产品，对制造工艺要求较高，需釆用真空环境和特殊轴类制造技术，成本较高。

图4.2 飞轮储能装置主电路图

飞轮储能技术已经在城轨系统中取得较好应用，目前在我国电气化铁路中，兆瓦级飞轮储能技术已经实现应用[22]，且表现出良好的经济效益。

综上所述，高速铁路储能系统工作环境复杂，单一储能介质通常在物理性能方面不能完全兼顾，难以同时达到高性能、长寿命、少维护、低成本的目标，因此需要根据实际场景进行组合以满足高速铁路储能系统的要求。

5结论

再生制动能量的有效利用对于高铁的节能减耗具有重要意义，本文以再生制动能量的不同利用方式入手，对能耗型、回馈型、储能型再生制动利用技术的发展现状和应用前景进行总结。相比于目前在我国轨道交通有较多应用的能耗型再生能量利用方式，独立站点型储能技术能够更加高效地利用再生能量达到节能的目的，但是再生制动能量具有间接性、功率幅值波动大等特点，因此储能系统的引入可以有效解决再生制动能量有剩余时对电网造成的不利影响。通过上述分析可以看出，回馈型和储能型再生能量利用技术的相结合的方式更能代表我国未来再生节能技术的发展方向。

参考文献:

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[4]邓文丽,戴朝华,陈维荣.轨道交通能源互联网背景下光伏在交/直流牵引供电系统中的应用及关键问题分析[J].中国电机工程学报,2019,39(19):5692-5702+5897.

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[6]吴昊. 电气化铁路再生制动能量回馈系统控制技术研究[D].西南交通大学,2017.

[7]吕顺凯．交流电气化铁路再生制动能量利用技术研究[J]．电气化铁道，2019，30(6)：5-10．

[8]央视网．飞轮储能系统首次在电气化铁路实现应用[EB/OL]．(2021-08-12)[2021-08-12]．http://video.sdchina.com/v/34699.html．