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城市轨道交通逆变回馈型再生制动能量吸收装置：原理、应用与展望

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1城市轨道交通发展现状

随着全球城市化进程的加速，城市人口数量急剧增长，交通拥堵和环境污染等问题日益严重。城市轨道交通作为一种高效、快捷、环保的公共交通方式，在世界各地得到了广泛的发展。目前，全球已有众多城市建设了地铁、轻轨、有轨电车等轨道交通系统，运营里程不断增加。例如，纽约地铁系统是全球最错综复杂且历史悠久的公共地下铁路系统之一，其线路网络广泛覆盖纽约市，为大量市民和游客提供出行服务；伦敦地铁作为世界上第一条地铁，历经多年发展，同样形成了庞大的运营网络，在城市交通中发挥着关键作用。

在我国，城市轨道交通也迎来了快速发展的黄金时期。自北京地铁1号线于1969年建成通车以来，城市轨道交通建设在国内各大城市稳步推进。截至2023年底，中国内地累计有58个城市开通城轨交通运营，运营线路总长度达到10287.45公里，车站总数达到6262座，配属车辆达10655列。其中，地铁依然占据主导地位，运营里程占比约70%。近年来，我国城市轨道交通的建设速度持续加快，每年新增运营线路和里程不断攀升，如2023年当年就新增运营线路长度1094.85公里。城轨交通在我国城市交通体系中的地位愈发重要，已成为缓解城市交通拥堵、优化城市空间布局、促进城市可持续发展的重要支撑。以北京、上海、广州等一线城市为例，城市轨道交通承担了大量的客运任务，在早晚高峰时段，更是城市公共交通的主力军，有效保障了城市居民的日常出行需求。

1.1.2再生制动能量吸收的必要性

城市轨道车辆由于站间距较短，在运行过程中需要频繁启动和制动。相关研究数据表明，地铁列车制动能量一般可达到牵引能量的20%-40%，这部分能量若得不到有效利用，将造成极大的浪费。目前，国内地铁车辆普遍采用电阻式再生制动吸收装置，当列车制动时，牵引电机工作于发电机状态，产生的再生电能通过制动电阻以发热的形式消耗掉。这种方式不仅导致能源白白浪费，还会带来一系列其他问题。例如，制动电阻散发的热量会使隧道内温度升高，加重了空调和通风设施的负担，进一步消耗大量电能；同时，列车安装车载电阻后，车辆重量增加，这不仅会影响列车的运行效率，还可能增加车轮与轨道之间的磨损，缩短设备使用寿命。

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10min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，变成热能并向四周散发，这必将使隧道和站内的温度升高。因此，合理利用列车的再生制动能量，对于提高能源利用效率、降低运营成本、减少环境污染具有重要意义，研究再生制动能量吸收装置迫在眉睫。

1.1.3研究意义

逆变回馈型再生制动能量吸收装置的研究具有多方面的重要意义。

在节能方面，该装置能够将列车制动时产生的直流电能逆变成工频交流电，并反馈回交流中压环网，供城市轨道交通中的其他用电负荷使用，如车站内的电梯、照明、通风等设备，实现了能量的二次利用，大大提高了能源利用效率，有效减少了对外部电网的电能需求。据相关实际案例统计，某地铁线路安装逆变回馈型再生制动能量吸收装置后，再生制动能量回馈至33kV母线的电量占牵引电量的平均比例可达6.73%，最高可达11.48%，节能效果显著。

从环保角度来看，传统电阻耗能型再生制动方式将大量电能转化为热能散发，导致隧道内温度升高，需要增加空调和通风设备的运行功率来调节温度，这不仅消耗更多电能，还间接增加了碳排放。而逆变回馈型装置减少了电阻发热带来的能源浪费和温度升高问题，降低了空调通风系统的能耗，从而减少了碳排放，对环境保护具有积极作用。

在经济层面，一方面，通过回收利用再生制动能量，降低了地铁运营的能耗成本，长期来看，可为轨道交通运营企业节省大量的电费支出；另一方面，减少了因电阻发热导致的空调通风设备额外能耗，降低了设备的运行维护成本。此外，该装置的应用还可以延长列车相关设备的使用寿命，减少设备更换和维修费用，具有显著的经济效益。综上所述，研究逆变回馈型再生制动能量吸收装置对于城市轨道交通的可持续发展具有至关重要的意义。

1.2国内外研究现状

城市轨道再生制动能量吸收逆变装置的研究在国内外都受到了广泛关注，取得了一系列成果，并且在实际应用中不断发展。

在国外，欧美和日本等发达国家和地区较早开展了相关研究，并取得了显著成果。德国在轨道技术和运营管理方面处于世界前列，对再生制动能量吸收逆变装置的研究注重与整个轨道交通系统的融合，以提高能源利用效率和系统稳定性。法国的城轨交通注重技术创新和服务优化，在逆变装置的设计上，追求更高的能源转换效率和更好的电能质量，其研发的装置在