基于全壽命周期的地鐵再生能量利用效益分析

曲尚開

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，710043，西安∥高級工程師)

節能減排為我國的基本國策。地鐵在為市民提供便利交通的同時，也消耗著大量的電能資源。為節約能源，除加強管理、盡量減少能源消耗外，還應加強對地鐵再生能源的利用。對地鐵系統而言，車輛再生制動產生的反饋能量十分可觀，這些再生能量除被列車自用電消耗一部分外，還有一定比例被其他相鄰取流列車吸收利用，其余再生能量如果能被合理利用，其經濟效益是相當可觀的。

本文以西安某地鐵線路為例，進行地鐵再生能量效益分析。該地鐵線線路全長35.2 km，均為地下線路，共設車站28座。正線設置13座牽引變電所，車輛段和停車場分別設置1座牽引變電所。接觸網采用DC 1 500 V架空剛性懸掛方式。

1 再生能量與列車運行的關系

1.1 地鐵列車制動過程

當列車進站前開始制動時，列車停止從接觸網受電，牽引電動機轉變為發電機工況，將列車慣性運行的動能轉換為電能，發電機制動力使列車減速，此時列車向接觸網反饋電能(如圖1所示)。若鄰近無列車吸收再生能量，會造成接觸網電壓升高，在使用車載電阻情況下，控制回路自動接通制動電阻消耗回路，以降低網壓。制動電阻安裝在車體底架上的牽引逆變箱外，制動電阻由不會被磁化的鎳鉻合金制成。在使用電阻制動時會產生大量的熱量，制動電阻通過一個1 500 W三相風機進行強迫風冷。

圖1 再生制動過程示意圖

1.2 再生能量與列車運行的關系

為比較準確地論證再生能量消耗過程，結合西安某地鐵線路，對再生能量與列車行車追蹤間隔關系、再生能量大小等問題進行分析。該線路采用B型車，最高運營速度80 km/h，編組形式為4動2拖。當列車實施電制動時，有反向電流向接觸網饋出。利用列車仿真軟件模擬該線路列車運行情況(以1個區間為例)，仿真列車運行工況～速度曲線見圖2。

圖2 列車運行工況與速度曲線

由圖2可知，列車開始制動的初始速度一般在60～70 km/h，計算時取中間值65 km/h。查閱機車牽引電機制動電流曲線可知，這一速度對應的制動電流為3 600 A。根據列車運行仿真結果，本線旅行速度為41 km/h。該線路正線均為地下線路，按剛性懸掛接觸網計算，其接觸網阻抗為0.014 3 Ω/km;正線按60 kg鋼軌考慮，其阻抗為0.028 Ω/km。

根據供電仿真計算結果，列車正常運行時，接觸網平均電壓為1 450 V左右，一般列車由再生制動轉入電阻制動的網壓為1 800 V，兩者差值為350 V。若要再生能量不被自身車載電阻消耗，列車的鄰近必須要有其他列車取流，并且其所處位置應在由再生電流產生接觸網縱向壓降不超過350 V的位置;若超出此范圍，則因制動列車附近無取流列車拉低電壓，再生制動則轉入電阻消耗能量的制動狀態。

根據以上數據，可以計算出，當列車開始制動時，保證臨近有運行列車吸收再生能量的交路，該交路排布需滿足的最大追蹤間隔為:

式中:

U差——電壓差;

Z網——接觸網電阻;

v旅——列車的旅行速度。

也就是說，在理想情況下，若列車行車追蹤間隔大于9.95 min，列車制動所產生的再生能量將無法被臨近運行的列車吸收，只能接通制動電阻進行消耗。該線路初期的列車行車追蹤間隔為5 min，近期的追蹤間隔為4 min，遠期的追蹤間隔為4 min。根據追蹤間隔推算，在理想狀態下，列車運行中所產生的再生制動能量能夠被臨近的列車吸收，但地鐵線路區間長短不一，最理想的運行圖并不易得到，實際吸收效果達不到理論計算結果。

2 再生能量利用分析

在地鐵線路的運營初期，列車再生能量被本線其它列車吸收的概率是相當可觀的。但在地鐵線路的試運營期間，由于行車密度比較稀疏，追蹤間隔一般在10 min以上，列車再生能量基本要靠電阻消耗。以下對各運營期間電阻消耗電量的情況進行分析。

2.1 試運營期間電阻消耗電量及折算電費

根據列車仿真計算結果，該線路1列列車上下行方向耗電量為1 826 kWh，再生制動能量為585 kWh，再生制動能量約占牽引耗電量的31%。假設試運營期間列車全天運行10 h，列車追蹤間隔為12 min，全日發車量為50對列車。由于試運營期間列車的追蹤間隔遠大于9.95 min，可以認為列車的再生制動能量全部需要車載電阻消耗，因此全年電阻消耗的電量為:Q=N×Q電阻×365=10 676 250 kWh(N為列車對數;Q電阻為電阻消耗的電量)。若按電費收取標準1 kWh為0.7元計算，其全年消耗電的費用為7 473 375元。

2.2 初、近、遠期電阻消耗電量及折算電費

根據廣州、上海等地的實際測試數據，在追蹤間隔相對緊密的情況下，制動電阻所消耗的能量約占整個再生制動能量的4% ～8%，取中間值6%，可計算得出消耗在制動電阻上的能量約為35 kWh。根據該線路的行車資料，運營初期全日發車量為150對，全年電阻消耗電量為:Q=N×Q電阻×365=1 916 250 kWh。若按電費收取標準1 kWh為0.7元計算，則初期全年消耗電的費用為1 341 375元。運營近期全日發車量為204對，全年電阻消耗的電量為:Q=N×Q電阻×365=2 606 100 kWh。運營近期全年消耗的電的費用為1 824 270元。運營遠期全日發車量為246對，全年電阻消耗的電量為:Q=N×Q電阻×365=2 555 000 kWh。運營遠期全年電阻消耗電費為1 788 500元。

2.3 車載制動電阻和散熱風機的輔助能耗及折算電費

每輛動車自重約35 t，拖車自重約30 t，按額定載客1 440人，每人60 kg計算，一列車在額定載客情況下的總重約為286 t。結合前述1列列車上下行耗電量可計算得出:列車單趟上下行折返消耗能量約為7 kWh/t。

每輛動車安裝有1組制動電阻及相應的軸流冷卻風機，其質量約為400 kg，4輛動車相應的制動電阻設備質量約為1.6 t，據此可計算出由制動電阻設備引起的牽引能耗為10 kWh。結合全日行車對數可計算出相應的年耗電量。車載電阻大都采用強迫風冷，風機功率約1.4 kW。根據該線路牽引模擬計算結果，單列車上下行1個折返投入制動電阻消耗的累積時間約15 min，可以認為與風機運行時間相同。這樣，可計算得出各運營期間因車載電阻質量及風機所增加的電耗及費用(見表1)。

表1 各運營期間由車載電阻所引起的費用

2.4 車載制動電阻購置費用

每輛動車的電阻器及其斬波控制器的費用約為15萬元，每列車按4動2拖計算，若列車取消車載制動電阻，則每列車可節約采購費用約為60萬元。具體按各運營期間根據行車配屬列車數量計算，可節約列車采購費用見表2。

表2 取消車載制動電阻可減少的列車購置費用

2.5 再生利用裝置采購費用

目前再生能量利用裝置形式主要有混合逆變型、電容儲能型、飛輪儲能型、蓄電池儲能型等形式。就國內產品而言，混合逆變型產品已在某些城市地鐵線路采用，技術相對較成熟，故本文以混合逆變型為例進行投資分析。該線路共設置15座牽引變電所，按每座牽引變電所均設置再生利用裝置考慮，其投資費用見表3。

表3 再生利用裝置采購費用

2.6 牽引變電所設置再生利用裝置所增加的房屋建筑費用

牽引變電所安裝混合逆變型再生裝置，需增加約70 m2的面積安裝相關設備，由此引起的土建費用見表4。

表4 牽引所設置再生利用裝置所增加的房屋建筑費用

2.7 環控投資影響

若將混合逆變裝置中的電阻設置于地面，雖在一定程度上可以降低環控投資，但電阻所散發的熱量、強迫風冷風機所產生的噪聲，將對周邊居住人群產生不良影響，故而按設置于牽引變電所內部考慮。無論采用車載還是在牽引變電所設置混合逆變裝置，均有電阻發熱。車載電阻造成隧道內溫度升高，而混合逆變型設備將造成牽引變電所設備房屋溫度升高，均需增加適當的環控設備，或者提高其容量。并且相應的這部分環控設備需要消耗電能，綜合考慮其費用見表5。由表5可以看出，兩種方式對環控系統而言，費用基本相當。

表5 環控費用

3 全壽命周期費用比較

按一般電氣設備壽命計算，車載電阻、環控設備、混合逆變裝置壽命均按25年考慮，則設備安裝至近期運行年度結束正好為25年，此期間設備不用更換。地鐵工程為百年工程，假設其使用期限為100年，進入遠期運營后，將有75年的運營時間，此期間設備需更換3次。混合逆變裝置出于保護逆變電子器件的目的，其控制對短時大功率回饋電流接通電阻消耗，據統計，逆變轉換能量能達到再生回饋能量的70%。綜合考慮這些因素，綜合投資及效益比較見表6。

表6 不同再生能量轉換方式下全壽命周期投資效益表

從表6的數據可以看出:若采用牽引所內設置混合逆變裝置的方式，至初期運營結束，其投資效益還未體現出來;但從近期開始，其投資效益明顯體現;至近期運營結束，相對車載制動電阻的方式，可產生7 894萬元的效益;至整個工程結束時，可產生79 693萬元經濟效益。

4 結語

在牽引變電所安裝再生能量利用裝置、取消車載制動電阻的運營方式，從初期投資來看，增加了地鐵建設的投資，但從地鐵工程全壽命周期成本的角度來看，其效益是非常顯著的。

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