電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置的節能分析

周尚明

（重慶軌道交通（集團）有限公司網絡維保公司，400080，重慶∥工程師）

城市軌道交通用電主要有兩個方面，一是車站和線路上的設備用電，二是車輛牽引用電。通過對重慶及全國各城市既有地鐵線路運營情況的調研，發現車輛牽引用電占地鐵總用電量的50%以上。隨著線路開通年限的增加、發車間隔的縮短、發車數量的增多，車輛牽引用電所占比例還將有所增加［1］。

目前，城市軌道交通車輛普遍采用“再生電制動＋機械制動”的制動方式，制動能量可達到牽引能量的30%以上。因此，如何提高車輛制動能量利用率對發展綠色城市軌道交通具有重要的意義。

重慶市在軌道交通3號線設計中，首次研發了電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置，在國內城市軌道交通領域首次將車輛再生制動時產生的電能，通過地面逆變器裝置反饋至車站低壓動力照明系統進行再利用；當逆變電能不能被完全吸收時，利用地面電阻裝置進行吸收。該裝置也已成功地應用于重慶軌道交通1號線中。重慶軌道交通3號線、1號線投入運營以來，該裝置已發揮了重要的節能環保作用。

1 電阻－逆變型制動能量地面吸收裝置原理

1.1 主電路

電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置主電路主要包括：進線直流斷路器QF1、電動隔離開關QS、負極隔離開關 QS2、線路接觸器 KM1和KM21、斬波單元VT11～VT14、吸收電阻RZ1～RZ4、逆變單元VT1～VT8、交流接觸器KM10、隔離變壓器T、400V斷路器QF2及微機控制裝置等。主電路原理圖如圖1所示。

1.2 工作原理

電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置，根據接觸網電壓的波動情況來判斷逆變或者電阻吸收裝置是否投入工作。當電網電壓達到1 400V，地面吸收裝置完成整個裝置投入吸收前的準備工作；為地面吸收裝置設置電網電壓二級判斷基準值后，當電網電壓升到第一級判斷電壓1 680V（可調）時，首先投入逆變裝置吸收；當逆變裝置不能完全吸收該能量時，將引起電網電壓上升，在電壓升到第二級判斷電壓1 700V（可調）時，電阻斬波器立即投入工作，電阻開始消耗制動能量，穩定電網電壓，以確保列車充分有效地利用電制動。吸收判斷基準值將隨整流變壓器一次側的電壓波動而作相應浮動［2］。

1.3 運行模式

圖1 電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置主電路原理圖

該裝置的運行模式有以下三種。

1）工作模式：電阻、逆變同時投入運行，逆變首先吸收，當逆變全功率吸收過剩時電阻補充吸收。

2）故障模式：逆變系統故障時，可退出逆變系統由電阻單獨吸收運行。

3）調試模式：將“工作模式”開關定在“測試”狀態，對逆變裝置，電阻裝置分別設定模擬輸入電流，進行模擬負載試驗，檢測逆變、電阻裝置是否正常。

2 應用分析

2.1 應用現狀

重慶市軌道交通1號線朝天門站—沙坪壩站全長16.5km，14座車站；有6座正線牽引變電所，分別為小什字、七星崗、鵝嶺、歇臺子、高廟村、沙坪壩牽引變電所，共設置6套電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置。車輛段牽引所采用純電阻型吸收裝置。車輛采用B型車，6節編組。每座牽引變電所逆變吸收額定容量為1 200kW，采用8個逆變單元并聯運行；電阻吸收額定容量為2 430kW，采用4支路斬波器加吸收電阻。

重慶市軌道交通3號線二塘站—江北機場站全長39km，有29座車站，11座正線牽引變電所，共設置11套電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置。車輛段牽引所采用純電阻型吸收裝置。車輛采用跨坐式單軌列車，6節編組。正線每座牽引變電所逆變吸收額定容量為900kW，采用8個逆變單元并聯運行；電阻吸收額定容量為1 560kW，采用2支路斬波器加吸收電阻。

2.2 安全性能保障

為了驗證2座牽引變電所電阻－逆變裝置同時退出時對列車電制動是否產生影響，2011年7月26—27日，在1號線鵝嶺站—沙坪壩站區間進行了其中間2座牽引變電所電阻－逆變裝置同時退出2h的測試。區間長10.02km，正線8列車編組上線運行。列車在各級檔位電制動時，鵝嶺、沙坪壩牽引變電所裝置均吸收正常，接觸網電壓也在正常范圍內。沙坪壩、鵝嶺牽引變電所的電網電壓、吸收電流見圖2、圖3所示。

圖2 沙坪壩牽引變電所電網電壓、吸收電流曲線圖

圖3 鵝嶺牽引變電所電網電壓、吸收電流曲線圖

2011年9月23日，在3號線兩路口站—唐家院子站區間進行退出紅旗河溝、牛角沱2座牽引變電所電阻－逆變裝置2h的測試。區間長8.11km，正線7列車編組運行。列車在各級檔位電制動時，區間兩側牽引變電所裝置均工作正常，接觸網網壓控制在正常范圍內。

綜合1、3號線測試結果可知，在正線同時退出2座牽引所電阻－逆變裝置，列車正常電制動時其鄰所的電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置吸收正常。因此，電阻－逆變裝置安裝在正線牽引變電所，完全可以保障列車的安全穩定運行。

2.3 逆變回饋電能的質量（諧波）分析

為確保逆變回饋時400V配電系統電能的質量，對3號線牛角沱牽引變電所進行逆變回饋電能的測試。測試波形圖如圖4、5所示。

圖4 逆變器空載時AC 400V電壓波形圖

圖5 逆變器回饋時AC 400V電壓、電流波形圖

測試結果表明，AC 400V電壓及逆變裝置回饋電流的畸變較小，未超過相關國家標準規定的5%要求，對用電設備無影響。

3 節能分析

3.1 逆變回饋節能

3.1.1 1號線逆變回饋節能

重慶軌道交通1號線目前早晚高峰時段按10列車編組運行，平峰時按8列車編組運行。2012年4月24日至30日，對1號線正線牽引變電所電阻－逆變裝置一周吸收的電量進行了統計，包括電阻裝置及逆變裝置總吸收電量、電阻裝置吸收電量、逆變裝置吸收電量及隔離變壓器損耗的電量，詳見表1。

根據統計的結果，電阻－逆變裝置平均每天吸收車輛制動產生的總電量為11 401.91kWh。其中電阻裝置吸收電量3 631.21kWh，占32%；逆變裝置吸收電量7 602.37kWh，占67%；隔離變壓器損耗電量168.33kWh，占1%。

表1 1號線正線牽變電引所一周吸收電量統計kWh

另外，2012年4月24日至30日，還對逆變裝置逆變反饋回系統的逆變電量進行了統計，包括逆變回饋總電量、逆變回饋至低壓400V配電系統的電量、逆變回饋至中壓35kV系統電量及逆變回饋至高壓110kV系統電量，見表2。

表2 1號線正線牽引變電所一周逆變反饋電量統計kwh

根據統計結果，在每日平均的逆變吸收電量7 602.37kWh中，其中回饋至400V配電系統電量為2 641.08kWh，占逆變總電量的35%；回饋至35 kV中壓系統電量為4 059.29kWh，占逆變總電量的53%；回饋至110kV系統的電量為902kWh，占逆變總電量的12%。

3.1.2 3號線逆變回饋節能

目前，重慶市軌道交通3號線二塘站—江北機場站區間早晚高峰時段采取大小交路套跑運行：四公里站—江北機場站大交路按14列編組運行；二塘站—龍頭寺站小交路按8列編組運行。平峰時二塘站—江北機場站按大交路18列編組運行。

2012年4月28日至5月04日，對重慶市軌道交通3號線正線牽引變電所電阻－逆變裝置一周吸收的電量進行了統計，詳見表3。

表3 3號線正線牽引變電所一周吸收電量統計kWh

根據統計結果，電阻－逆變裝置平均每天吸收車輛制動產生電量為5 533.2kWh。其中：電阻裝置吸收電量為2 158.8kWh，占39%；逆變裝置吸收電量為3 250.1kWh，占59%；隔離變壓器損耗電量124.3kWh，占2%。

2012年4月28日至5月04日，同時對逆變裝置逆變反饋回系統的逆變電量進行了統計，包括逆變回饋總電量、逆變回饋至低壓400V配電系統的電量、逆變回饋至中壓35kV系統電量（無逆變回高壓110kV系統），詳見表4。

表4 3號線正線牽引變電所一周逆變反饋電量統計kWh

3.1.3 經濟效益分析

通過1、3號線逆變回饋節能的統計分析，1號線每日運行約4 645車km，每日回饋節能7 602.37 kWh，平均每車km節能1.64kWh，1年可以節能2 774 865kWh。按0.793元／kWh計算，該裝置全年可節約電費220萬元。3號線每日運行約10 929車km，每日回饋節能3 250.10kWh，每車km節能0.30kWh，1年可節能1 186 286kWh，全年可節約電費94萬元（詳見表5）。

表5 1、3號線節能及經濟效益匯總

1號線平均每日牽引用電5.46萬kWh，逆變回饋節約能量占牽引用電的13.93%；3號線平均每日牽引用電9.82萬kWh，逆變回饋節約能量占牽引用電3.31%。目前，因受到逆變回饋開關額定電流等限制，1、3號線逆變裝置實際投入容量分別占額定容量的60%、45%，今后調整改造后，其回饋節能效果將會更加顯著。

3.2 減少隧道風機耗能

采用傳統的車載制動電阻吸收方式，再生能量將主要被車載吸收電阻以發熱的方式消耗掉，其結果是加速隧道的溫升。電阻－逆變裝置則在反饋節能的同時又很好地避免出現這種情況。通過安裝在重慶軌道交通1、3號線各地下車站的采樣點溫度顯示，各地下車站溫度基本不變。因此，每天僅需要在07：00～08：00和17：00～18：00兩個時段開啟隧道風機，與國內采用車載電阻吸收方式每天需開啟隧道風機20h相比，大大減少了開啟時間，節約了耗能。

以1號線為例，正線及出入段線隧道風機總功率為896kW，平均每天節約風機耗能16 128kWh，一年節能5 886 720kWh，全年節約電費466萬元。同時，地下站風機開啟周期的縮短，也降低了地下粉塵污染，在一定程度上保護了地下隧道環境。

3.3 降低列車閘瓦磨耗

一般車載電阻自重800kg，電阻逆變裝置的使用則使車輛自重減少。此外，列車以電制動為主，當速度低于設定的速度（5～10km／h）時才采用機械制動，列車機械制動的時間縮短，降低了閘瓦的磨耗，延長了閘瓦的使用［3］。

4 結語

電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置在重慶市軌道交通1、3號線應用以來，節能效果比較明顯；同時，采用電阻－逆變混合吸收方式，車輛自重減少且機械制動時間很短，閘瓦磨耗降低。重慶市軌道交通1、3號線采用電阻－逆變型再生制動能量地面吸收裝置以來，積累了很多寶貴的運行經驗，對今后新建線路及國內其它城市軌道交通線路的設計具有借鑒意義，同時符合國家節能減排要求，故具有推廣價值。

［1］王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生電能回收技術方案的研究［J］.電氣化鐵道，2004（2）：37.

［2］張云太.利用車輛再生電能，建設持續發展地鐵［J］.交通世界，2011（8）：1.