地鐵牽引供電系統再生能量方案分析

摘 要：文章介紹了目前國內地鐵牽引供電系統再生能量裝置采用的主要技術方案，分析了各種方案的優缺點；新建對地鐵線路的再生能量方案提出了建議。

關鍵詞：地鐵牽引；供電系統；再生能量

引言

近年來，我國城市軌道交通發展迅速。目前國內軌道交通車輛普遍采用先進的VVVF調速技術，地鐵車輛在運行過程中，由于站間距一般較短，車輛啟制動性能較高，從能量相互轉換的角度來看，制動能量是相當可觀的。但是，在采用電阻耗散方案的再生能量系統中，多余的能源被電阻消耗掉，不但不能節能，反而增加了城市軌道交通線路通風散熱系統的負擔，因此研究城市軌道交通再生制動能量利用技術，提高再生制動能量利用率，對節能減排和可持續發展具有很重要的意義和實用價值。

1 地鐵牽引供電系統組成

在地鐵牽引供電系統中，電能從10kV（或35kV）交流母線經牽引降壓變壓所、饋電線、接觸網輸送給軌道交通車輛，產生的電流從軌道交通車輛行駛的鋼軌和回流線流回變電所。由饋電線、接觸網、鋼軌和回流線組成的供電網絡稱為牽引網。

地鐵牽引供電系統由牽引降壓變電所和牽引網組成，其中牽引降壓變電所和接觸網是牽引供電系統的主要組成部分。地鐵牽引供電系統組成如圖1所示。

圖1 地鐵牽引供電系統示意圖

地鐵車輛的制動方式為電制動（再生制動）和空氣制動，運行中以電制動為主，空氣制動為輔。根據經驗，地鐵再生制動產生的能量除了一定比例（一般為20%～80%）被其他相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當列車發車密度較低時，再生能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。

2 天津地鐵1號線再生能方案

天津地鐵1號線為改善既有線西站至新華路早期建設區段的隧道溫度，劉園至雙林全線采用電阻耗能型再生能量吸收裝置。其主要工作原理是：當處于再生制動工況的列車產生的制動能量不能完全被其它車輛和本車的用電設備吸收時，牽引網電壓將很快上升，網壓上升到一定程度后，牽引變電所中設置的再生能量吸收裝置投入工作，吸收掉多余的再生電流，使車輛再生電流持續穩定，以最大限度地發揮再生制動性能。該方案的示意圖2所示。

圖2 電阻能耗型方案示意圖

該方案的優點：控制簡單和直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動裝置，降低車輛投資，提高列車動力性能；能夠降低隧道溫度、減少閘瓦制動對閘瓦的消耗和閘瓦制動粉塵、凈化隧道環境，而且國內有比較成熟產品制造，價格較低。

該方案的缺點：該裝置設置在地下變電所內，再生制動能量在吸收電阻上集中發熱消耗，導致放置電阻柜的設備房間環境溫度上升，還需采取措施保證足夠的通風量。該裝置在1號線使用過程中并沒有將再生能量進行有效利用，未達到節能效果。制動電阻柜放置在地面上與風亭合建或者做成護欄形式，雖然能夠保證熱量的及時發散，但是涉及拆遷、環評、規劃等事宜，難度較大。從節能的角度，電阻能耗型設備不代表再生能量吸收技術的發展方向。

3 低壓逆變方案（逆變至400V）

能饋式再生制動能量吸收方式是通過逆變裝置將能量回饋至交流電網供其它用電設備使用，可以節約機車制動電阻，減少地鐵洞體溫升并減少通風設備的能耗，是節約能源的一種再生制動能量吸收利用方式，這里的交流電網可以是低壓400V母線，也可以是變電所10kV（或35kV）交流電網。低壓逆變方案的原理如下圖所示。

圖3 低壓逆變方案示意圖

該方案的優點：根據國內已正常通車的線路運營效果可以看出逆變裝置與電阻裝置間吸收能量之比約8：2，電阻裝置發熱量將明顯降低，可選用2面電阻柜，比電阻耗能型制動電阻裝置減少一面電阻柜。

該方案的缺點：受制于逆變電壓等級（0.4kV）與IGBT元器件生產工藝，目前低壓逆變裝置750V系統最大容量650kW，1500V系統最大容量為1200kW，因此低壓逆變方案仍需配備2面電阻柜，系統結構復雜。低壓逆變方案在國內多條地鐵線路里采用，如重慶1號線一期、重慶輕軌3號線、重慶地鐵6號線一期、北京9號線等。

2007年底，天津地鐵1號線對低壓逆變方案進行了掛網運行試驗，逆變裝置運行比較平穩，但從回饋的電度表上顯示的吸收電量不理想，未能全線推廣應用。

4 中壓逆變回饋型方案

中壓逆變回饋型再生制動能量吸收裝置的直流側與牽引變電所中的整流器直流母線相聯，其交流進線接到交流電網上，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網。中壓逆變型裝置目前基本功率單元為1000kW，若設備容量需求高于1000kW，可采取并聯模塊的方式來實現。因此，中壓逆變裝置通常不設置電阻。

中壓能饋型再生制動裝置目前已在北京地鐵10號線二期工程等線路示范應用，運營情況良好且節能效果顯著。

該方案的優點：充分利用了列車再生制動能量，提高了再生能量的利用率，節能效果好，并可減少列車制動電阻的容量；其能量直接回饋到中壓環網不需要配置儲能元件；對環境溫度影響小，適合大功率室內安裝的情況。

該方案的缺點：該方案已在國內個別城市的線路中掛網運行，但是缺少長期運營維護經驗。

5 新線建設中再生能量系統方案的建議

電阻耗能型再生能量消耗裝置技術已成熟，在國內也有大量運行經驗，但其沒有節能效果，不推薦采用。

中壓能饋型裝置代表了再生電能利用技術的最新發展方向，目前在北京地鐵10號線二期和14號線各選取了2座牽引變電所進行示范性應用節能效果良好，推薦采用。

參考文獻

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[3]鄭瞳熾，張明銳.城市軌道交通牽引供電系統[M].北京：中國鐵道出版社， 2003.

作者簡介：陳懷軍，男，工程師，就職于天津市地下鐵道運營有限公司