城市軌道交通回饋式再生能源吸收裝置分析

孫宏偉

摘要：回饋式再生能源裝置作為軌道交通工程牽引系統節能的主要手段，近年來在國內各在建、運營線路上廣泛應用。本文通過系統理論論述、實用案例分析，對再生能源裝置工作原理、容量選擇及運營維護進行了系統闡述，結合現階段城市軌道交通發展形勢，對系統的工程實施做了可行性分析。

Abstract： As a main method of energy saving for traction systems in rail transit projects， feedback-type renewable energy devices have been widely used in various domestic construction and operation lines in recent years. This paper systematically discusses and analyzes practical cases， and systematically elaborates the working principle， capacity selection， and operation and maintenance of renewable energy installations， conducts the feasibility analysis of the system's engineering implementation based on the current situation of urban rail transit development.

關鍵詞：軌道交通;再生能源吸收裝置;牽引供電系統

Key words： rail transit;renewable energy absorption device;traction power supply system

中圖分類號：U213.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0168-02

1 概述

1.1 選題背景及意義

隨著我國城市軌道交通建設的飛速發展，軌道交通系統能耗問題亦作為節能減耗的首要課題被廣泛討論。據地鐵運營部門統計，在運營線路中，牽引系統用電占總用電量的50%以上，降低地鐵系統能耗變得日益迫切和重要。近年來，多種技術被運用到城市軌道交通系統中，包括：車體輕量化設計、列車牽引VVVF傳動方式、再生制動電能吸收裝置等等。其中，再生電能吸收設備越來越多地應用于國內多條地鐵線路并達到了較好的節能效果。

1.2 回饋式再生能源吸收裝置的發展現狀

目前，再生能源裝置的主要應用形式有以下幾種：

①電阻型吸收裝置;

②電容儲能型吸收裝置;

③飛輪型吸收裝置;

④回饋式再生能源吸收裝置。

回饋式再生能源裝置是將列車電制動時牽引電機轉為發電機模式而產生的制動電能反饋給中壓電網，形成能源循環利用的裝置。回饋式再生能源吸收裝置以其可以直接回饋接觸網（軌）或交流電網再利用，無需配置大容量儲能元件，不存在電阻發熱問題，技術成熟，維護維修方便的特點被逐漸推廣、應用。

2 回饋式再生能源吸收裝置

2.1 系統配置方案

回饋式再生能源吸收裝置維護接觸網（軌）電壓或將電能回饋至中壓交流電網再次利用的示意圖如圖1。

方案中，再生能源裝置通過隔離變壓器的作用將電能反饋中壓電網，獨立于牽引供電系統其他負荷設備，裝置容量設計不受系統影響，且可拓展性強。

2.2 裝置工作原理

現有地鐵牽引系統多采用24脈波整流，當系統空載時，接觸網（軌）壓最高。當車輛運行時，由于負荷增加，網（軌）壓下降。

當線路車輛再生制動時，其動能轉為電能直接回饋接觸網，被同供電臂的其他車輛利用。當回饋電能不能被完全利用時，接觸網（軌）壓上升，大于接觸網（軌）空載電壓并且達到整定值，此時，再生能源裝置啟動PWM脈沖單元，回饋電能至交流中壓網，并保持接觸網（軌）壓正常。見圖2：裝置投入時接觸網（軌）壓特性。

當車輛啟動運行時，接觸網（軌）壓下降并且達到整定值，裝置停止逆變運行，轉為整流運行狀態保證網（軌）壓正常。當裝置檢測到直流側逆流時，閉鎖PWM單元，退出運行進入待機狀態。

需要注意的是，在裝置逆變運行時整流機組需停止工作，以防止裝置與整流機組之間形成環流。所以，裝置的逆變運行的投入定值要大于整流機組空載電壓。

2.3 系統的典型配置

現以廣州地鐵上網運行的再生能源裝置配備為例。見圖3。

如圖3示，在系統調試、檢修時，隔離開關QS1配合QS2可以形成回路明顯斷點，保證再生能源裝置及直流系統網（軌）端安全操作;斷路器QF2用于線路電流保護跳閘;接觸器KM6所在回路傳入充電電阻，以防止在隔離變壓器投入是產生勵磁電流造成保護裝置誤動。再生裝置主單元側，QF1用于線路電流保護;PWM為再生回饋裝置主單元，完成再生制動能源的整流、逆變及保護功能實現;直流接觸器KDC與熔斷器F5配合，當直流側電流保護配置啟動時，及時切斷故障側，保護裝置。

2.4 系統容量選擇

再生制動能源系統必須經過科學的數學建模，根據運營實際情況和線路實際工況進行仿真計算。目前，常用的容量選擇計算方法有以下幾種：

①按最大功率選擇;

②按平均功率選擇;

③考慮列車間吸收時的功率選擇;

但是，由于車輛再生制動瞬時功率大、持續時間短的特點，一般不選擇車輛再生制動最大功率作為再生能饋裝貴的容量。考慮到工程經濟性和兼顧地鐵列車多種運行方式，應以車輛再生制動過程的平均功率為基準，兼顧列車間吸收的作用，一般地鐵線路牽引變電所可選擇1MW-1.5MW的再生能饋設備容量可滿足車輛再生制動的需求。

但是，在工程建設及維護管理工作中，并不具備建模仿真計算條件時，可以根據列車實際運行情況和車輛自身參數進行裝置容量估算。

①列車制動功率。

當列車以恒定速度運行，制動加速度為已確定或進行估算（理想狀態），回饋功率為下式求得：

P=η*F*V-P0

η—機車牽引電機及牽引變流機組的效率;

F—制動力。其中，m為機車重量，a為加速度;

V—為列車瞬時速度;

P0—為常態消耗，包括列車運行阻力及輔助變流器消耗等，為常量;

在最困難的情況下，列車在坡度處制動，為保證列車加速度恒定，電動力還需克服坡度重力分量。所以：

F制動=m*a+F坡度分量

由此，則以在上式計算中，得出再生制動產生的的初始電能。另根據工程經驗計算得知，制動再生能源取40%為回饋裝置吸收，則可得制動再生能源估算容量。

再生能源的經驗估算雖不能作為施工設計的依據，但仍然對工程建設、運營委管起到了指導作用。在工程建設、委管階段意義重大。

3 結語

隨著城市軌道交通建設的飛速發展，制動再生能源裝置的作為運營線路的上節能措施的必要手段，必然會得到廣泛的推廣、應用。在工程建設及委管過程中，更需要對裝置運行原理及維護有深刻的了解，隨著技術的不斷發展，跟進技術更新腳步，做好城市軌道交通建設，提交滿意工程。

參考文獻：

[1]梁廣飛，黃隆飛.地鐵B型牽引能耗與再生制動節能效果分析[J].城市軌道交通研究，2016（2）：27-32.

[2]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生能源回收方案的研究[J].電氣化鐵道，2004（2）：37-39.

[3]饒忠.列車牽引計算[M].二版.北京：中國鐵道出版社，2002.

[4]劉培棟，王衛東，容仕寬.再生制動吸收裝置在重慶輕軌中的應用[J].都市快軌交通，2006（03）.

[5]夏景輝，鄭寧，左廣杰.地鐵車輛逆變型再生制動能量回饋方案與裝置的研究[J].城市軌道交通研究，2013（06）.