再生能量吸收裝置在軌道交通中的應用與配置優化

0 引言

近幾年，我國城市軌道交通建設發展迅速，再生能量吸收技術也逐漸被廣泛應用[1]。為了使再生能量吸收裝置在城市軌道交通中發揮更大作用，并體現經濟性，有必要對其進行優化配置，而優化配置的重點在于設備容量的選擇[2]。因此，研究再生能量吸收技術及裝置容量優化配置方法具有重要意義。

1 再生能量吸收技術與應用現狀

目前，城市軌道交通再生能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、超級電容儲能型和逆變能饋型[3]。

1.1 電阻耗能型

電阻耗能型裝置主要為地面安裝，采用多相IGBT斬波器與吸收電阻配合的恒壓吸收方式。根據列車再生制動時直流網壓的變化狀態調節斬波器的導通比，從而改變吸收功率，將直流網壓恒定在某一區間范圍內，并將再生電能消耗在吸收電阻上[4，5]。

目前，采用電阻耗能型吸收方式的國外工程包括日本多摩、東京、大阪的單軌、輕軌和地鐵線路，以及加拿大多倫多地鐵、意大利米蘭地鐵等[6]。國內工程包括重慶單軌2號線，廣州地鐵4號線，天津地鐵1號線，北京機場線、亦莊線等。

該方式控制簡單、性能可靠，國內外應用比較普遍。但該方式大量制動能量被轉換為熱能排掉，不具備節能效果，同時電阻散熱導致隧道內溫度上升，需通風設備降溫，增加額外運營成本。因此，在車輛安裝制動電阻困難的情況下才考慮采用電阻耗能裝置。

1.2 逆變能饋型

逆變能饋型裝置采用電力電子器件構成大功率三相逆變器，該逆變器的直流側與牽引變電所直流母線相連，交流進線接至交流電網。當列車處于再生制動狀態時，若直流母線電壓超過設定值，裝置將從直流母線吸收電能，并將其逆變成工頻交流電回饋至交流電網。當再生電能吸收完畢，促使電壓回到整定值以下或當列車由再生制動轉為其他工況時，逆變能饋裝置停止電能回饋。根據回饋交流電網的不同電壓等級，該方式分為低壓能饋（0.4 kV）和中壓能饋（35 kV/10 kV）2種類型[7]。

低壓能饋技術在北京地鐵9號線、重慶1號線和3號線已有運行實例。北京地鐵9號線采用“逆變+電阻”的方式[8]，用以吸收大部分的回饋能量，該方式能克服運營低峰、高速制動等特定環境下引發的脈沖尖峰，但由于電阻的投入，會降低節能效果。相對于低壓能饋裝置，35 kV母線負荷容量較大，能夠吸收大部分或全部再生電能。當線路上可配置足夠數量的裝置并具備足夠的總容量時，則可以取消車載電阻。

新加坡MRT線路、日本京都市營地鐵、札幌市營地鐵、大阪單軌等線路的部分變電所采用了中壓能饋裝置。在國內，中壓能饋技術已在北京、成都、廣州、南京、長沙等地的城市軌道交通實現了工程應用，其中已投運的有北京地鐵10號線、14號線以及15號線。

1.3 超級電容儲能型

超級電容以其功率密度高、循環壽命長等優點，成為城市軌道交通再生能量吸收的理想儲能裝置[12]。利用超級電容儲能裝置吸收剩余再生能量，可有效抑制直流母線電壓升高。在列車加速時，超級電容向直流母線釋放能量，不僅可有效利用再生能量，還可防止直流電壓偏低，同時具備儲能和穩壓功能。

美國、日本、俄羅斯、德國、韓國等國家先后對超級電容再生能量吸收技術展開研究，其中德國西門子和加拿大龐巴迪是世界上較早進行該領域產品研制的公司。近幾年來，在西班牙馬德里、德國波鴻和科隆、美國波特蘭等城市的軌道交通中，都有其儲能設備的試驗性使用[13]。北京地鐵5號線也采用了德國西門子公司研制的SITRAS SES型電容儲能裝置，是國內首次采用超級電容再生能量吸收方式的地鐵線路[14]。此后北京地鐵10號線萬柳車輛段、北京八通線以及廣州地鐵相繼開始應用超級電容儲能裝置。

1.4 再生能量吸收裝置對比

電阻耗能型裝置由于不節能不適合在軌道交通中應用；通過中壓能饋裝置吸能是目前節能效果最好，性價比最高的再生能量吸收技術；超級電容儲能裝置具備很多優異特性，而且國內也已有多家企業完成了電容儲能裝置的樣機研制，并開展掛網試驗，應用前景較為廣闊[13，15]。3種再生能量吸收裝置的特點對比如表1所示。

表1 再生能量吸收裝置的比較

2 再生能量吸收裝置的容量優化配置研究

通過對不同再生能量吸收技術的比較，下文重點對逆變能饋裝置和超級電容儲能裝置的容量優化配置進行研究。

2.1 逆變能饋裝置容量配置

2.1.1 依靠經驗值統一配置容量

目前，國內地鐵線路普遍采用對全線各個牽引變電所統一配置相同容量能饋裝置的方案。中壓能饋裝置在市場上的主流容量配置是2 MW，北京地鐵14號線是國內首條全線采用2 MW容量中壓能饋裝置的地鐵線路。受各種因素的影響，該線路每個牽引變電所能饋裝置的工作功率范圍不盡相同，總體來看，其工作功率均在2 MW以下，同時各牽引變電所能饋裝置吸收的電能也存在較大差異[2]。因此，統一配置2 MW容量的裝置可滿足大多數供電區間列車再生制動的需求，但需要對個別車站能饋裝置容量重新進行計算。

2.1.2 選擇不同參數計算容量

上述僅憑經驗值統一配置能饋裝置的容量無法保證能饋裝置的合理利用，若容量偏大，會造成設備容量的浪費，若容量偏小，則無法滿足直流母線電壓的要求，因此有必要對能饋裝置容量進行合理的計算。目前能饋裝置的容量選擇方法主要有以下幾種[2]：

（1）按平均功率選擇。列車制動過程的特性曲線一般設計為恒轉矩區與恒功率區，除了可用于計算能饋裝置的最大功率外，還可對列車制動時不同工作區域的平均功率以及整個再生制動周期內的平均功率進行估算[16]，在此基礎上確定容量配置方案。

（2）按短時平均最大功率選擇。短時平均最大功率考慮了裝置工作時間內的功率值，以固定時長為一個窗口，對單個仿真周期內的結果進行逐秒推移，計算每一個固定時長窗口內所有回饋功率的平均值，選取其中的最大值作為每個能饋裝置的容量配置參考值之一[15]。

（3）綜合多個參數選擇。按單一參數選擇再生能饋裝置容量是不全面的，對于不同的發車間隔，牽引變電所可能出現峰值再生功率很大，而平均再生功率卻很小的情況，反之亦然。因此，需綜合考慮不同發車間隔的峰值功率、平均功率、不同功率段的回饋時間及裝置過載能力等，給出全線逆變能饋裝置的容量值。

2.1.3 考慮不同運行方式和影響因素優化容量

城市軌道交通牽引供電系統是一個動態耦合的復雜網絡，同一供電區間線路上可能出現多列車同時運行，同時啟動、制動或啟動、制動交叉進行的情況。當本站能饋裝置無法完全吸收再生能量時，多余能量可以被其他正在牽引的車輛或相鄰變電所的能饋裝置吸收；另一方面，列車制動會受到區間長度、限速等因素的影響。因此，能饋裝置容量應考慮運行列車的數量、相鄰車站能饋裝置對當前牽引變電所能饋裝置的影響[15]，并結合其他不同影響因素進行優化。

2.1.4 結合裝置選址方案設計容量

大多數文獻涉及的能饋裝置的容量配置僅考慮了裝置設置于地鐵全線所有牽引變電所該單一情況，并未考慮能饋裝置的安裝位置及其容量選擇對節能穩壓和投資成本的影響。

根據幾種常見發車間隔下能饋裝置每小時能量回饋情況分別選取能饋裝置，有3種不同的選址安裝方案：全所安裝、個別所安裝以及隔所安裝。在不同安裝方案下，計算列車全日運行的再生制動失效率、短時平均功率、峰值功率及各功率段工作時間等參量，給出容量配置建議[15]。

2.2 超級電容儲能裝置容量配置

2.2.1 基于剩余再生能量的基本容量配置

超級電容儲能裝置的初始容量配置主要依據剩余再生能量。文獻[18]以德黑蘭地鐵3號線為例，通過地鐵供電系統仿真模型計算各牽引變電所的最大再生制動能量求解儲能裝置的容量；文獻[19]中首爾地鐵2號線的儲能裝置最初也采用了該方法，通過對實際線路各牽引變電所輸出電壓和電流進行測量，統計出變電所再生能量約占牽引能量的39%，并以此為參考進行容量計算。

但該方法存在幾點不足：（1）僅按剩余再生能量進行容量配置可能造成容量不足或容量浪費；（2）根據當前牽引變電所再生能量確定裝置容量的方案未考慮相鄰儲能裝置的吸收作用；（3）未考慮超級電容的安裝位置及其容量選擇對節能穩壓的影響，缺少對不同配置方案的比選。

2.2.2 基于評價體系的容量優化配置

超級電容容量配置優化目標是以盡可能少的經濟成本實現最佳的節能穩壓效果。針對該目標，可以建立優化函數模型，實現對容量配置方案的量化評估。目前最常見的目標函數包含再生失效率、節能效果、經濟效益、穩壓效果等[21～26]。另外，容量配置優化設計還需滿足一些約束條件，如直流網壓水平、牽引變電所輸出電流以及超級電容充放電狀態等[12，20]。

2.2.3 基于智能算法的容量優化求解

在容量配置評價系統基礎上，結合某種優化算法可以進一步優化容量配置。較常用的優化方法有神經網絡、遺傳算法以及模擬退火算法等[12]。但由于傳統智能算法在求解速度和精度方面均存在不足之處，因此很多學者都提出了各種改進型算法以獲取全局最優解。文獻[12]在傳統遺傳算法的基礎上融合了模擬退火算法，得到了超級電容安裝位置與容量配置的全局最優解，通過對優化后的方案進行成本效益評估，驗證了方案的合理性；文獻[20]提出了一種基于混合粒子群算法的容量配置優化方案，針對不同地鐵線路以及優化目標函數，得到了較優的能量管理策略參數和容量配置方案；文獻[28]以提高節能穩壓效果，降低投資成本為目標，結合神經網絡與遺傳算法，實現了不同發車間隔下裝置安裝位置與容量配置的優化求解。

3 再生能量吸收裝置容量優化配置框架

逆變能饋裝置和超級電容儲能裝置在容量優化問題上存在很多共性，結合2種裝置容量配置方法，本文提出一套適用于大多數城市軌道交通再生能量吸收裝置的容量優化配置方案，如圖1所示。首先，需要建立直流牽引供電系統仿真模型，確定再生能量吸收裝置的安裝方案，針對每種選址方案計算列車運行時的最大功率、平均功率等電氣量，并以此為依據初選各方案下的裝置容量。然后結合不同運行情況和影響因素對各種方案下的容量進行修正。最后，建立評價系統對各方案進行對比評估，也可以采用優化算法獲得全局最優化的容量配置方案。

上述方案具有一定的可擴展性，但對于不同的地鐵線路，則應根據其自身特點和目標進行分析，容量選擇也需要與線路實際運營情況相匹配。

圖1 再生能量吸收裝置容量優化配置方案

4 結論與展望

綜上所述，逆變能饋裝置和超級電容儲能裝置是未來城市軌道交通再生能量吸收應用領域的發展方向，其容量優化配置研究也取得了一些成果，但在有些方面還需進一步完善，主要是：

（1）多數城軌供電系統仿真模型采用簡化模型，且再生能量吸收裝置等效模型也不盡相同。為了提高系統潮流計算的準確性，并為容量選擇提供可靠數據，有必要建立完善的含再生能量吸收裝置的城軌供電系統仿真模型；

（2）目前再生能量吸收裝置的容量配置大多基于設定的控制策略，如超級電容的充放電閾值、能饋裝置的啟動電壓等，考慮到不同的控制策略對列車再生制動能量的利用效果不同[12，29]，基于控制策略研究裝置容量優化配置是該領域未來研究的方向；

（3）目前大多數研究并未涉及“節能-穩壓-經濟”的綜合評估分析，因此，如何最大程度發揮吸收裝置節能穩壓效果的同時使經濟效益最大化，還有待進一步研究；

（4）隨著儲能裝置投資成本的下降及超級電容技術的飛速提升與國產化，結合逆變能饋和電容儲能的特點，組成全新的再生能量吸收裝置將成為必然趨勢，因此“逆變+儲能”型再生能量吸收裝置是未來研究和發展的方向。

參考文獻：

[1]XIN Yang,XIANG Li,BIN Ning.A Surveyon Energy-Efficient Train Operation for Urban Rail Transit[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2016,vol.17,no.1,pp.2-13.

[2]衛巍.再生能饋裝置在城市軌道交通供電系統中的優化配置研究[D].北京交通大學，2016.

[3]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生電能的吸收與利用分析[J].城市軌道交通研究，2007，10（6）：42-45.

[4]張秋瑞.城市軌道交通再生制動能量利用技術研究[D].北京交通大學，2012.

[5]曾之煜.地鐵逆變回饋型再生制動能量吸收裝置仿真研究[D].西南交通大學，2012.

[6]許愛國.城市軌道交通再生制動能量利用技術研究[D].南京航空航天大學，2009.

[7]李力鵬，盛家川.軌道交通牽引系統再生能量利用方案研究[J].鐵道工程學報，2014，31（9）：121-124.

[8]魯玉桐，趙小皓，趙葉輝.再生制動能量吸收裝置在北京地鐵中的應用[J].都市快軌交通，2014，27（4）：105-108.

[9]陳德勝，劉志剛，張鋼.能饋式牽引供電裝置在軌道交通領域的應用[J].都市快軌交通，2014，27（1）：111-114.

[10]陳哲.北京地鐵10號線中壓能饋型再生制動電能利用裝置[J].現代城市軌道交通，2015（1）：5-7.

[11]李焱，張鋼，等.中壓能饋裝置應用效果評估[C].Proceedings of the 2015 International Conference on Electrical and Information Technologies for Rail Transportation,2015,pp.25-29.

[12]王彬.城軌交通地面式超級電容儲能系統容量配置優化方法研究[D].北京交通大學，2015.

[13]張一，成建國，吳松榮，等.基于超級電容的地鐵列車再生制動能量利用分析[J].城市軌道交通研究，2016，19（9）：56-60.

[14]劉偉.基于超級電容的地鐵再生制動能量存儲利用研究[D].西南交通大學，2011.

[15]許伶俐.城市軌道逆變回饋裝置的系統優化設計[D].西南交通大學，2017.

[16]霍長龍.城市軌道交通逆變型再生制動能量利用裝置容量的分析與計算[J].自動化技術與應用，2016，35（9）：75-78.

[17]李義國，趙勤，王軍平，等.城軌列車地面再生能量吸收裝置容量的選擇[J].機車電傳動，2017（3）：81-86.

[18]Teymourfar,R;Asaei,B.;Iman-Eini,H.Stationary super capacitor energy storage system to save regenerative braking energy in a mrtro line.Energy Convers,Manag.2010,56,206-214.

[19]Bae,Chang-Hwan Han;Jang,Dong-Uk;Kim,Yong-gi;Chang,Se-ky;Mok;Jai-Kyun Calculation of regenerative energy in DC 1500V electric railway substations[C].7th International Conference on Power Electronis, 2007,pp.801-805.

[20]陳懷鑫.基于混合粒子群算法的城軌交通超級電容儲能系統能量管理和容量配置優化研究[D].北京交通大學，2016.

[21]Gildong Kim,Hanmin Lee.A Study on the Application of ESS on Seoul Metro line 2[C].International Conference on Information and Multimedia Technology,2009,pp.28-32.

[22]R.Barrero,X.Tackoen,and J,Van Mterlo,Improving Energy efficiency in Public Transport: Stationary supercapacitor based energy storage systems for a metro-network[C],Vehicle Power and propulsion Conference VPPC’08,2008,pp.1-8.

[23]Teymourfar,R;Farivar,G;Iman-Eini,H;Asaei,B.Optimal stationary super-capacitor energy storage system in a metro line[C].Electric Powerand Energy Conversion Systems(EPECS),2011,pp.1-5.

[24]Iannuzzi,D.;Lauria,D.;Tricoli,P.Optimal design of stationary supercapacitors storage devices for light electrical transporatation systems.Optim.Eng.2012,13,689-704.

[25]Iannuzzi,D.;Ciccarelli,F.;Lauria,D.Stationary ultracapacitors storage device for improving energy saving and voltage profile of light transpiration networks.Transp,Res.Part C2012,21,321-337.

[26]陳靜.基于超級電容的地面式地鐵再生制動能量回收技術研究[D].西南交通大學，2015.

[27]王彬，楊中平，林飛，等.基于節能穩壓的地面式超級電容儲能系統容量配置優化研究[J].鐵道學報，2016，38（6）：45-52.

[28]XIA,Huan.;CHEN Huaixin.;YANG,Zhongping.;LIN,Fei.Optimal Energy Management,Location and Size for Stationary Energy Storage System in a Metro Line based on GeneticAlgorithm.Energies 2015,8,11618-11640.

[29]陳磊，胡文斌，孫其升，等.網壓上限值對地鐵列車再生制動能量利用影響[J].電氣化鐵道，2014，25（5）：47-50.

[30]張秋瑞，葛寶明，畢大強.超級電容在地鐵鐵動能量回收中的應用研究[J].電氣化鐵道，2012，23（2）：40-43.