懸掛式單軌車輛再生能量特性研究

許龍

摘 要：懸掛式單軌工程由于車輛不設置車載電阻，其制動時產生的再生能量依靠設置于變電所的再生能量吸收裝置吸收。目前國內懸掛式單軌工程供電系統再生能量吸收裝置的設計方案，大多照搬地鐵或有軌電車慣用做法，并未對該制式的再生能量特性進行細化研究。文章以國內某城市實際工程為研究對象，建立單列車和不同行車密度運行時仿真模型，研究各牽引變電所再生能量吸收裝置吸收峰值功率、能量值、吸收范圍和吸收趨勢，總結懸掛式單軌車輛再生能量特性，研究結論對懸掛式單軌工程再生能量吸收裝置的選型及布置方案設計有一定的借鑒和指導意義。

關鍵詞：懸掛式單軌;車輛;供電系統;再生能量;特性研究

中圖分類號：U260.13

當軌道交通車輛制動時，如果線路上無其它牽引列車或牽引列車不足以全部吸收其產生的再生能量時，再生能量將向直流電網充電。而變電所內整流設備的二極管整流器被反向阻斷，再生能量向直流電網的充電將導致直流電網電壓升高[1-3]。為了吸收這部分再生能量，大部分城市軌道交通車輛都采用車載電阻方式[4-5]。而懸掛式單軌車輛由于車體重量、車載設備空間等因素的限制，取消了車載電阻的設置，因此其制動時所產生的再生能量必須依靠牽引變電所設置的再生能量吸收裝置進行吸收[6-7]。由于懸掛式單軌系統在國內尚處于起步發展階段，其供電系統設計相關研究較少，涉及到再生能量吸收裝置的設計大多照搬地鐵或有軌電車慣用做法，缺乏對其再生能量特性的深入研究。

本文基于車輛建模及仿真計算，對懸掛式單軌工程車輛制動時產生的再生能量特性進行分析研究，以期對懸掛式單軌工程再生能量吸收裝置的選型及布置方案設計有一定的借鑒和指導意義。

1 車輛建模參數

本文以3編組懸掛式單軌列車為例進行仿真建模。其車輛主要參數如下。

（1）采用軌道梁內部剛性接觸軌供電，負極回流軌回流。

（2）車輛額定電壓為DC 750 V，電壓波動范圍為500～900V。

（3）車輛設計最高速度為80 km/h。

（4）車輛重量參數見表1。

（5）車輛阻力Fw為Fw = [（13.0 + 0.0425V）×W + 0.0022V 2]×9.8×10-3 ×α

（1）式（1）中，Fw為列車基本阻力，kN;W為列車總重量，t;V為列車速度，km/h;α為阻力系數（ 牽引時取1.0，制動時取0.8）。

（6）車輛牽引力/制動力特性曲線如圖1所示。

（7）車輛牽引/制動取流特性曲線如圖2所示。

2 仿真實例工程設置

本文將國內某城市實際工程作為本次仿真研究的對象工程。仿真線路全長13.257km，設站13 座，平均站間距1.105km。全線設牽引變電所7座，平均所間距2.21km。仿真工程車站及牽引變電所設置方案如表2所示。牽引整流機組空載電壓為DC825V，再生能量吸收裝置投入電壓設置為DC850V。本次仿真在全線各個牽引變電所均設置再生能量吸收裝置。

3 單列車運行仿真

基于上述仿真設置參數，利用SINANET供電系統仿真軟件進行仿真。首先對線路上單列車運行情況進行仿真。

3.1 再生能量吸收裝置吸收峰值功率及能量值

當線路上只有單列車運行時，車輛所產生的再生能量完全依靠牽引變電所內再生能量吸收裝置進行吸收。全線各個牽引變電所的再生能量吸收裝置吸收能量及峰值功率仿真數據如表3所示。

由表3仿真數據可以看出，全線各牽引變電所再生能量吸收裝置吸收的峰值功率相對比較平均，波動范圍在490～550kW。各牽引變電所再生能量吸收裝置所吸收的再生能量值總體呈現出線路中間牽引變電所再生能量吸收裝置吸收多，線路兩端牽引變電所再生能量吸收裝置吸收少的特點。

將懸掛式單軌車輛與常規的地鐵及有軌電車關于再生能量相關數據進行對比（表4）[8-10]可知，地鐵由于單車重量大，一般采用大編組形式，因此單列車制動時所產生的再生能量及峰值功率均較大;而懸掛式單軌車輛單車重量偏小，一般采用小編組形式，因此制動時所產生的再生能量峰值功率及能量值偏小，與相應編組的有軌電車相當。

3.2 再生能量吸收裝置能量吸收范圍

當車輛制動時，產生的再生能量主要由距離其最近的牽引變電所再生能量吸收裝置吸收，剩余的能量將被一定范圍內的相鄰牽引變電所再生能量吸收裝置吸收。以設置里程位于AK11+376的牽引變電所SS04為例，該牽引變電所的再生能量吸收裝置吸收再生能量峰值功率與列車行駛里程關系如圖3所示。

由圖3可知，SS04牽引變電所內的再生能量吸收裝置可對該牽引變電所里程約3 km范圍內的再生能量進行不同程度的吸收，且列車在SS04牽引變電所里程制動時其再生能量吸收裝置吸收峰值功率達到最大。

4 不同行車密度下的運行仿真

在各行車密度下（10對/h、15對/h、20對/h、30對/h），全線各個牽引變電所再生能量吸收裝置吸收峰值功率曲線如圖4所示，吸收能量曲線如圖5所示，吸收峰值功率平均值及吸收能量平均值見表5。（注：在實際的運營組織中，懸掛式單軌工程高峰小時行車密度很難達到30對/h，該行車密度在本文僅作為仿真研究用） 。

由以上仿真結果可知，在15對/h行車密度下，各牽引變電所的再生能量吸收裝置吸收能量及峰值功率達到最大;在20對/h及30對/h的行車密度下，其吸收能量及峰值功率均有不同程度的降低，甚至個別再生能量吸收裝置出現未投入吸收的情況。這是因為隨著行車密度的增加，列車制動時產生的再生能量直接被線路上臨近的取流車輛吸收，不通過牽引變電所內再生能量吸收裝置吸收。

5 再生能量特性通過對仿真計算結果進行分析總結，本文認為懸掛式單軌系統的車輛制動再生能量主要有如下特點。

（1）單列車制動所產生的再生能量峰值功率及能量值均較小。因此，在對懸掛式單軌工程再生能量吸收裝置的選型設計中，應選擇適用于小容量吸收功率的再生能量吸收裝置。基于該結論，考慮到目前國內小容量儲能型再生能量吸收裝置技術日益成熟、價格逐步回落以及國家目前對軌道交通節能減排的高度重視，建議懸掛式單軌工程優先選擇儲能型再生能量吸收裝置。

（2）懸掛式單軌工程牽引變電所再生能量吸收裝置的吸收范圍在2～3km。因此，對于懸掛式單軌工程的再生能量吸收裝置的布點方案，不應簡單地在每座牽引變電所都設置，其設置位置及安裝容量應根據實際工程的線站位方案及行車組織進行仿真計算后得出。

（3）隨著行車密度的增大，設置于各牽引變電所的再生能量吸收裝置吸收的能量及峰值功率呈先升后降趨勢，在某一個行車密度下達到最大值。該特點與其他軌道交通形式一致。

參考文獻

[1]王曉鵬，王沛沛，韓紅彬，等.逆變型再生制動能量利用系統的建模與供電計算[J]. 現代城市軌道交通，2017（11）：1-5.

[2]喻奇.新型軌道交通再生制動能量吸收裝置研究[J]. 城市軌道交通研究，2017（7）：14-19.

[3]陳勇，劉承志，鄭寧，等.基于逆變回饋的地鐵再生制動能量吸收的研究[J]. 電氣化鐵道，2011（3）：36-39.

[4]李娜，楊儉，方宇，等.城市軌道交通車輛制動能量回收系統的儲能裝置與輔助電源控制研究[J].城市軌道交通研究，2011（2）：64-66.

[5]周浩.地鐵車輛電空混合制動控制[J]. 鐵道機車與動車，2019（2）：32-35.

[6]李芾，許文超，安琪.懸掛式單軌車的發展及其現狀[J]. 機車電傳動，2014（2）：16-20，76.

[7]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（9）：56-60.

[8]徐長勤，宋德銀，董傳海.城市軌道交通再生制動能量儲存利用[J]. 現代城市軌道交通，2005（6）：18-20.

[9]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（4）：105-108，112.

[10] 王子甲，陳峰，施仲衡.北京城市軌道交通中遠期能耗預測研究[J]. 中國鐵道科學，2013（3）：133-136.

收稿日期 2019-11-18

責任編輯 宗仁莉