軌道交通能饋研究與仿真

郭琦沛

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著中國經濟的不斷發展，國內的城市軌道交通發展迅猛。近年來，北京、上海、深圳、廣州等特大城市地鐵建設速度保持高速增長的同時，石家莊、蘭州、呼和浩特、洛陽等城市也相繼建設或開通城市軌道交通。由于城市軌道交通站間距小、站點密集、發車間隔短、區間內同時運行的車輛較多等特點，其供電系統多采用直流制為列車供電[1]。

在當前的城市軌道交通工程中，DC-AC變壓變頻傳動方式已成為列車普遍采用的方式。當列車在進站制動或在長大下坡道上運動時，其所產生的再生能量將通過DC-AC變頻傳動裝置回饋到直流環節，這部分能量被稱為再生能。當同一供電臂上的其他列車具有吸收條件時，再生能量首先被其他列車吸收利用；當能量不能被完全吸收時，剩余能量需通過其他方式利用或消耗[2]。

在早期的城市軌道交通項目中，多采用制動電阻的方式將此部分能量消耗掉。近年來，地鐵供電系統日趨成熟，逐漸向智能化、綠色化方向發展，再生電能如何可控、高效地再利用成為當下的研究熱點。本文介紹了當前城市軌道交通較為常見的幾種再生能吸收方式，對當前技術成熟度和國產化率高的中壓能饋式再生能吸收裝置進行重點介紹，并結合實例分析中壓能饋再生能吸收裝置的經濟性。

1 再生能吸收裝置

再生電能利用裝置的主要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他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制動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，以最大限度發揮再生制動性能。

目前，再生能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、逆變回饋型（分為中壓逆變和低壓逆變）、儲能型（分為電容、電池、飛輪等）幾種類型[3]。

1.1 電阻耗能型再生能吸收裝置

電阻耗能型再生能吸收裝置是通過制動電阻將列車制動產生，且無法被相鄰列車使用的再生能量消耗，其中的制動電阻安裝方式又分為車載型電阻與地面安裝型電阻兩種方式。電阻耗能型吸收裝置技術成熟、投資低，在早期的城市軌道交通中應用廣泛，但此種吸收裝置缺點明顯。一是車載電阻本身增加了列車重量，增大了列車能耗；二是車載電阻消耗制動能量后將會釋放大量的熱量，致使隧道內溫度升高，從而增大空調和通風設備的工作壓力，進一步增大地鐵系統的能耗。同時，車站站臺層的站臺板下需設置軌底風道來排熱，增大了工程復雜性，不利于站臺板下各專業電纜的布置[4]。地面電阻是將制動電阻設置在車站內或沿線單獨設置的建筑內，同樣產生大量的熱量，且電阻工作時會發出刺耳的噪聲，對周邊居民會產生一定影響[5]。

1.2 儲能型再生能吸收裝置

儲能型再生能吸收裝置的基本原理為使用電力電子元件將列車的制動能量吸收到儲能單元中，當供電臂內有列車啟動、加速等需取流時，儲能單元中的電量釋放出去再利用。儲能型再生能吸收裝置分為電容型、電池型及飛輪型等類型。超級電容壽命長、容量大、節能效果好，但其國產化率低、技術成熟度不足、進口設備價格昂貴[6]。電池型儲能是隨著當前飛速發展的新能源技術發展起來的新技術，其價格比超級電容低，但其壽命相對較短，鋰離子電池中充放電壽命相對較長的鈦酸鋰電池組的充放電壽命約幾千次，這對于長期處于大電流充放電過程中的地鐵再生能裝置還遠遠不夠[7]。飛輪在功率、能量、時間等核心參數上與地鐵的實際工況能較好地契合，有良好的應用前景，但是目前國內的軸承技術和材料等方面比較滯后，且飛輪本身屬于機械部件，長期高速轉動工況下存在安全隱患。所以，中國飛輪儲能系統的研究目前仍停留在小功率的實驗室樣機開發階段，距離實用化尚有距離[8]。

1.3 逆變回饋型再生能吸收裝置

逆變回饋型再生能吸收裝置按照電壓等級分為中壓逆變型和低壓逆變型兩種。中壓逆變型設備是將制動能量逆變轉換為交流電后向地鐵35 kV或10 kV中壓環網發送，通過中壓環網系統再分配向其他設備供電；低壓逆變型設備是將制動能量轉換為交流電后向本站變電所400 V系統供電，由本車站變電所低壓動照設備吸收利用。

中壓逆變型再生能吸收裝置是技術成熟、應用廣泛、國產化率高的再生能吸收方案，在近幾年新建設的城市軌道交通中應用廣泛，如呼和浩特地鐵2 號線、洛陽地鐵1 號線、徐州地鐵1 號線等工程中均有設置，其詳細工作原理見下節。

2 中壓逆變式再生能系統

逆變回饋型的再生制動能量吸收方式，其原理是在牽引變電站已有的降壓變壓器和整流機組旁并聯一組由逆變裝置和升壓變壓器組成的系統；當有制動能量返送牽引網時，母線電壓抬升，超過設定值時系統啟動并從牽引網吸收電流，制動能量完成向電網回饋[9]。采用IGBT高頻開關器件可以進一步提高并網的電能質量，且響應更為迅速，現在已經成為主流的研究方向[10]。能量回饋系統示意圖如圖1所示。

圖1 能量回饋系統示意圖

典型地鐵牽引降壓混合變電所主接線如圖2 所示，其中框內為能饋裝置主接線。成套逆變式中壓能饋裝置主要由直流控制柜（含正極隔離開關）、逆變柜、隔離變壓器等組成，其主要功能為通過對牽引網直流側電壓的穩壓控制，確保列車再生電制動功能的充分發揮，實現列車再生電能的二次利用。

圖2 典型地鐵牽引降壓混合變電所主接線

成套裝置的投入必須具有先進的網壓判斷技術，網壓的判斷條件應分別取自交、直流側。設備只在車輛再生制動且其再生制動能量沒有被其他用電設備消耗的條件下進行工作，車輛啟動、加速、惰行、夜間停車等工況下，設備不得投入。當車輛再生電制動完畢，設備可靠撤出，處于待命狀態。

3 實例分析

以國內中部某城市軌道交通為例，介紹地鐵中壓能饋裝置實際應用，并通過仿真計算其回饋電量及經濟性。由于此工程尚未開通運營，其城市、名稱、站點等信息暫不公開。

3.1 實例線路供電系統

實例工程線路全長22.7 km，設站16 座，全部為地下車站，設車輛基地與停車場各1座。

表1 正線牽引所間距

全線共設置2座主變電所，11座牽引變電所，其中正線9座，車輛基地與停車場各1座。正線牽引所名稱由1#～9#牽引所代替，各牽引所均與車站降壓所合建為牽引降壓混合變電所，各牽引所內均設置中壓能饋式再生能吸收裝置。正線牽引所間距如表1 所示，此間距代表了牽引供電系統供電臂長度。

3.2 行車組織

實例工程初、近、遠期均采用B型車6輛編組，列車最高運行速度為80 km/h，初期旅行速度為33 km/h，近、遠期旅行速度為35 km/h。其全日行車計劃如表2 所示。其中，根據地鐵設計相關規范，初期為建成通車后第3年；近期為建成通車后第10年；遠期為建成通車后第25年。實例工程初、近、遠期高峰時段列車對數分別為12對/h、21對/h和27對/h。

表2 該地鐵全日行車計劃表

3.3 中壓能饋仿真

使用仿真軟件“基于交直流交替迭代的城軌供電系統再生制動能饋仿真算法軟件v1.0”對中壓逆變式中壓能饋裝置進行仿真，分析能饋裝置的回饋能量及經濟性收益。輸入數據包括線路平縱斷面、車輛編組、車輛牽引制動特性曲線、行車組織以及交直流牽引供電系統圖。仿真結果如圖3～4所示。

圖3 不同開行對數下各牽引所回饋功率有效值

圖3 所示為不同開行對數下各牽引變電所回饋功率有效值。同一牽引變電所不同開行對數時，回饋功率不同，但各對數情況下的回饋功率相差不大；綜合分析各牽引所能饋數據，開行對數與回饋功率無線性相關關系，列車開行對數從少到多的變化過程中，各所再生能功率基本為先增后減[11]；相同列車開行對數時，各牽引變電所之間回饋功率不同，這與供電臂長度及線路平縱斷面等因素有關。

圖4 所示為各開行對數下全線每小時總回饋能量。列車開行對數由小逐漸增大的過程中，全線總回饋電能先增大后減小，且在每小時12～21 對范圍內，全線總回饋能量最大。產生這一規律的原因為當列車開行對數較小時，全線同時開行的列車較少，進而產生的總回饋能量較少；當列車開行對數較大時，雖然全線產生的總回饋能量較大，但每一供電臂上，同時開行的列車較多，回饋能量會優先被同一供電臂上的其他列車吸收利用，因此再生能相應減小。

圖4 各開行對數下全線每小時總回饋電能/（kW·h）

3.4 經濟性分析

根據圖4 中的各開行對數情況下全線每小時總回饋電能，結合表2中地鐵全日行車計劃表，可計算得出實例工程開通運營后，由中壓逆變式能饋裝置反饋的用電量，以及安裝能饋裝置后節省的經濟。

經過計算，實例工程運營初、近、遠期1天及1年全線產生的再生能如表3所示。假設地鐵供電系統電費為0.7元/kW·h，則初、近、遠期1天及1年全線通過再生能節省的電費如表4所示[12]。

表3 初、近、遠期1天及1年全線產生的再生能電量104kW·h

表4 初、近、遠期1天及1年全線通過再生能節省的電費萬元

以當前再生能成套裝置的價格估計，單牽引變電所內單套成套裝置約200萬元，全線正線共9個牽引所，設備投資約1 800 萬元。由表4 可知，牽引所內設置中壓能饋式再生能吸收裝置后，每年運營節省的電費約600～700萬元，考慮一定的冗余以及仿真的誤差，運營約3～4年節省的電費可抵扣設備的投資成本。假設設備可運行30 年，共節約電費約2 億元，經濟效益明顯。

4 結束語

本文首先介紹了再生能的產生以及主流的幾種再生能吸收方案的優劣，并對當前技術成熟、應用廣泛的中壓逆變式能饋吸收裝置進行重點介紹。以國內某中部城市軌道交通某工程為實例，通過仿真分析了中壓逆變式再生能方案的回饋電量及經濟性，證明了中壓逆變式再生能方案的有效性。下一步需等該實例工程開通運營后，根據運營真實數據驗證仿真數據的準確性，進一步驗證中壓逆變能饋方案的實際效益。