電氣化鐵路再生電能利用研究

2021-05-10 07:39:40董志杰楊振龍尚國旭

電氣化鐵道 2021年2期

董志杰，楊振龍，林晨，尚國旭

0 引言

電氣化鐵路是以電能作為驅動力的運輸方式，隨著重載、高速鐵路快速發展，對電能需求越來越大。電能消耗是鐵路運營成本中的重要部分，降低電能損耗是牽引供電系統設計中一個重要環節。隨著國內交直交牽引動車組和電力機車大規模應用，在制動過程中不可避免產生再生電能，電氣化鐵路采用交流系統，再生電能一部分被同行的機車吸收，剩余部分將返送至電網，提高再生電能利用率也是提高電能利用率的一種途徑[1，2]。

國內城市軌道交通再生能利用應用廣泛，對再生電能特性掌握比較深入，在設備參數選擇方面有成熟經驗可以借鑒[3]。但交流電氣化鐵路運輸工況不同，再生制動的特性也不盡相同，需針對不同再生制動特性，設計合理的技術方案。如何在牽引供電系統內部進一步提升再生制動電能的利用率，改善牽引網功率潮流特性，對我國電氣化鐵路的節能高效運行具有重要意義。

1 再生電能產生原理

當交流機車再生制動時，牽引電機作為發電機通過逆變器將三相交流電壓整流輸出直流電壓，而四象限脈沖整流器則工作在逆變狀態，將直流電逆變為單相交流電。

再生制動時，通過控制為牽引電機供電的變頻調速裝置，即交直交傳動系統，使牽引電機轉子的旋轉頻率高于定子的電壓頻率，使交流牽引電機運行在發電狀態，發出的電能與牽引工況時反向，電能經原先的逆變器（此時工作在整流狀態）變換為直流電，再經中間直流環節及原先的整流器（此時工作在逆變狀態），使電能轉換為與電網同頻率、同相位的電能，并反饋到電網中再生循環使用。

對于運行過程中的列車，有C=F-W，其中C為列車合力，F為列車額定牽引力，W為列車阻力。當列車從運行速度減速到停站的過程中需要制動時，F為負值，進入再生制動模式；當列車在大坡道下坡運行時，受限制列車超速影響，C盡可能為零，受列車自身重力加速度的影響，需要列車啟動再生制動，如圖1所示。

圖1 再生能量流動示意圖

2 再生電能特性分析

2.1 再生電能測試仿真數據

電氣化鐵路屬于大宗用電負荷，是電網的最大單體負荷用戶。隨著交直交機車大規模應用，牽引負荷不僅可以從電網吸收能量，還可以在再生制動工況下將動能轉化為電能。對于客運專線，再生電能主要存在于大型車站，再生電能占比較大；對于重載鐵路，由于存在重車下坡制動過程（圖2），其再生電能占比也較大。表1為典型幾座牽引變電所再生電能所占牽引用電量比例，其中的再生電能為每座牽引變電所同行列車吸收后剩余可以利用電量。

圖2 貨運列車運行仿真曲線

表1 不同線路再生電能占比

從表1中數據可以看出，每個所的再生電能比例差異較大。

客運專線與貨運鐵路的再生制動電能在變電所的分布不盡相同，客運專線主要存在大型車站或坡度較大區段，而對于貨運鐵路基本上處在坡度較大區段。

2.2 再生電能數據分析

表2、表3為南京南牽引變電所再生電能數據。由表2、表3可以看出，牽引變電所左右兩供電臂再生電能的比例不盡相同，再生電量分配也不盡相同，這些數據差異是由于運輸工況造成。

表2 南京南牽引所再生電能占比

表3 南京南牽引所再生能電量構成 kW·h

2.3 再生電能分布特性

2.3.1 幅值特性

選取再生制動時間較長一段測試數據，見圖3。可以看出，再生電能幅值較大，如果將這段再生電能進行儲存，若為1 MW的儲能裝置，則可儲存電能14.1 kW·h。

圖3 再生電能與功率對應關系

2.3.2 分布特性

對南京南牽引變電所測試數據進行分析，根據再生功率峰值進行劃分，按照小于2 MW，2～4 MW，4～6 MW，6～8 MW，大于8 MW進行統計，統計結果見表4。通過分析這些數據可以為再生電能利用技術方案提供指導。

表4 南京南牽引變電所再生電能統計

從表4中數據可以看出，大多數的再生功率大于8 MW。京滬高速鐵路上運行的16列編組動車組偏多，再生制動功率大，造成大功率的數據偏多。

3 再生電能利用方案分析

3.1 再生電能利用方案

不同運輸組織和不同運輸工況產生的再生電能分布不同，停車產生的再生電能具有時間短、峰值大、周期性強的特點，坡道產生的再生電能具有時間長、持續時間長等特點。牽引所供電臂內再生能受供電范圍內車站分布、線路坡度等影響，產生的再生能也存在差異，主要是對牽引變電所范圍內剩余再生能進行利用。對于牽引變電所來說，一種方案是相鄰2座牽引變電所之間進行再生電能利用，需要變電所間再生與牽引時間重疊的運輸工況；另一種方案是利用儲能技術改變再生電能時間，通過技術手段實現再生電能與牽引電能時間重疊，儲存電能還能向配電系統進行反饋，反饋的電能非常平緩，可以為配電用戶供電。再生能利用方案原理詳見圖4。