濟南軌道交通再生能量吸收裝置的應用

陳海輝

0 引言

我國的城市軌道交通建設已進入了快速發展期，截至2020年4月，我國共有44個城市（包含港澳臺）開通了城市軌道交通線路，運營線路共計198條，總長度達6 548.76 km。同時，隨著社會的發展和科技的進步，人們的節能減排和環保意識也在逐漸增強，提高再生制動能量利用率，降低牽引能耗，是未來再生制動能量利用裝置系統設計的主流趨勢。文獻[1]通過實測分析出單列車的再生制動能量占牽引能量的35%～56%，證明了再生制動能量的數目十分可觀。有效利用城市軌道交通車輛再生制動所產生的電能，減少運營用電量，對于節能降耗具有積極的意義。

國內北京、上海、廣州、天津、南京、重慶、青島、鄭州等城市軌道交通線路均已設置再生能量吸收裝置。中壓能饋型再生能量吸收裝置因具有技術成熟度高、系統容量高、再生能量利用率高等特點[3]，近期新建線路將該方案作為首選方案。

本文不對再生裝置類型進行比選[4]，而是基于現狀，以濟南軌道交通采用的中壓能饋型再生裝置為例，詳細分析再生能量吸收裝置的設置方案及節能效果，并通過實測數據進行驗證。

1 列車再生制動能量計算

1.1 列車運行阻力

列車運行阻力可分為基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列車運行的任何情況下都存在的阻力，附加阻力是在列車運行的個別條件下才產生的阻力。這里只考慮列車運行的基本阻力。

基本阻力通常由軸承阻力、滾動阻力、滑動阻力、沖擊和震動阻力以及空氣阻力5部分組成，這5部分阻力之和為

式中：a、b、c為綜合阻力系數；v為車輛的運行速度，km/h。

各種車輛的基本阻力系數可以通過試驗獲得，一般B型車輛的基本阻力為

1.2 車輛制動能量

車輛的運行阻力為FW，制動初速度為v，列車總質量為m，則產生的制動能量為

式中：E為產生的制動能量；S為車輛的制動距離。

根據既有工程經驗，不同的初速度條件下制動所對應的制動時間、制動距離、車輛總動能以及產生的制動能量等具體數據詳見表1。

表1 計算所得的車輛制動能量

由表1可以看出，車輛制動初速度越大，所產生的制動能量越大，同時制動距離和制動時間也越大，這一規律完全與能量守恒定律相符。

2 再生制動設置方案及節能分析

2.1 工程概況

濟南軌道交通1號線線路全長26.27 km，共設11座車站，其中地下站4座，高架站7座。正線設置9座牽引變電所，平均牽引間距3.22 km。初期、近期車輛為4B編組，遠期為6B編組。

2.2 裝置原理

2.2.1 電路拓撲

再生能量回饋裝置采用全控型IGBT器件和PWM四象限控制技術，具備逆變回饋、牽引整流和無功補償功能。裝置的電路拓撲如圖1所示，包括直流側母線電容、IGBT逆變模塊、濾波器等。

圖1 裝置的電路拓撲示意圖

2.2.2 控制原理

PWM變流器采用四象限運行，主要作用于并網電流的控制，即I的控制，如圖2所示。實際運行中，通過電流環控制PWM整流器的并網電流，從而實現功率因數控制。在進行電流內環的PWM控制時，采用基于同步旋轉坐標系的電流控制方案，將交流電流從三相對稱靜止坐標系變換到與該交流矢量同步旋轉的dq兩相坐標系，將電流解耦為有功分量和無功分量，d軸電流id相當于有功功率的電流，q軸電流iq相當于無功功率的電流，因此通過控制有功、無功2個直流分量易于實現有功和無功的獨立控制，實現功率因數可控。

圖2 PW M變流器交流側穩態矢量關系

2.2.3 閉環控制策略

采用全控型電力電子器件IGBT，實現能量流向的靈活控制。控制上采用電流內環電壓外環的雙環控制模式，使變流器具備雙向能量變換能力。

圖3 電壓電流雙閉環控制框圖

圖3中外環為電壓環，內環為電流環。通過軟鎖相技術測得電網電壓相位，并基于該相位控制并網電流相位來實現有功、無功輸出；通過dq旋轉變換實現有功、無功解耦獨立可控；采用先進的空間矢量調制技術，有效提高直流母線電壓利用率，最終生成PWM控制脈沖。

2.3 再生制動能量吸收范圍說明

再生制動能量吸收裝置不僅可以更好地吸收鄰近車站的車輛制動能量，也可以吸收較遠距離車輛制動能量，理論上可以吸收全線各車站的部分制動能量。現結合基本原理P=UI，按啟動電壓1 720 V，車載電阻啟動1 770 V，兩者相差50 V，對吸收距離和功率的關系進行簡單核算，數據見表2。

綜上，再生制動能量吸收裝置吸收能量范圍雖然很大，但是距離越遠，吸收能力越弱。因此，進行再生能量吸收裝置方案設計時應適當考慮間距，避免間距過大引起車輛制動能量得不到很好的吸收效果，造成再生制動失效率的提高[2]。

表2 再生裝置吸收范圍數據 kW

2.4 設置方案及節能效果分析

濟南軌道交通1號線為市域快線，站間距大且車輛運行速度高，且由仿真計算可知，每座車站在不同的行車對數下吸收的再生電能為不規律的，故在每座牽引所內均設置一套再生能量吸收裝置，以便更好地吸收全線的再生能量。

2.4.1 車站反饋功率仿真（1 h）

車站反饋功率仿真（1 h）如圖4所示。

由圖4可知，在不同行車對數下，每座車站的短時（10 s）反饋功率大多數情況在1 500～2 000 kW范圍內，瞬時功率則更大，綜合考慮吸收效果和造價，本工程設備容量設置為2 MW。

圖4 車站反饋功率（10 s有效值）仿真

2.4.2 節能效果分析

各站再生反饋電能仿真數據見表3。由表3可以得出一定規律：當列車行車密度較低時，列車再生制動能量不能被鄰車很好地吸收，裝置回饋能量效率較高，吸收效果較好；當發車密度增加到13對/h左右時，列車再生制動能量可被鄰車很好地吸收，裝置回饋能量效率最低；當繼續增加發車密度時，裝置回饋能量效率逐漸上升；當發車密度增加到20對/h左右時，雖然再生制動吸收裝置回饋能量效率不是最高，但其回饋總能量最大。由此可知，發車密度對再生制動能量吸收裝置回饋能量效率有較大影響，不能單一考慮高峰時期的回饋能量，應以全日回饋能量情況作為節能效果評估指標[2]。不同線路、車輛、站間距、發車密度的工程，仿真數據結果存在差異，具體工程在進行再生能量吸收裝置方案設計時均應以基于本工程實際數據進行的仿真數據為準。

表3 各站仿真再生反饋電能數據（1 h） kW·h

根據表3數據對初、近、遠期折算可知，初期吸收電能約為16 592.7 kW·h/天，近期吸收電能約為19 373.8 kW·h/天，遠期吸收電能約為29 354.2 kW·h/天。通過計算得出年用電量和電費，初期為605.6萬kW·h、357.9萬元，近期為707.1萬kW·h、417.9萬元，遠期為1 071.4萬kW·h、633.2萬元（電費單價按0.591元/kW·h計算）。設備全壽命周期內節約電量和電費如表4所示。

表4 設備全壽命周期內節約電量和電費

再生制動吸收裝置采用的主要器件（如IGBT、電容器等）均為電子器件，其壽命按照15年考慮，中壓能饋型裝置按200萬/套計算，則中壓能饋型再生設備一次建設資金約1 800萬元，按年利率6%計算，15年資金時間價值約為1 620萬元。裝置全壽命周期內可獲得7 303 - 1 800 - 1 620 = 3 883萬元效益。從表4數據還可以看出，初期由于行車密度小，節能效益偏小，遠期節能效益較大。

3 實測數據對比及分析

3.1 實測數據

根據最新實測客流預測以及上線列車數和行車間隔，運營部門重新編制行車計劃，實施行車計劃見表5。

表5 實施行車計劃

對裝置電能表進行為期5天（4月1—5日）的數據統計，如圖5所示。

圖5 實測各站再生回饋電能數據

3.2 對比分析

根據實測數據可知，全線再生裝置吸收車輛制動電能約為7 300～8 200 kW·h/天，而理論仿真初期吸收電能約為16 592.7 kW·h/天，兩者數據相差較大。經過分析有2個主要影響因素：

（1）理論初期每天運行18 h，發車164對，而實際運營每天運行15.5 h，發車108對，發車密度僅為理論計算的0.66倍。列車制動能量與行車密度成正比關系，故由于運行時間和行車密度，再生裝置吸收電能約打折0.66。

（2）定員載客按照6人/m2，乘客人均重量按60 kg/人進行仿真，一列車輛總重199.6 t，而根據運營初步估計1個月總客流量約為100萬，約每天3.3萬人，折合一列車輛總重141 t，約為理論計算的0.71倍。列車制動能量與質量成正比關系，故由于客流量再生裝置吸收電能約打折0.71。

綜合上述原因，對仿真所得再生裝置吸收車輛制動電能進行校正，即16 592.7×0.66×0.71 =7 775.3 kW·h/天，校正后數據與實測數據較為吻合，證明仿真數據合理。

結合線網情況，濟南軌道交通1號線由于為濟南市單獨運營線路，未形成網絡化運營，故在2號線開通后，客流會有明顯增長，再生裝置吸收能量將會有較大增幅，為驗證數據的準確性，需持續跟進運營數據進行核對。

4 注意問題

4.1 啟動值設定

當再生能量吸收裝置電壓啟動值過低時，本該被鄰車吸收的再生制動能量會被再生能量吸收裝置回饋至電網，這并非真正意義上的節能。但如果再生能量吸收裝置啟動值設置過高，列車制動所在位置的牽引網電壓過高，會導致列車再生制動失效[2]。合理的啟動值應該是鄰近車輛優先利用再生制動能量，再生制動能量大部分被鄰車吸收，剩余部分被再生能量吸收裝置回饋至電網。

直流系統牽引網空載電壓為1 650 V，根據運營實測數據不大于1 700 V，考慮一定裕量將再生裝置啟動值設置為1 720 V，為鄰車再生能量吸收留出50 V空間，保證鄰車吸收優先。但考慮本工程為集中供電，夜間停運后軌道交通負荷降低造成電網電壓抬升及不明原因的電網波動，本工程經研究分析配置如下啟動值方案：

啟動值包括固定值、自適應值，以兩者較高的作為實際啟動值。固定值為1 720 V，通過本地觸摸屏界面直接設置；自適應值根據實時采樣的交流電壓（900 V側）折算出直流空載電壓，再加上50 V，自適應值可避免直流空載網壓偏高時再生能饋裝置誤投入。

4.2 環流情況分析

裝置啟動后，有2種工作狀態：待機和回饋。當滿足直流側電壓和直流回饋電流判定條件時，裝置運行于回饋工作狀態；直流側電壓和電流任一條件不滿足時，裝置待機運行。

裝置待機時，車輛處于加速或惰行工況，整流器處于導通狀態，此時裝置內的IGBT處于封鎖脈沖狀態，無能量變換，不會出現從直流側到交流側的電流，因此不會與整流器產生環流。

裝置處于回饋運行狀態時，車輛處于制動工態。車輛的動能轉化為電能回饋至直流牽引網，使得直流正負極的電壓必定高于整流器的空載電壓，此時整流器截止。當直流牽引網電壓達到裝置啟動值且回饋電流大于0時，裝置開始運行于回饋工況，將直流側能量回饋至交流側，由于此時整流器處于截止狀態，裝置的輸出能量只能通過逆變變壓器返回到35 kV環網側。因此，裝置在回饋狀態下不會與整流器產生環流。

綜上分析，無論裝置在待機還是回饋狀態，應均不會發生與整流器產生環流的情況。

4.3 無功補償

在城市軌道交通線路運營初期，由于感性負荷較小，35 kV電纜產生的容性無功無法被中和，以致被返送至電力系統。通過再生裝置補償電纜無功倒送的容性無功，可提高功率因數，并可減輕上級SVG負載，從而有效降低房間溫度和設備運行噪音。需要注意的是，無功補償功能涉及核心器件IGBT負荷會相應增加，故設備招標階段應明確是否需要該項功能及明確無功補償的容量，并設計相應散熱結構或措施，否則將會影響元器件使用壽命及增加故障率。

工程應根據實際情況核算環網電纜容性無功容量及負荷功率因數，選擇定時、定量無功補償方案，在夜間列車停運期間進行補償，也可采用自動無功補償，最終實現提高系統功率因數[8]。

5 結語

隨著我國地鐵運營里程的不斷增加，用電量也在逐漸增加，地鐵再生制動能量利用顯得越來越重要。再生制動能量吸收裝置將是發展趨勢，裝置設置方案也逐漸精細化和完善，具體工程應根據實際線路基礎資料進行仿真計算及定性分析，綜合考慮裝置投資回報周期、節能優化效果等確定最佳優化配置方案，可結合城市客流、線路、行車等特點采用部分牽引所設置再生裝置的方案，但需與車輛部門進行周密配合，解決再生制動失效問題。裝置整流功能需進一步驗證其成熟度和設備可靠性后可適當考慮開放。