節能曲線下能饋裝置應用效果分析

盧海明

(廣州地鐵集團有限公司,廣東 廣州 510000)

近年來城軌軌道交通高速發展,截至2019年底廣州地鐵運營線路共有14條,線網里程達514.8 km。城市軌道交通能耗總量大、運營成本高,相關研究指出運營1條25 km的線路,1年的耗電量約在1億～2億kWh,其中列車牽引能耗約占總電耗的45%～60%[1-2]。在如此巨大的能耗面前,如何減少列車牽引用電、降低運營成本,尤其是針對客流量相對較小的郊區線路具有重要意義。

城市軌道交通具有站間距短、運行速度快等特點,頻繁地制動可產生相當可觀的再生制動電能,目前普遍采用二極管整流器為列車提供所需的電能,無法利用制動能量。

為實現列車再生制動電能的二次利用,廣州地鐵公司在9號線應用再生制動能量逆變回饋裝置(下文簡稱“能饋裝置”),采用中壓逆變回饋到地鐵33 kV供電網絡的方案[3-4]。同時,結合9號線客流量分布情況,開展列車節能曲線運行模式的測試,以進一步降低列車能耗。本文通過研究分析列車執行節能曲線下能饋裝置節能效果,為9號線能饋裝置的投退組合方式和后續新線能饋裝置的設置方案提供了理論基礎。

1 能饋系統簡介

廣州地鐵9號線使用的再生制動能量逆變回饋裝置每套額定逆變功率為1 MW,短時峰值逆變功率為2 MW。能饋裝置主要功能為:裝置處于逆變工況時,通過對直流牽引供電系統的功率控制實現對牽引網直流側電壓的穩定控制,確保列車再生電制動功能的充分發揮,基本消除列車電制動失效,實現列車再生電能的二次利用[5-6]。

為了盡量減少能饋裝置對直流牽引供電系統運行的影響,9號線設計將制動電能的回饋通路與牽引整流通路相隔離,能饋裝置交流側通過中壓開關柜108接入33 kV交流環網系統,直流側通過直流開關柜203連接直流牽引網正極,通過能饋隔離開關柜2031連接直流牽引網負極。能饋裝置一次接線圖如圖1所示。

圖1 能饋裝置供電示意圖

2 工程應用分析

隨著上述研究的順利開展,2020年8月3日—16日在9號線開展為期兩周的測試工作,節能曲線測試期間新編制9號線節能測試時刻表,全天各列次均按節能模式運行。能饋裝置的節能效果受到諸多運行因素的影響,如啟動電壓門檻值、客流量、列車時刻表、設備故障情況等,利用節能曲線測試機會對比、研究列車不同運行模式下能饋裝置應用情況和回饋效果的差異,測試期間全線四套能饋裝置均保持相同參數投入運行,并收集能饋裝置回饋電量和列車能耗數據等電氣量。

2.1 測試安排及區域

8月3日—9日運營期間列車執行正常運行模式,8月10日—16日運營期間列車執行節能曲線運行模式,列車在9號線飛鵝嶺至高增站全線均執行節能曲線運行模式。

2.2 測試時刻表安排

廣州地鐵9號線一期工程飛鵝嶺站首、尾班車開車時間分別為6:00和22:30,高增站首、尾班車開車時間分別為6:06和23:15,日均輸送乘客約10萬人。節能曲線測試期間8月10日—14日采用節能曲線工作日時刻,與正常運行時刻表參數對比情況如表1所示。

表1 工作日正常運行與節能運行時刻表參數對比表

8月15日—16日采用節能曲線周六日時刻表,與正常運行時刻表參數對比情況如表2所示。

表2 周六日正常運行與節能運行時刻表參數對比表

2.3 測試數據

為避免因抄表時間不一致影響測試結果,每天牽引所抄表時間均控制在同一時刻前后20 min內完成。測試期間9號線變電設備均正常運行,全線四套能饋裝置正常投入(啟動門檻電壓值1 720 V),未發生有其它專業設備故障導致列車晚點等情況,列車均按節能曲線時刻表完成運營。

匯總2種運行模式下牽引電量、能饋裝置回饋電量及上線列車導出相關數據,測試結果整理如表3、表4所示。

表3 正常運行模式測試數據 kWh

表4 節能曲線運行模式測試數據 kWh

2.4 測試結果分析

對比2種運行模式下測試數據,可總結出以下結論:

(1) 7天正常運行模式下正線牽引總電量為482 680 kWh,7天節能曲線模式下全線牽引總電量為397 162 kWh,節能模式相比正常模式共節能85 513 kWh,正線牽引總用電量環比減少17.7%;

(2) 7天正常運行模式下四套能饋裝置回饋總電量為26 140 kWh,7天節能曲線模式下回饋總電量為18 140 kWh,回饋總電量環比減少30.6%;

(3) 正常模式下日均回饋電量3 734.28 kWh,節能模式下日均回饋電量2 591.43 kWh,對比正常運行模式,節能模式下日均回饋電量減少1 142.85 kWh。

列車節能曲線的使用期間,能饋裝置回饋電量有較為明顯的下降,主要由于節能曲線運行模式是通過優化列車速度曲線、調整列車運行速度,使列車盡量長時間保持惰性運行,減少頻繁的啟制動,同時拉大行車間隔,減少了運營里程數,因此列車回饋至接觸網的再生制動電能也同步減少,能饋裝置的回饋電量、回饋次數和利用率均明顯下降。綜上所述,配合列車執行節能曲線運行模式時,再生制動能量吸收利用能饋裝置不必全線投用,而是經過計算綜合分析后適當設置。

3 結束語

以廣州地鐵9號線工程應用為例,對節能曲線下的能饋裝置應用效果展開了研究分析,結果表明,列車節能曲線的執行和能饋裝置的投用均能實現節能減耗,同時節能曲線的執行減少了列車反饋至接觸網的再生制動電能,能饋裝置利用率出現明顯下降。后續可通過各站能饋裝置投、退組合成不同的運行方式,對期間收集的數據進行比較、分析和總結,為下一步9號線能饋裝置的使用方式及后續新線優化能饋裝置的設置方案提供參考依據。