郭琦沛

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國內(nèi)的城市軌道交通發(fā)展迅猛。近年來，北京、上海、深圳、廣州等特大城市地鐵建設(shè)速度保持高速增長的同時(shí)，石家莊、蘭州、呼和浩特、洛陽等城市也相繼建設(shè)或開通城市軌道交通。由于城市軌道交通站間距小、站點(diǎn)密集、發(fā)車間隔短、區(qū)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行的車輛較多等特點(diǎn)，其供電系統(tǒng)多采用直流制為列車供電[1]。

在當(dāng)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(dāng)列車在進(jìn)站制動或在長大下坡道上運(yùn)動時(shí)，其所產(chǎn)生的再生能量將通過DC-AC變頻傳動裝置回饋到直流環(huán)節(jié)，這部分能量被稱為再生能。當(dāng)同一供電臂上的其他列車具有吸收條件時(shí)，再生能量首先被其他列車吸收利用；當(dāng)能量不能被完全吸收時(shí)，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(xiàng)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(tǒng)日趨成熟，逐漸向智能化、綠色化方向發(fā)展，再生電能如何可控、高效地再利用成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。本文介紹了當(dāng)前城市軌道交通較為常見的幾種再生能吸收方式，對當(dāng)前技術(shù)成熟度和國產(chǎn)化率高的中壓能饋式再生能吸收裝置進(jìn)行重點(diǎn)介紹，并結(jié)合實(shí)例分析中壓能饋再生能吸收裝置的經(jīng)濟(jì)性。

1 再生能吸收裝置

再生電能利用裝置的主要原理是當(dāng)處于再生制動工況的列車產(chǎn)生的制動能量不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備吸收時(shí)，牽引網(wǎng)電壓將很快上升，網(wǎng)壓上升到一定程度后，牽引變電所中設(shè)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(xù)穩(wěn)定，以最大限度發(fā)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(chǎn)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(shù)成熟、投資低，在早期的城市軌道交通中應(yīng)用廣泛，但此種吸收裝置缺點(diǎn)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(nèi)溫度升高，從而增大空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備的工作壓力，進(jìn)一步增大地鐵系統(tǒng)的能耗。同時(shí)，車站站臺層的站臺板下需設(shè)置軌底風(fēng)道來排熱，增大了工程復(fù)雜性，不利于站臺板下各專業(yè)電纜的布置[4]。地面電阻是將制動電阻設(shè)置在車站內(nèi)或沿線單獨(dú)設(shè)置的建筑內(nèi)，同樣產(chǎn)生大量的熱量，且電阻工作時(shí)會發(fā)出刺耳的噪聲，對周邊居民會產(chǎn)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(dāng)供電臂內(nèi)有列車啟動、加速等需取流時(shí)，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(jié)能效果好，但其國產(chǎn)化率低、技術(shù)成熟度不足、進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴[6]。電池型儲能是隨著當(dāng)前飛速發(fā)展的新能源技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)，其價(jià)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[7]。飛輪在功率、能量、時(shí)間等核心參數(shù)上與地鐵的實(shí)際工況能較好地契合，有良好的應(yīng)用前景，但是目前國內(nèi)的軸承技術(shù)和材料等方面比較滯后，且飛輪本身屬于機(jī)械部件，長期高速轉(zhuǎn)動工況下存在安全隱患。所以，中國飛輪儲能系統(tǒng)的研究目前仍停留在小功率的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)開發(fā)階段，距離實(shí)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(shè)備是將制動能量逆變轉(zhuǎn)換為交流電后向地鐵35 kV或10 kV中壓環(huán)網(wǎng)發(fā)送，通過中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)再分配向其他設(shè)備供電；低壓逆變型設(shè)備是將制動能量轉(zhuǎn)換為交流電后向本站變電所400 V系統(tǒng)供電，由本車站變電所低壓動照設(shè)備吸收利用。

中壓逆變型再生能吸收裝置是技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、國產(chǎn)化率高的再生能吸收方案，在近幾年新建設(shè)的城市軌道交通中應(yīng)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(shè)置，其詳細(xì)工作原理見下節(jié)。

2 中壓逆變式再生能系統(tǒng)

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(jī)組旁并聯(lián)一組由逆變裝置和升壓變壓器組成的系統(tǒng)；當(dāng)有制動能量返送牽引網(wǎng)時(shí)，母線電壓抬升，超過設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)啟動并從牽引網(wǎng)吸收電流，制動能量完成向電網(wǎng)回饋[9]。采用IGBT高頻開關(guān)器件可以進(jìn)一步提高并網(wǎng)的電能質(zhì)量，且響應(yīng)更為迅速，現(xiàn)在已經(jīng)成為主流的研究方向[10]。能量回饋系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 能量回饋系統(tǒng)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(nèi)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(guān)）、逆變柜、隔離變壓器等組成，其主要功能為通過對牽引網(wǎng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓控制，確保列車再生電制動功能的充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)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(jìn)的網(wǎng)壓判斷技術(shù)，網(wǎng)壓的判斷條件應(yīng)分別取自交、直流側(cè)。設(shè)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(shè)備消耗的條件下進(jìn)行工作，車輛啟動、加速、惰行、夜間停車等工況下，設(shè)備不得投入。當(dāng)車輛再生電制動完畢，設(shè)備可靠撤出，處于待命狀態(tài)。

3 實(shí)例分析

以國內(nèi)中部某城市軌道交通為例，介紹地鐵中壓能饋裝置實(shí)際應(yīng)用，并通過仿真計(jì)算其回饋電量及經(jīng)濟(jì)性。由于此工程尚未開通運(yùn)營，其城市、名稱、站點(diǎn)等信息暫不公開。

3.1 實(shí)例線路供電系統(tǒng)

實(shí)例工程線路全長22.7 km，設(shè)站16 座，全部為地下車站，設(shè)車輛基地與停車場各1座。

表1 正線牽引所間距

全線共設(shè)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(nèi)均設(shè)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(tǒng)供電臂長度。

3.2 行車組織

實(shí)例工程初、近、遠(yuǎn)期均采用B型車6輛編組，列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，初期旅行速度為33 km/h，近、遠(yuǎn)期旅行速度為35 km/h。其全日行車計(jì)劃如表2 所示。其中，根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，初期為建成通車后第3年；近期為建成通車后第10年；遠(yuǎn)期為建成通車后第25年。實(shí)例工程初、近、遠(yuǎn)期高峰時(shí)段列車對數(shù)分別為12對/h、21對/h和27對/h。

表2 該地鐵全日行車計(jì)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(tǒng)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(jìn)行仿真，分析能饋裝置的回饋能量及經(jīng)濟(jì)性收益。輸入數(shù)據(jù)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(tǒng)圖。仿真結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 不同開行對數(shù)下各牽引所回饋功率有效值

圖3 所示為不同開行對數(shù)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(shù)時(shí)，回饋功率不同，但各對數(shù)情況下的回饋功率相差不大；綜合分析各牽引所能饋數(shù)據(jù)，開行對數(shù)與回饋功率無線性相關(guān)關(guān)系，列車開行對數(shù)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(shù)時(shí)，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(guān)。

圖4 所示為各開行對數(shù)下全線每小時(shí)總回饋能量。列車開行對數(shù)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(shí)12～21 對范圍內(nèi)，全線總回饋能量最大。產(chǎn)生這一規(guī)律的原因?yàn)楫?dāng)列車開行對數(shù)較小時(shí)，全線同時(shí)開行的列車較少，進(jìn)而產(chǎn)生的總回饋能量較少；當(dāng)列車開行對數(shù)較大時(shí)，雖然全線產(chǎn)生的總回饋能量較大，但每一供電臂上，同時(shí)開行的列車較多，回饋能量會優(yōu)先被同一供電臂上的其他列車吸收利用，因此再生能相應(yīng)減小。

圖4 各開行對數(shù)下全線每小時(shí)總回饋電能/（kW·h）

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)圖4 中的各開行對數(shù)情況下全線每小時(shí)總回饋電能，結(jié)合表2中地鐵全日行車計(jì)劃表，可計(jì)算得出實(shí)例工程開通運(yùn)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(jié)省的經(jīng)濟(jì)。

經(jīng)過計(jì)算，實(shí)例工程運(yùn)營初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線產(chǎn)生的再生能如表3所示。假設(shè)地鐵供電系統(tǒng)電費(fèi)為0.7元/kW·h，則初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線通過再生能節(jié)省的電費(fèi)如表4所示[12]。

表3 初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線產(chǎn)生的再生能電量104kW·h

表4 初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線通過再生能節(jié)省的電費(fèi)萬元

以當(dāng)前再生能成套裝置的價(jià)格估計(jì)，單牽引變電所內(nèi)單套成套裝置約200萬元，全線正線共9個(gè)牽引所，設(shè)備投資約1 800 萬元。由表4 可知，牽引所內(nèi)設(shè)置中壓能饋式再生能吸收裝置后，每年運(yùn)營節(jié)省的電費(fèi)約600～700萬元，考慮一定的冗余以及仿真的誤差，運(yùn)營約3～4年節(jié)省的電費(fèi)可抵扣設(shè)備的投資成本。假設(shè)設(shè)備可運(yùn)行30 年，共節(jié)約電費(fèi)約2 億元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了再生能的產(chǎn)生以及主流的幾種再生能吸收方案的優(yōu)劣，并對當(dāng)前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的中壓逆變式能饋吸收裝置進(jìn)行重點(diǎn)介紹。以國內(nèi)某中部城市軌道交通某工程為實(shí)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(jīng)濟(jì)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(shí)例工程開通運(yùn)營后，根據(jù)運(yùn)營真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步驗(yàn)證中壓逆變能饋方案的實(shí)際效益。