李由，張浩，卜立峰，劉煒，張戩，吳拓劍

從列車運(yùn)行能耗角度探討逆變回饋裝置節(jié)能效果

李由1，張浩1，卜立峰2，劉煒1，張戩1，吳拓劍1

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000)

針對(duì)逆變回饋裝置節(jié)能效果的評(píng)估問(wèn)題，對(duì)安裝有逆變回饋裝置的廣州地鐵21號(hào)線進(jìn)行測(cè)試，記錄列車運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)。分析不同逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓下，在不同運(yùn)行時(shí)段內(nèi)車載制動(dòng)電阻能耗占總再生制動(dòng)能量的比例。從列車運(yùn)行能耗的角度提出列車運(yùn)行總節(jié)能量及系統(tǒng)級(jí)節(jié)能評(píng)估指標(biāo)——再生制動(dòng)能量利用變化率，評(píng)估指標(biāo)只需要測(cè)量列車數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明：投入逆變回饋裝置后，投入?yún)^(qū)間的再生制動(dòng)能量利用率提高了45.45%，全線再生制動(dòng)能量利用率提高了16.00%，全線全天列車運(yùn)行節(jié)省電量可達(dá)5 952.114 kWh，逆變回饋裝置的節(jié)能效果較為顯著。逆變回饋裝置的啟動(dòng)電壓對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果也有較大影響，啟動(dòng)電壓為1 720 V與1 770 V時(shí)，全線再生制動(dòng)能量利用變化率相差14.11%。

城市軌道交通；逆變回饋；再生制動(dòng)；車載制動(dòng)電阻；節(jié)能指標(biāo)

中國(guó)城市化進(jìn)程加速，目前已有36個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)路線總長(zhǎng)度達(dá)5 400多km[1]。能饋型再生能量利用裝置已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到了推廣應(yīng)用[2]。提高再生制動(dòng)能量利用率，降低牽引能耗，從而滿足節(jié)能減排的要求，是未來(lái)再生制動(dòng)能量利用裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)[3-4]。許伶俐等[5]通過(guò)實(shí)測(cè)分析出單列車的再生制動(dòng)能量占牽引能量的35%~56%，證明了再生制動(dòng)能量的數(shù)目十分可觀。張煥等[6]結(jié)合線路信息分析列車能耗的影響因素，但未考慮再生能量利用裝置對(duì)系統(tǒng)節(jié)能效果的影響。TIAN等[7]分析了逆變回饋裝置相對(duì)于超級(jí)電容、飛輪等再生制動(dòng)利用裝置在安裝空間、成本、可靠性和使用壽命等方面的優(yōu)勢(shì)。徐彥等[8]通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行回饋進(jìn)行實(shí)測(cè)，得出牽引所逆變裝置反饋能量效果明顯的結(jié)論，并給出適當(dāng)減少或取消車載制動(dòng)電阻的建議。逆變回饋裝置可以通過(guò)將直流側(cè)列車的制動(dòng)能量反饋至交流側(cè)的方式替代車載制動(dòng)電阻消耗剩余的再生制動(dòng)能量，但能否全部取消車載制動(dòng)電阻仍需討論[9-11]。目前對(duì)逆變回饋裝置節(jié)能效果的評(píng)估較多著眼于裝置本身的反饋能量，而從整條線路出發(fā)，對(duì)逆變回饋裝置投入后系統(tǒng)能源節(jié)約程度的研究尚且不足[12]。álvaro等[13]考慮了全日發(fā)車計(jì)劃，從供電系統(tǒng)日耗電量角度定義了逆變回饋裝置系統(tǒng)級(jí)節(jié)能指標(biāo)，但由于參考系統(tǒng)中主所全日能耗每天都在變化，因此，從該角度提出的系統(tǒng)級(jí)節(jié)能指標(biāo)不夠準(zhǔn)確?；谝陨犀F(xiàn)狀，以廣州地鐵21號(hào)線為例，對(duì)列車運(yùn)行能耗進(jìn)行測(cè)試。研究不投入與投入逆變回饋裝置的情況下，不同運(yùn)行時(shí)段內(nèi)車載制動(dòng)電阻能耗占總再生制動(dòng)能量的比例，探討車載制動(dòng)電阻的啟動(dòng)情況；從列車運(yùn)行能耗的角度出發(fā)，推導(dǎo)列車運(yùn)行總節(jié)能量并提出系統(tǒng)級(jí)節(jié)能評(píng)估指標(biāo)；對(duì)不同啟動(dòng)電壓下，逆變回饋裝置的節(jié)能效果進(jìn)行了評(píng)估。

1 測(cè)試方案

廣州地鐵21號(hào)線為一條東西向線路，線路開(kāi)通段長(zhǎng)度為26 km，采用6輛編組B型車，4動(dòng)2拖，列車最高運(yùn)行速度為120 km/h，列車額定載重291.8 t。供電系統(tǒng)設(shè)有向西主變電所和象嶺主變電所兩座主變電所，覆蓋鎮(zhèn)龍西站、鎮(zhèn)龍站、中新站、坑貝站、鳳崗站、朱村站、山田站、鐘崗站和增城廣場(chǎng)站9座牽引降壓混合所(牽混所)，朱山區(qū)間所和山鐘區(qū)間所2個(gè)區(qū)間所以及1個(gè)停車場(chǎng)，該線路整流機(jī)組空載電壓在1 680 V左右。主變電所二次側(cè)交流母線電壓等級(jí)為33 kV，分別向各個(gè)牽混所供電。廣州地鐵21號(hào)線供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 廣州地鐵21號(hào)線供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

列車在電機(jī)、車載制動(dòng)電阻箱等處安裝有電壓、電流傳感器[14]。以24 h為測(cè)試周期，通過(guò)城市軌道電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀記錄車載制動(dòng)電阻箱的電壓、電流并通過(guò)式(1)計(jì)算車載制動(dòng)電阻能耗。

列車從發(fā)車時(shí)刻0經(jīng)運(yùn)行時(shí)段的車載制動(dòng)能耗表達(dá)式如式(1)所示。

對(duì)逆變回饋裝置選取不同的啟動(dòng)電壓，重復(fù)測(cè)試過(guò)程。

2 逆變回饋裝置節(jié)能效果的評(píng)估指標(biāo)

本文從列車運(yùn)行能耗的角度提出了逆變回饋裝置系統(tǒng)級(jí)節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)，包括車載制動(dòng)電阻能耗占比1，列車運(yùn)行能耗角度的系統(tǒng)節(jié)省電量及系統(tǒng)再生制動(dòng)能量利用變化率2。

假設(shè)Case1為未投入逆變回饋裝置的直流牽引供電系統(tǒng)，Case2為投入了逆變回饋裝置的系統(tǒng)。在不考慮網(wǎng)損等損耗的情況下，Case1的能量流向示意圖如圖2所示。

圖2 Case1系統(tǒng)能量流向示意圖

T為全線牽混所的總牽引能耗，trac為全線列車的總能耗，包括列車的動(dòng)力負(fù)荷k，輔助用電aux和總制動(dòng)能耗reg。在相同的線路條件與行車組織下，trac與reg不變。reg-trac為相鄰牽引列車實(shí)際吸收的再生制動(dòng)能量總和，res為全線列車車載制動(dòng)電阻消耗的總能量。由圖2可以得到Case1的能量關(guān)系如式(2)所示。

定義車載制動(dòng)電阻能耗占比1如式(3)所示。

Case2的能量流向示意圖如圖3所示。

F為全線逆變回饋裝置從直流側(cè)反饋回交流側(cè)的總電量。由圖3可以得到Case2的能量關(guān)系如式(4)所示。

從列車運(yùn)行能耗的角度推導(dǎo)，投入逆變回饋裝置后，列車運(yùn)行總節(jié)能量如式(5)所示。

通過(guò)式(5)可以看出，投入逆變回饋裝置后，列車能耗的節(jié)能量與列車車載制動(dòng)電阻能耗的減少量相等。相比于傳統(tǒng)的計(jì)算方法，式(5)從列車運(yùn)行能耗的角度給出了僅通過(guò)測(cè)量列車運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估逆變回饋裝置節(jié)能效果的可行性，不需要在每個(gè)牽引所的逆變回饋裝置安裝處對(duì)裝置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量從而得到逆變回饋裝置的節(jié)能量。

為了進(jìn)一步評(píng)估投入逆變回饋裝置對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果，定義了再生制動(dòng)能量利用變化率2如式(6)所示。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 車載制動(dòng)電阻能耗占比分析

廣州地鐵21號(hào)線的測(cè)試結(jié)果分別如圖4與圖5所示，其數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計(jì)了在早晚收發(fā)車時(shí)段(早發(fā)車：上行5:30~6:00，下行6:04~6:34，晚收車：上行21:55~22:25，下行22:28~22:58)與其他時(shí)段(上行8:40~9:10，下行9:14~9:44)4種情況下全線各區(qū)間的車載制動(dòng)電阻能耗的占比情況。4種情況分別為：1 720，1 750和1 770 V啟動(dòng)電壓下投入逆變回饋裝置以及不投入逆變回饋裝置。

由圖4可以得出如下結(jié)論：早發(fā)車與晚收車時(shí)段多數(shù)區(qū)間內(nèi)，在不投入逆變回饋裝置時(shí)，車載制動(dòng)電阻能耗的占比1要高于投入逆變回饋裝置時(shí)的1；在不投入逆變回饋裝置時(shí)，1較高，如中新至鳳崗區(qū)間，早晚收發(fā)車時(shí)段不投逆變回饋裝置時(shí)，1最高可達(dá)60%以上，即列車60%以上的再生制動(dòng)能量沒(méi)有得到有效利用。在投入逆變回饋裝置時(shí)，1隨逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓的升高而增大。

圖4 早晚收發(fā)車時(shí)段逆變回饋裝置不同啟動(dòng)電壓下全線各區(qū)間η1

圖5 平常時(shí)段逆變回饋裝置不同啟動(dòng)電壓下全線各區(qū)間η1

由圖5可以得出：與早晚收發(fā)車時(shí)段類似，不投入逆變回饋裝置時(shí)，1整體偏高；在投入逆變回饋裝置時(shí)，1隨逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓的升高而增大。相比于早晚收發(fā)車時(shí)段，除線路兩端以外的各區(qū)間內(nèi)，平常時(shí)段的1均降低。這是因?yàn)榕c早晚收發(fā)車時(shí)段相比，平常時(shí)段內(nèi)，線路上列車密度較高，當(dāng)有列車制動(dòng)時(shí)，線路上有更多與其相鄰的牽引列車吸收其再生制動(dòng)能量，從而穩(wěn)定網(wǎng)壓，減少車載制動(dòng)電阻的啟動(dòng)。

統(tǒng)計(jì)得到早晚收發(fā)車時(shí)段全線的車載制動(dòng)電阻能耗占比情況如表1所示。

表1 早晚收發(fā)車時(shí)段全線η1

由表1可得如下結(jié)論：從全線角度來(lái)看，當(dāng)系統(tǒng)中未投入逆變回饋裝置時(shí)，1最大，本可以由逆變回饋裝置反饋回中壓網(wǎng)絡(luò)再利用的制動(dòng)能量被車載制動(dòng)電阻消耗，從而造成了電能的浪費(fèi)。當(dāng)設(shè)置逆變裝置啟動(dòng)電壓為1 720 V時(shí)，逆變回饋裝置控制牽引網(wǎng)網(wǎng)壓在較低水平，區(qū)間內(nèi)車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)較少；但當(dāng)調(diào)高了逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓后，整體網(wǎng)壓水平變高，車載制動(dòng)電阻啟動(dòng)增多。在相同的線路條件與行車組織下，reg不變，因此1增大。

統(tǒng)計(jì)得到平常時(shí)段全線車載制動(dòng)電阻能耗占比情況如表2所示。

表2 平常時(shí)段全線η1

由表2可以看出，平常時(shí)段與早晚收發(fā)車時(shí)段統(tǒng)計(jì)得到的全線1情況規(guī)律一致，但1整體偏低。

綜合上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1) 線路上與制動(dòng)列車相鄰的牽引列車以及逆變回饋裝置的投入均能夠在一定程度上吸收線路上制動(dòng)列車的再生制動(dòng)能量，從而抑制牽引網(wǎng)壓進(jìn)一步抬升，并避免大量制動(dòng)能量消耗在車載制動(dòng)電阻上；

2) 不投入逆變回饋裝置時(shí)，1整體偏高，投入逆變回饋裝置之后，可以使更多制動(dòng)能量得到有效利用；

3) 當(dāng)線路上列車密度較低時(shí)(如早晚收發(fā)車時(shí)段)，1整體偏高，是否投入逆變回饋裝置對(duì)車載制動(dòng)電阻能耗的影響更大，從而對(duì)節(jié)能效果產(chǎn)生更大的影響；

4) 逆變回饋裝置的啟動(dòng)電壓對(duì)裝置的節(jié)能效果具有一定的影響，投入逆變回饋裝置時(shí)，1隨逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓的升高而增大；

5) 出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，逆變回饋裝置的容量及安裝位置有限，而且不同行車組織下線路中列車位置分布與能量分布情況存在一定差異，因此僅依靠逆變回饋裝置與相鄰牽引列車將線路上的再生制動(dòng)能量完全吸收是較為困難的，此時(shí)，車載制動(dòng)電阻介入吸收線路上剩余的制動(dòng)能量，防止?fàn)恳W(wǎng)壓進(jìn)一步升高，避免列車電制動(dòng)失效。

3.2 逆變回饋裝置節(jié)能效果分析

根據(jù)廣州地鐵21號(hào)線實(shí)際的行車計(jì)劃，測(cè)試期間全天共上行發(fā)車120次、下行發(fā)車120次，對(duì)全部行車結(jié)果進(jìn)行測(cè)量與統(tǒng)計(jì)。

由于投入的逆變回饋裝置數(shù)量較少，為了評(píng)估逆變回饋裝置的節(jié)能效果，本文選擇兩端均投入了逆變回饋裝置的鐘崗?增城廣場(chǎng)區(qū)間以及全線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算得到逆變回饋裝置在不同啟動(dòng)電壓下鐘崗?增城廣場(chǎng)區(qū)段以及全線全天列車運(yùn)行總節(jié)能量與再生制動(dòng)能量利用變化率2，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如表3與表4所示。

表3 鐘崗-增城廣場(chǎng)區(qū)間W及η2

由表3與表4可以看出，在投入了逆變回饋裝置的情況下，系統(tǒng)利用了更多的再生制動(dòng)能量，從而節(jié)省了列車運(yùn)行的耗電量。逆變回饋裝置具有一定的節(jié)能效果。不同啟動(dòng)電壓下，逆變回饋裝置的節(jié)能效果不同。

表4 全線全天W及η2

綜合上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論：

1) 對(duì)于整條線路而言，從列車運(yùn)行能耗的角度評(píng)估可知，逆變回饋裝置具有一定的節(jié)能效果；

2) 城市軌道牽引供電系統(tǒng)目前廣泛使用電纜供電，供電系統(tǒng)接入點(diǎn)處的電壓偏高，導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓也會(huì)較高。在線路空載電壓較高的情況下，隨著逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓的升高，雖然鄰車吸收的可能性增多，但1增大，與2均降低，節(jié)能效果變差；

3) 結(jié)合圖3與式(6)可以看出，當(dāng)逆變回饋裝置的啟動(dòng)電壓升高時(shí)，車載制動(dòng)電阻能耗占比1增大。由于在相同的線路條件與行車組織下，列車總牽引能耗trac，總制動(dòng)能量reg相當(dāng)，因此當(dāng)車載制動(dòng)電阻能耗res增加時(shí)，能被系統(tǒng)有效利用的再生制動(dòng)能量減少，導(dǎo)致系統(tǒng)的節(jié)能效果變差，這與分析實(shí)測(cè)結(jié)果所得到的上述結(jié)論一致。

4 結(jié)論

1) 牽引供電系統(tǒng)投入逆變回饋裝置后，列車能耗的總節(jié)能量即為列車車載制動(dòng)電阻能耗的總減少量。本文基于此提出的逆變回饋裝置節(jié)能效果評(píng)估指標(biāo)只需要列車運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2) 逆變回饋裝置對(duì)牽引供電系統(tǒng)的節(jié)能具有一定效果，當(dāng)供電系統(tǒng)中未投入逆變回饋裝置時(shí)，本可以由逆變回饋裝置所反饋的電量被車載制動(dòng)電阻消耗，造成了電能的浪費(fèi)。

3) 在早發(fā)車、晚收車等時(shí)段，線路中列車分布較為稀疏，相鄰牽引列車吸收制動(dòng)列車的制動(dòng)能量較少，因此存在較多未被利用的再生制動(dòng)能量。此時(shí)，是否投入逆變回饋裝置對(duì)車載制動(dòng)電阻的啟動(dòng)情況具有更大的影響；同時(shí)，車載制動(dòng)電阻的介入能夠在一定程度上避免列車電制動(dòng)失效。

4) 逆變回饋裝置的啟動(dòng)電壓會(huì)對(duì)其節(jié)能效果產(chǎn)生影響，空載電壓較高時(shí)，隨著逆變回饋裝置啟動(dòng)電壓的升高，裝置對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果會(huì)降低。因此可以通過(guò)本文的實(shí)測(cè)及分析方法，針對(duì)具體線路選取合適的啟動(dòng)電壓，從而獲得良好的節(jié)能效果。

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Discussion of the energy-saving effect of inverter feedback devices from energy consumption of traveling trains

LI You1, ZHANG Hao1, BU Lifeng2, LIU Wei1, ZHANG Jian1, WU Tuojian1

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China;2. Guangzhou Metro Co., Ltd., Guangzhou 510000, China)

To evaluate the energy-saving effect of inverter feedback device, this paper tested Guangzhou metro line 21 which installed the inverter feedback devices, and recorded the data of the traveling trains; this paper analyzed the ratio of the energy consumption of vehicle braking resistance to the total regenerative braking energy during different periods when the starting voltage of the inverter feedback devices are different. An evaluation index of the system from the energy consumption of the travelling trains, change rate of regenerative braking energy utilization was also established, which only needs to test the data of the trains. The results showed that rate of regenerative braking energy utilization can increase 45.45% within the range where installed the inverter feedback devices. The energy saving rate across the whole line can increase 16.00%. The whole line could save 5 952.114 kWh of power a day, and the energy-saving effect of inverter feedback devices is remarkable. The starting voltage of inverter feedback devices also has a great influence on the system energy saving effect. when starting voltage are under 1 720 V and 1 770 V, the difference of the change rate of regenerative braking energy utilization can reach 14.11%.

urban rail transit; inverter feedback; regenerative brake; vehicle braking resistance; index of energy saving

U239.5

A

1672 ? 7029(2020)09 ? 2381 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u. T20191128

2019?12?13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51607148)

劉煒(1982?)，男，湖南益陽(yáng)人，副教授，從事?tīng)恳╇娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)仿真，再生制動(dòng)能量利用，雜散電流研究；E?mail：liuwei_8208@swjtu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)