楊雪凇，黃 文，李 劍，岳 巖

0 引言

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，東至河北省黃驊市黃驊港口站，基本呈西東走向，正線全長594.132 km，共設(shè)車站34座，為國家Ⅰ級干線、雙線重載電氣化鐵路[1]。

朔黃鐵路西與神朔、南北同蒲鐵路相連，東與京九鐵路、黃萬鐵路和黃驊港連接，是我國西煤東運第二大通道，在全國路網(wǎng)中占有重要地位。線路與神朔鐵路接軌后，為大規(guī)模開發(fā)神府東勝煤田創(chuàng)造了條件，對加快沿線地方經(jīng)濟發(fā)展，保證華東及東南沿海地區(qū)能源供應具有極其重要的戰(zhàn)略意義。如何實現(xiàn)重載鐵路的高效節(jié)能，提升運營效益，已成為行業(yè)關(guān)注的重點，其中再生制動能量利用對于電氣化鐵路的高效節(jié)能意義重大。

1 再生制動能量產(chǎn)生原理及流向

1.1 機車再生制動能量產(chǎn)生原理

再生制動能量來自線路中運行的電力機車。目前朔黃鐵路實際運行的機車車型包括和諧系列（HXD1）和韶山系列（SS4B）兩種。按照主電路結(jié)構(gòu)，HXD1系列交流傳動機車采用了最新一代傳動技術(shù)，主要由機車變壓器、四象限變流器、中間直流環(huán)節(jié)、三相交流牽引電機等組成。當列車處于制動模式時，三相交流牽引電機可實現(xiàn)將動能轉(zhuǎn)化為電能；四象限變流器采用IGBT全控型核心器件，可實現(xiàn)控制能量的雙向流動，因此能夠通過再生制動方式將能量反送至牽引網(wǎng)。而SS4B機車采用交直主電路結(jié)構(gòu)，為上一代傳動系統(tǒng)，采用晶閘管半控橋整流電路串聯(lián)調(diào)壓方式，不含全控橋，無法實現(xiàn)控制能量的雙向流動，因此不能反送再生能量[2]，需增加車載電阻以消耗多余制動能量。因此，HXD1機車是朔黃鐵路再生制動能量的主要來源。

1.2 機車再生制動能量流向

牽引供電系統(tǒng)再生制動能量的多少以及再利用情況受線路坡度、行車密度及車型等因素的影響。針對電氣化鐵路和城市軌道交通，再生制動能量的流動軌跡也有所不同。

電氣化鐵路中，電力機車再生制動能量主要存在以下兩種流向：被同一供電臂內(nèi)電力機車利用和返回至電力系統(tǒng)。由于電氣化鐵路牽引網(wǎng)上存在電分相，電力機車再生制動能量最初只能在機車所處的供電臂范圍內(nèi)流動，若該供電臂內(nèi)存在其他相鄰機車（牽引模式下），則再生制動能量利用率將大大增加。若該供電臂內(nèi)不存在其他相鄰機車或相鄰機車處于制動模式，則再生制動能量將無法被合理利用，可能造成牽引網(wǎng)電壓升高，此時，再生制動能量將通過牽引變電所饋線流入27.5 kV母線，再穿越牽引變壓器繞組進入電力系統(tǒng)，由于電力公司通常采用電能返送正計或返送不計的電費計量標準[3，4]，且這部分能量存在電能質(zhì)量問題，因此該情況對鐵路運營單位十分不利。

城市軌道交通一般采用雙邊供電、直流牽引，牽引網(wǎng)上雖然不存在電分相，但在牽引所首端牽引網(wǎng)上存在電分段，電力機車再生制動能量最初在相鄰2個牽引所之間流動，雖然牽引所間距較小，但地鐵行車密度大，且在每個區(qū)間都會啟動和制動，因此區(qū)間普遍存在再生制動能量且被利用情況較好。剩余未被利用的能量一部分可通過牽引所饋線進入牽引所正極直流母線，再經(jīng)過正極直流母線上的其他饋線進入相鄰供電區(qū)間為機車供電；另一部分能量可通過牽引所內(nèi)的再生能量回饋裝置饋送至中壓網(wǎng)絡(luò)，再由中壓網(wǎng)絡(luò)輸送至相鄰牽引、降壓所供電，或反饋至上一級，最終進入電力系統(tǒng)[5，6]。

綜上所述，無論是電氣化鐵路還是城市軌道交通，再生制動能量利用率嚴重依賴于負荷類型和行車運行組織，合理的車輛組合和行車組織密度將直接影響線路運營成本。

現(xiàn)針對重載鐵路、高速鐵路和城市軌道交通3種不同類型的線路對再生制動能量特點進行對比，如表1所示。

從表1可以看出，對于不同類型的牽引負荷，影響其產(chǎn)生再生制動能量的因素有所差異，再生制動能量的利用效果也將受到影響。

2 朔黃鐵路牽引供電系統(tǒng)仿真建模

朔黃鐵路正線由神池南至黃驊港，其中上行的神池南—定州西段坡道集中，海拔迅速降低，定州西以東線路海拔繼續(xù)緩慢下降，但地勢已大大趨于平坦，逐步進入平緩的大平原區(qū)段。

年運量為3.5億噸時，朔黃鐵路公司將以開行2萬噸、1.5萬噸列車和1萬噸列車為主。列車的操縱方式受地形和線路條件影響。據(jù)粗略統(tǒng)計：神池南—黃驊港為上行方向，列車編組重載出站后，機車牽引萬噸列車從高海拔至低海拔走行連續(xù)長大坡道；神池南—定州西區(qū)段，制動工況約占操縱總時長的80%以上，牽引工況約占操縱總時長的10%，剩余時間為怠行工況；經(jīng)過定州西之后則正好相反，牽引工況占操縱總時長超過90%，而制動工況占操縱總時長不超過5%，其余時間為怠行工況。黃驊港—神池南為下行方向，列車空載出站，機車牽引編組駛向高海拔終點，其全程牽引工況約占90%以上，剩余為怠行工況，正常行駛中，幾乎可全程不使用主動制動。

2.1 仿真目標

現(xiàn)以朔黃鐵路神池南—定州西段為例，模擬以50% HXD1機車和50% SS4B機車上線配比作為初始值（工況一），按15 min追蹤間隔交錯運行模擬一次，分析線路用電數(shù)據(jù)及再生電能利用率；在相同運力下，每增加10% HXD1機車上線比例（工況二—工況六），重新規(guī)劃行車對數(shù)和牽引組合方式，按相同追蹤間隔模擬運行若干次，直至全部HXD1機車上線，對上述6種工況用電數(shù)據(jù)和再生電能利用率進行統(tǒng)計和比對；全部采用交直交機車上線時，如果再生電能利用率顯著不足，進一步考察在該區(qū)段的上坡一行增加空載車輛密度的可行性，進行假設(shè)、簡化，并重新規(guī)劃后進行模擬，尋找可能的節(jié)能效果最大值。

根據(jù)以上模擬，尋找該線路機車經(jīng)濟運行的最佳方式，得出相應的節(jié)能效果數(shù)據(jù)。

2.2 模型建立

利用OpenTrack和OpenPowerNet軟件針對朔黃鐵路牽引供電系統(tǒng)進行仿真模擬，需輸入如下基礎(chǔ)資料：

（1）線路資料。根據(jù)全線線路平、縱斷面設(shè)計資料輸入線路長度、線路坡度、轉(zhuǎn)彎半徑、局部地區(qū)限速要求、車站數(shù)量和位置等信息，實現(xiàn)軌道網(wǎng)絡(luò)化布局。

（2）車輛參數(shù)。包括車輛類型（機車和拖車）、長度、載重、牽引額定功率和最大再生制動功率、機車牽引特性曲線、機車電制動特性曲線、最大加/減速度、空氣阻力公式等，以建立列車數(shù)據(jù)庫。

（3）牽引供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。包括供電方式、牽引變電設(shè)施數(shù)量和分布、變壓器容量、牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)等。

（4）行車組織。根據(jù)實際行車密度輸入列車車次、追蹤時分，搭建行車組織模型，以建立時刻表數(shù)據(jù)庫，管理用戶要求的列車離站時間、最小停站時間、列車間的銜接關(guān)系和其他仿真過程中的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。

3 仿真分析

為模擬朔黃鐵路不同車型的單車電流、牽引網(wǎng)電壓以及機車實際運行功率情況，對1列HXD1車和1列SS4B車分別進行仿真分析（在1 h內(nèi)），仿真結(jié)果如圖1—圖4所示。

圖1 HXD1單列機車牽引電流、電壓水平

圖2 HXD1單列機車牽引功率

圖3 SS4B單列機車牽引電流、電壓水平

圖4 SS4B單列機車牽引功率

從上圖可知1列HXD1、SS4B機車運行時相關(guān)關(guān)鍵指標如表2所示。

表2 HXD1、SS4B機車運行時相關(guān)參數(shù)

通過對表2中牽引網(wǎng)最高、最低電壓指標對比可知，牽引網(wǎng)實際電壓明顯高于牽引網(wǎng)標稱電壓（25 kV），說明機車運行過程中長時間處于再生制動狀態(tài)，制動能量反饋至牽引網(wǎng)使得網(wǎng)壓抬升明顯。由于朔黃鐵路運行的SS4B車型沒有再生制動模塊，因此再生能量全部由HXD1車型提供。由表2中電流、功率指標對比可知，兩種車型在同一線路條件下運行參數(shù)具有較大的差異性，HXD1機車牽引電流、牽引功率明顯高于SS4B機車，因此HXD1機車為主要能耗負荷。

現(xiàn)對工況一—工況六進行仿真，得到神池南—定州西段牽引變電所實際運行總功率，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 牽引變電所總功率分布情況

根據(jù)以上仿真結(jié)果，對朔黃鐵路神池南—定州西段牽引能耗及再生電能等指標進行統(tǒng)計，如表3所示。

由表3可以看出：隨著HXD1機車對數(shù)逐漸增加、SS4B機車對數(shù)逐漸減少，在高峰小時內(nèi)機車追蹤時間保持不變的情況下，全線由機車電制動產(chǎn)生的再生電量利用率呈逐漸上升趨勢；對于工況一—工況四，隨著HXD1機車的不斷增加，再生能量利用率平穩(wěn)緩慢上升；對于工況四—工況六，隨著HXD1機車的不斷增加，再生能量利用率上升趨勢較明顯，當全部為HXD1機車時達到頂峰。

表3 牽引能耗及再生電能數(shù)據(jù)

朔黃鐵路神池南—定州西段共設(shè)有9個牽引變電所，對各變電所電度電費按0.487 2元/kW·h估算。工況一時變電所在高峰小時共消耗電能16.874萬kW·h，其中再生電能為5.265萬kW·h，節(jié)約電度電費為2.565萬元，占比達31%；工況二時變電所在高峰小時共消耗電能17.519萬kW·h，其中再生電能為5.973萬kW·h，節(jié)約電度電費為2.910萬元，占比達34%；工況三時變電所在高峰小時共消耗電能18.116萬kW·h，其中再生電能為6.486萬kW·h，節(jié)約電度電費為3.160萬元，占比達36%；工況四時變電所在高峰小時共消耗電能19.484萬kW·h，其中再生電能為7.208萬kW·h，節(jié)約電度電費為3.512萬元，占比達37%；工況五時變電所在高峰小時共消耗電能20.062萬kW·h，其中再生電能為8.237萬kW·h，節(jié)約電度電費為4.013萬元，占比達41%；工況六時變電所在高峰小時共消耗電能21.195萬kW·h，其中再生電能為10.531萬kW·h，節(jié)約電度電費為5.131萬元，占比達50%。因此，仿真結(jié)果顯示本線機車產(chǎn)生的再生能量可以較好地被相鄰機車利用，從而盡可能少返送回電網(wǎng)，節(jié)省了電度電費。

4 建議

（1）由于機車電制動產(chǎn)生的再生電能利用率隨著HXD1機車對數(shù)增加呈逐漸上升趨勢，因此建議在實際運營中盡量安排HXD1機車上線運行。

（2）全部為HXD1機車時再生能量利用率已達到50%，從經(jīng)濟性角度分析，建議不設(shè)置再生制動能量存儲或回饋裝置。

（3）建議機車的追蹤運行間隔時分控制在15 min以內(nèi)，使每個供電臂大概率至少存在2對機車同時運行，以保證再生能量被更多機車吸收利用，減少電能消耗。