摘 要：文章介紹了目前國內(nèi)地鐵牽引供電系統(tǒng)再生能量裝置采用的主要技術(shù)方案，分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)；新建對(duì)地鐵線路的再生能量方案提出了建議。

關(guān)鍵詞：地鐵牽引；供電系統(tǒng)；再生能量

引言

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速。目前國內(nèi)軌道交通車輛普遍采用先進(jìn)的VVVF調(diào)速技術(shù)，地鐵車輛在運(yùn)行過程中，由于站間距一般較短，車輛啟制動(dòng)性能較高，從能量相互轉(zhuǎn)換的角度來看，制動(dòng)能量是相當(dāng)可觀的。但是，在采用電阻耗散方案的再生能量系統(tǒng)中，多余的能源被電阻消耗掉，不但不能節(jié)能，反而增加了城市軌道交通線路通風(fēng)散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，因此研究城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用技術(shù)，提高再生制動(dòng)能量利用率，對(duì)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有很重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)組成

在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，電能從10kV（或35kV）交流母線經(jīng)牽引降壓變壓所、饋電線、接觸網(wǎng)輸送給軌道交通車輛，產(chǎn)生的電流從軌道交通車輛行駛的鋼軌和回流線流回變電所。由饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌和回流線組成的供電網(wǎng)絡(luò)稱為牽引網(wǎng)。

地鐵牽引供電系統(tǒng)由牽引降壓變電所和牽引網(wǎng)組成，其中牽引降壓變電所和接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的主要組成部分。地鐵牽引供電系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 地鐵牽引供電系統(tǒng)示意圖

地鐵車輛的制動(dòng)方式為電制動(dòng)（再生制動(dòng)）和空氣制動(dòng)，運(yùn)行中以電制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量除了一定比例（一般為20%～80%）被其他相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。當(dāng)列車發(fā)車密度較低時(shí)，再生能量被其他車輛吸收的概率將大大降低。

2 天津地鐵1號(hào)線再生能方案

天津地鐵1號(hào)線為改善既有線西站至新華路早期建設(shè)區(qū)段的隧道溫度，劉園至雙林全線采用電阻耗能型再生能量吸收裝置。其主要工作原理是：當(dāng)處于再生制動(dòng)工況的列車產(chǎn)生的制動(dòng)能量不能完全被其它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，以最大限度地發(fā)揮再生制動(dòng)性能。該方案的示意圖2所示。

圖2 電阻能耗型方案示意圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)：控制簡單和直觀，可以取消（或減少）列車電阻制動(dòng)裝置，降低車輛投資，提高列車動(dòng)力性能；能夠降低隧道溫度、減少閘瓦制動(dòng)對(duì)閘瓦的消耗和閘瓦制動(dòng)粉塵、凈化隧道環(huán)境，而且國內(nèi)有比較成熟產(chǎn)品制造，價(jià)格較低。

該方案的缺點(diǎn)：該裝置設(shè)置在地下變電所內(nèi)，再生制動(dòng)能量在吸收電阻上集中發(fā)熱消耗，導(dǎo)致放置電阻柜的設(shè)備房間環(huán)境溫度上升，還需采取措施保證足夠的通風(fēng)量。該裝置在1號(hào)線使用過程中并沒有將再生能量進(jìn)行有效利用，未達(dá)到節(jié)能效果。制動(dòng)電阻柜放置在地面上與風(fēng)亭合建或者做成護(hù)欄形式，雖然能夠保證熱量的及時(shí)發(fā)散，但是涉及拆遷、環(huán)評(píng)、規(guī)劃等事宜，難度較大。從節(jié)能的角度，電阻能耗型設(shè)備不代表再生能量吸收技術(shù)的發(fā)展方向。

3 低壓逆變方案（逆變至400V）

能饋式再生制動(dòng)能量吸收方式是通過逆變裝置將能量回饋至交流電網(wǎng)供其它用電設(shè)備使用，可以節(jié)約機(jī)車制動(dòng)電阻，減少地鐵洞體溫升并減少通風(fēng)設(shè)備的能耗，是節(jié)約能源的一種再生制動(dòng)能量吸收利用方式，這里的交流電網(wǎng)可以是低壓400V母線，也可以是變電所10kV（或35kV）交流電網(wǎng)。低壓逆變方案的原理如下圖所示。

圖3 低壓逆變方案示意圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)國內(nèi)已正常通車的線路運(yùn)營效果可以看出逆變裝置與電阻裝置間吸收能量之比約8：2，電阻裝置發(fā)熱量將明顯降低，可選用2面電阻柜，比電阻耗能型制動(dòng)電阻裝置減少一面電阻柜。

該方案的缺點(diǎn)：受制于逆變電壓等級(jí)（0.4kV）與IGBT元器件生產(chǎn)工藝，目前低壓逆變裝置750V系統(tǒng)最大容量650kW，1500V系統(tǒng)最大容量為1200kW，因此低壓逆變方案仍需配備2面電阻柜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。低壓逆變方案在國內(nèi)多條地鐵線路里采用，如重慶1號(hào)線一期、重慶輕軌3號(hào)線、重慶地鐵6號(hào)線一期、北京9號(hào)線等。

2007年底，天津地鐵1號(hào)線對(duì)低壓逆變方案進(jìn)行了掛網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，逆變裝置運(yùn)行比較平穩(wěn)，但從回饋的電度表上顯示的吸收電量不理想，未能全線推廣應(yīng)用。

4 中壓逆變回饋型方案

中壓逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。中壓逆變型裝置目前基本功率單元為1000kW，若設(shè)備容量需求高于1000kW，可采取并聯(lián)模塊的方式來實(shí)現(xiàn)。因此，中壓逆變裝置通常不設(shè)置電阻。

中壓能饋型再生制動(dòng)裝置目前已在北京地鐵10號(hào)線二期工程等線路示范應(yīng)用，運(yùn)營情況良好且節(jié)能效果顯著。

該方案的優(yōu)點(diǎn)：充分利用了列車再生制動(dòng)能量，提高了再生能量的利用率，節(jié)能效果好，并可減少列車制動(dòng)電阻的容量；其能量直接回饋到中壓環(huán)網(wǎng)不需要配置儲(chǔ)能元件；對(duì)環(huán)境溫度影響小，適合大功率室內(nèi)安裝的情況。

該方案的缺點(diǎn)：該方案已在國內(nèi)個(gè)別城市的線路中掛網(wǎng)運(yùn)行，但是缺少長期運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

5 新線建設(shè)中再生能量系統(tǒng)方案的建議

電阻耗能型再生能量消耗裝置技術(shù)已成熟，在國內(nèi)也有大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但其沒有節(jié)能效果，不推薦采用。

中壓能饋型裝置代表了再生電能利用技術(shù)的最新發(fā)展方向，目前在北京地鐵10號(hào)線二期和14號(hào)線各選取了2座牽引變電所進(jìn)行示范性應(yīng)用節(jié)能效果良好，推薦采用。

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作者簡介：陳懷軍，男，工程師，就職于天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司