何禮光 何海華

(廣州ABB微聯(lián)牽引設(shè)備有限公司,510530,廣州∥第一作者，助理工程師)

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再生制動能量回饋系統(tǒng)的能量回饋效率影響因素分析

何禮光 何海華

(廣州ABB微聯(lián)牽引設(shè)備有限公司,510530,廣州∥第一作者，助理工程師)

詳細(xì)分析了城市軌道交通項目在選取再生能量回饋系統(tǒng)時需要考慮的因素。能量回饋系統(tǒng)的安裝間隔直接影響再生制動能量利用率的高低，列車制動時與能量回饋系統(tǒng)的距離也影響能量回饋效率，能量回饋系統(tǒng)安裝點(diǎn)與軌道的距離也會影響能量回饋效率。

城市軌道交通; 列車再生制動; 能量回饋系統(tǒng); 回饋效率

Author′s address ABB Microunion Traction Equipment Limited,510530,Guangzhou,China

能量回饋系統(tǒng)(ERS)和儲能系統(tǒng)(ESS)是再生制動能量管理系統(tǒng)(EMS)的兩種主要方式。逆變回饋方式是將能量逆變至中壓或低壓電網(wǎng),以供給站內(nèi)設(shè)備用電,從而達(dá)到能量循環(huán)利用的目的。儲能方式主要有蓄電池儲能、超級電容儲能和飛輪儲能等幾種。采用儲能方式可緩沖列車電制動時對直流接觸網(wǎng)的沖擊。在早晚高峰時,線上列車較多,儲能系統(tǒng)可在列車牽引過程釋放能量,防止接觸網(wǎng)電壓下降太快；在列車制動時,將能量儲存,實現(xiàn)能量的循環(huán)利用。在采用EMS時,列車不要安裝制動電阻,即可達(dá)到輕量化設(shè)計的目的。目前ABB集團(tuán)有限公司針對軌道交通開發(fā)的Enviline系列EMS在波蘭、土耳其、美國和澳大利亞均有成熟的應(yīng)用業(yè)績。

1 再生制動能量回饋系統(tǒng)選取因素

城市軌道交通項目在安裝ERS時一般需要綜合考慮EMS的安裝距離、列車的運(yùn)行間隔、列車運(yùn)行過程的制動策略、能量管理系統(tǒng)啟動電壓、能量管理系統(tǒng)的功率、電網(wǎng)的吸收能力及投資回報率等因素。

對于新建的線路,可通過提高電網(wǎng)的吸收能力,提高能源利用率。但對已有的線路而言,其電網(wǎng)吸收能力固定,故直流接觸網(wǎng)的阻抗將直接影響再生制動能量傳輸回EMS的效率。而發(fā)車的間隔決定了在線運(yùn)行列車的數(shù)量,從而決定了線上有多少能量能夠回饋。合理的安裝距離、制動策略和發(fā)車的間隔在兼顧投資回報的前提下,可將能量利用的效率最大化。

本文著重分析EMS安裝距離和列車運(yùn)行過程的制動策略(列車制動時離EMS的距離)對EMS能量利用率的影響,并給出ABB Enviline系列ERS在波蘭羅茲城軌項目的應(yīng)用實例。

2 基本技術(shù)參數(shù)

分析使用的技術(shù)參數(shù)選取設(shè)計運(yùn)行速度為120 km/h的地鐵B型車,其供電額定電壓為1 500 V,ERS的啟動電壓和停止電壓分別設(shè)定在1 670 V和1 850 V(可根據(jù)不同城市以及電網(wǎng)的吸收能力進(jìn)行調(diào)整)。具體的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 ABB Enviline系列ERS技術(shù)參數(shù)

表2 基本技術(shù)參數(shù)

選取的地鐵線路共有19座車站。變電站的分布情況如表3所示。發(fā)車間隔及預(yù)估滿載率見表4。

表3 研究線路的變電站分布情況

表4 發(fā)車間隔與預(yù)估滿載率

3 仿真分析

3.1 不同ERS安裝方案的能量回饋分析

由于空間的限制,一般只在牽引變電站內(nèi)安裝ERS,而在未設(shè)變電站的普通車站不設(shè)置ERS。當(dāng)每座牽引變電站均安裝ERS時，每個座車站的再生制動總能量及回饋至電網(wǎng)的能量見圖1。當(dāng)ERS在相隔3～5 km的變電站安裝時，各站ERS的安裝情況見表5，相應(yīng)的各站能量回饋情況見圖2。經(jīng)計算，此時制動電阻消耗的能量約占再生制動總能量的10%，回饋至電網(wǎng)的能量約占90%。

圖1 變電站均安裝ERS時每個站點(diǎn)能量回饋情況

站名站點(diǎn)是否安裝ES站點(diǎn)1是站點(diǎn)2否站點(diǎn)3是站點(diǎn)4否站點(diǎn)5是站點(diǎn)6是站點(diǎn)7否站點(diǎn)8否站點(diǎn)9是站點(diǎn)10否站點(diǎn)11是站點(diǎn)12否站點(diǎn)13否站點(diǎn)14是站點(diǎn)15否站點(diǎn)16是站點(diǎn)17否站點(diǎn)18是站點(diǎn)19否

圖2 相隔3～5 km的變電站安裝ERS時每個站點(diǎn)能量回饋情況

從圖1和圖2可以明顯看出,站點(diǎn)4到站點(diǎn)8的回饋能量明顯下降,且回饋電網(wǎng)的能量占總電制動能量的比例從95%下降到90%。當(dāng)所有變電站均安裝能量回饋系統(tǒng)時,每天回饋的總能量為59.28 MWh,而隔3～5 km變電站安裝時,回饋的總能量為56.24 MWh。按電價0.6元/kWh考慮,一年365 d計算(不考慮工作日與非工作日客流量的差異對能量回饋吸收的影響),則2種安裝方式每年的電價之差約為665 760元。就此線路而言,考慮投資回報率,隔3～5 km變電站安裝ERS方案的經(jīng)濟(jì)效益會更好。

3.2 列車與ERS的距離不同時的電制動能量回饋分析

列車電制動時與ERS的距離(以下簡為“車-ERS距離”)分別為0.5 km、2.0 km、4.0 km的仿真結(jié)果分別如圖3～圖5所示。

圖3 車-ERS距離為0.5 km時能量回饋情況

圖4 車-ERS距離為2 km時能量回饋情況

圖5 車-ERS距離為4.0 km時能量回饋情況

當(dāng)列車電制動時,電網(wǎng)電流突然上升,觸發(fā)ERS開始工作；隨著列車速度減小到0,電網(wǎng)電流隨之下降到0,ERS停止工作。

距離ERS 0.5 km時，列車開始電制動。ERS的工作電流與接觸網(wǎng)電流的變化基本一致(如圖3所示)?？梢?，實際通過ERS的能量與線上能被回饋的能量基本一致。但隨著制動時列車與ERS之間距離的增加,由于線路阻抗增加,實際通過ERS的電流相比明顯下降(見圖4～圖5)。最大回饋電流與車-ERS距離的關(guān)系如圖6所示。

圖6 最大回饋電流與車-ERS距離的關(guān)系

4 ABB Enviline系列ERS在波蘭羅茲項目的應(yīng)用

ABB聯(lián)合研發(fā)中心于2013年在波蘭羅茲某城市軌道交通項目(750 V)變電站里安裝了1套ERS。目前該系統(tǒng)運(yùn)行情況仍然良好。

列車制動時，ERS直流側(cè)的電流電壓變化波形如圖7所示。

圖7 ERS直流側(cè)的電壓與電流波形

由圖7可見,當(dāng)電壓高于設(shè)定值時(此項目為730 V),ERS開始工作?？杀换仞伒哪芰咳Q于直流母線的電壓。直流母線能承受的電壓越高,則能被ERS獲得的電流就越大。當(dāng)列車電制動回饋能量時,優(yōu)先由ERS吸收回饋。從圖7還可以看到,由于電制動產(chǎn)生的能量被其他列車吸收掉了,ERS停止工作兩次。圖8為某段時間內(nèi)ERS直流側(cè)的電流變化情況,可以看出，列車在行進(jìn)過程中經(jīng)常會有兩次甚至更多的電制動產(chǎn)生,產(chǎn)生回饋電流,觸發(fā)ERS工作。

圖8 某段時間內(nèi)ERS直流側(cè)的電流變化

圖9為電網(wǎng)空載時的ERS交流側(cè)電壓波形圖。圖10、圖11為列車制動過程中電網(wǎng)交流側(cè)的電壓與電流波形圖。交流側(cè)電壓與電流是通過安裝在變壓器二次側(cè)的特殊測量裝置獲得的。由圖9可以看出,空載時交流側(cè)的電壓為526～527 V。在制動能量回饋過程中,電壓上升超過530 V。在ERS電流最大時,電壓可達(dá)550 V。

圖9 空載時ERS交流側(cè)電壓波形圖

圖10 制動時ERS交流側(cè)的電壓波形(AB相)

圖11 制動時ERS交流側(cè)的電流波形(A相)

圖12記錄了ERS安裝在距離軌道大于1 km的位置時2013年10月1日—2014年1月29日期間的能量回饋情況。2013年10月—11月間,平均每天回饋能量為100 kWh。2013年12月,由于室外溫度低,車上的加熱設(shè)備均打開工作,故直流母線平均電壓降低,每天能量回饋值降至60 kWh。另外，ERS啟動電壓與制動電阻啟動電壓之間的差值僅為30～40 V。當(dāng)ERS安裝點(diǎn)距離軌道只有200 m時,兩周內(nèi)平均每天回饋能量達(dá)200 kWh(如圖13所示)。

圖12 ERS距軌道大于1 km時回饋的能量

5 結(jié)論

通過對ERS系統(tǒng)的能量回饋因素分析，得到以下結(jié)論：

圖13 ERS距離軌道200 m時回饋的能量

(1) ERS的安裝間隔直接影響再生制動能量利用率的高低。

(2) 由于存在線路阻抗,故在電制動時列車與ERS的距離影響再生制動能量的回饋效率。

(3) ABB Enviline系列ERS在波蘭羅茲項目的應(yīng)用,也說明了ERS安裝點(diǎn)與軌道的距離直接影響回饋能量效率。不過,該項目所在線路比較老舊,電網(wǎng)吸收能力有限,并且列車速度低、載重小,所以回饋的能量總值與國內(nèi)的線路相比較少。

[1] 馮劍冰.再生制動能量利用方式的探討[J].城市軌道交通研究,2007(5):46.

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[5] ABB.ENVILINETMESS-Energy Recuperation System [EB/OL].(2015-03-27)[2017-01-18].https://library.e.abb.com/public/530732baf3dcfe42c1257e150048002b/ENVILINE%20ESS%20EN.pdf.

Analysis of Factors on Recuperation Efficiency of Regenerated Braking Energy Recuperation System

HE Liguang, HE Haihua

Important factors that influence the selection of rail transit regenerated braking energy recuperation system are analyzed in detail.The installation interval of energy recuperation system will directly influence the utilization efficiency of the regenerated energy produced by train.Conversely,the distance between train braking and energy recuperation system,between the installation point of energy recuperation system and the track will also influence the utilization efficiency.

urban rail transit; train regenerated braking; energy recuperation system; recuperation efficiency

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.06.016

2016-12-09)