王 疇

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司蘭州分院，710043，西安∥工程師）

目前軌道交通普遍采用的VVVF（變壓變頻調(diào)速）動(dòng)車組列車，其制動(dòng)一般為電制動(dòng)（再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)）和空氣制動(dòng)兩級(jí)制動(dòng)［1-2］，運(yùn)行中以再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔。

設(shè)置再生制動(dòng)能源利用裝置已經(jīng)成為國內(nèi)各城市地鐵節(jié)能減排的主要手段和發(fā)展方向。在再生制動(dòng)能源利用裝置設(shè)置方案的選取上，近幾年除了一些已按電阻或逆變加電阻方案完成設(shè)備采購的線路仍延續(xù)原有方案之外，國內(nèi)新建地鐵項(xiàng)目大多將中壓逆變技術(shù)方案作為首選。中壓逆變裝置在北京市10號(hào)線二期和14號(hào)線西段已可靠運(yùn)行。與此同時(shí)，電容儲(chǔ)能型裝置在國內(nèi)已有多家供貨商生產(chǎn)出樣機(jī)，正處在型式試驗(yàn)和掛網(wǎng)試運(yùn)行的階段；而飛輪儲(chǔ)能裝置的供貨商已被國內(nèi)公司收購，正在進(jìn)行國產(chǎn)化，也正在尋求地鐵正線掛網(wǎng)試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。電容儲(chǔ)能技術(shù)與飛輪儲(chǔ)能技術(shù)和逆變回饋技術(shù)相比，減少了直流變交流的逆變環(huán)節(jié)，能量在直流系統(tǒng)內(nèi)部完成回收和利用，從而也就避免了向城市電網(wǎng)返送能源的問題，因此具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但由于電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能裝置在再生制動(dòng)能源技術(shù)應(yīng)用上投入市場(chǎng)較晚，目前國內(nèi)中壓逆變方案仍占據(jù)著較大的市場(chǎng)份額［3-4］。

本文以國內(nèi)某軌道交通線路為例，進(jìn)行再生制動(dòng)能源利用分析。該軌道交通線路設(shè)11座牽引變電所，其中正線9座、車輛段1座、停車場(chǎng)1座。初期行車追蹤間隔為5 min，近期追蹤間隔為2.9 min，遠(yuǎn)期追蹤間隔為2 min。其分析論證分別按照正線牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置（方案1、3）、正線牽引變電所間隔設(shè)置再生能量吸收裝置（方案2、4）進(jìn)行。

1 列車設(shè)置車載式制動(dòng)電阻

1.1 方案1（正線牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置）

1.1.1 方案1計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對(duì)推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進(jìn)行了供電系統(tǒng)模擬計(jì)算。初、近、遠(yuǎn)期各牽引變電所牽引能耗及再生能量吸收能量分別見表1、表2和表3。

1.1.2 方案1設(shè)備容量選擇

額定功率：不低于1 000 kW（持續(xù)運(yùn)行功率）。

峰值功率：2 000 kW（30 s/120 s，每120 s內(nèi)峰值功率工作30 s）。

1.1.3 方案1牽引網(wǎng)電壓控制

能饋裝置啟動(dòng)門檻電壓值暫定為1 750 V，初期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 129 V，近期牽引網(wǎng)電壓最大值為1 891 V，遠(yuǎn)期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 389 V。以上牽引網(wǎng)電壓均大于規(guī)范規(guī)定容許的極限值1 950 V，上述過電壓由列車車載式制動(dòng)電阻吸收。

1.1.4 方案1節(jié)約電費(fèi)

經(jīng)計(jì)算，初期每年可節(jié)省電能約為831×104kW·h，近期每年可節(jié)省電能約為758×104kW·h，遠(yuǎn)期每年可節(jié)省電能約為810×104kW·h；優(yōu)惠后電價(jià)暫按 0.7元/（kW·h）計(jì)算，則初、近、遠(yuǎn)期年折算電費(fèi)可分別節(jié)省582萬元、531萬元、567萬元。

1.1.5 方案1建設(shè)投資

中壓能饋吸收裝置1套設(shè)備的投資估算約為270萬元/所，全線按照設(shè)置9座牽引變電所考慮。正線能饋設(shè)備一次性建設(shè)投資見表4。

表4 逆變回饋裝置購置費(fèi)及安裝調(diào)試費(fèi)

1.1.6 方案1全壽命周期節(jié)能收益［6］

按一般電氣設(shè)備壽命計(jì)算，逆變裝置壽命按25 a考慮，則設(shè)備安裝至近期運(yùn)行年度結(jié)束正好為25 a，此期間設(shè)備不用更換［7］。進(jìn)入遠(yuǎn)期運(yùn)營后，將更換一次相關(guān)設(shè)備，運(yùn)營25 a后，將再次更換相關(guān)設(shè)備，考慮這些因素，綜合投資及效益比較見表5。

表5 全壽命周期節(jié)能收益

1.2 方案2（正線牽引變電所間隔設(shè)置再生能量吸收裝置）

1.2.1 方案2計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對(duì)推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進(jìn)行了供電系統(tǒng)模擬計(jì)算。初、近、遠(yuǎn)期各牽引變電所牽引能耗及再生能量吸收能量分別見表6、表7和表8。

1.2.2 方案2設(shè)備容量選擇額定功率：不低于1 000 kW（持續(xù)運(yùn)行功率）。峰值功率：2 000 kW（30 s/120 s，每120 s內(nèi)峰值功率工作30 s）。

1.2.3 方案2牽引網(wǎng)電壓控制

表3 遠(yuǎn)期仿真計(jì)算（30對(duì)；1 h）

表1 初期仿真計(jì)算（12對(duì)；1 h）

表2 近期仿真計(jì)算（21對(duì)；1 h）

表6 初期仿真計(jì)算（12對(duì)；1 h）

表7 近期仿真計(jì)算（21對(duì)；1 h）

表8 遠(yuǎn)期仿真計(jì)算（30對(duì)；1 h）

能饋裝置啟動(dòng)門檻電壓值暫定為1 750 V，初期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 431 V，近期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 003 V，遠(yuǎn)期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 358 V。以上牽引網(wǎng)電壓均大于規(guī)范規(guī)定容許的極限值1 950 V，上述過電壓由列車車載式制動(dòng)電阻吸收。

1.2.4 方案2節(jié)約電費(fèi)

按運(yùn)營時(shí)間，經(jīng)計(jì)算初期每年可節(jié)省電能約為643×104kW·h，近期每年可節(jié)省電能約為583×104kW·h，遠(yuǎn)期每年可節(jié)省電能約為613×104kW·h，優(yōu)惠后電價(jià)暫按0.7元/（kW·h），則初、近、遠(yuǎn)期年折算電費(fèi)可分別節(jié)省450萬元、408萬元、429萬元。

1.2.5 方案2建設(shè)投資

中壓能饋吸收裝置1套設(shè)備的投資估算約為270萬元/所，全線按照設(shè)置4座牽引變電所考慮。正線能饋設(shè)備一次性建設(shè)投資見表9。

表9 逆變回饋裝置購置費(fèi)及安裝調(diào)試費(fèi)

1.2.6 方案2全壽命周期節(jié)能收益

按一般電氣設(shè)備壽命計(jì)算，逆變裝置壽命按25 a考慮，則設(shè)備安裝至近期運(yùn)行年度結(jié)束正好為25 a，此期間設(shè)備不用更換。進(jìn)入遠(yuǎn)期運(yùn)營后，將更換一次相關(guān)設(shè)備，運(yùn)營25 a后，將再次更換相關(guān)設(shè)備，考慮這些因素，綜合投資及效益比較見表10。

表10 全壽命周期節(jié)能收益

1.3 方案比較及結(jié)論

方案1：從再生能量吸收率（與牽引功率之比）來分析，全線均設(shè)置再生能量吸收裝置方案的吸收率最高，列車開行12對(duì)時(shí)吸收率為25.3%，列車開行21對(duì)時(shí)吸收率為3.9%，列車開行30對(duì)時(shí)吸收率為9.4%。

方案2：從再生能量吸收率（與牽引功率之比）來分析，全線牽引所隔站設(shè)置再生能量吸收裝置方案的吸收率較高，列車開行12對(duì)時(shí)吸收率為19.8%，列車開行21對(duì)時(shí)吸收率為2.3%，列車開行30對(duì)時(shí)吸收率為5.5%。

比較可見，方案1節(jié)能效果更為突出。另外，國內(nèi)應(yīng)用再生能饋裝置的項(xiàng)目很多，除設(shè)備試用外，設(shè)置方案均是全線統(tǒng)一配置。隔所設(shè)置在國內(nèi)尚未有應(yīng)用案例。而且設(shè)備廠家研發(fā)產(chǎn)品時(shí)的思路都是牽引所一對(duì)一再生吸收，若隔所設(shè)置，則系統(tǒng)控制策略比較復(fù)雜。

從運(yùn)營維護(hù)管理角度來看，全線均設(shè)置再生能量吸收裝置時(shí)，各牽引所方案一致、運(yùn)行方式一致、設(shè)備維護(hù)對(duì)象一致，運(yùn)營管理能保證統(tǒng)一，能夠有效減少工作量和操作失誤率。

結(jié)合本工程仿真計(jì)算結(jié)果，綜合比選，推薦正線9座牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置，設(shè)備額定容量為1 000 kW，峰值功率為1 800 kW。

2 列車取消車載式制動(dòng)電阻

2.1 方案3（正線牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置）

2.1.1 方案3計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對(duì)推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進(jìn)行了供電系統(tǒng)模擬計(jì)算。初、近、遠(yuǎn)期各牽引變電所牽引能耗及再生能量吸收能量分別見表11、表12和表13。

2.1.2 方案3設(shè)備容量選擇

額定功率：不低于2 000 kW（持續(xù)運(yùn)行功率）。

表11 初期仿真計(jì)算（12對(duì)；1 h）

表12 近期仿真計(jì)算（21對(duì)；1 h）

表13 遠(yuǎn)期仿真計(jì)算（30對(duì)；1 h）

峰值功率：4 000 kW（30 s/120 s，每120 s內(nèi)峰值功率工作30 s）。

2.1.3 方案3牽引網(wǎng)電壓控制

能饋裝置啟動(dòng)門檻電壓值暫定為1 750 V，初期牽引網(wǎng)電壓最大值為1 920 V，近期牽引網(wǎng)電壓最大值為1 863 V，遠(yuǎn)期牽引網(wǎng)電壓最大值為1 949 V。初期、近期和遠(yuǎn)期牽引網(wǎng)電壓均能夠滿足規(guī)范規(guī)定容許的極限值1 950 V。

2.1.4 方案3節(jié)約電費(fèi)

按運(yùn)營時(shí)間，經(jīng)計(jì)算初期每年可節(jié)省電能約為868×104kW·h，近期每年可節(jié)省電能約為795×104kW·h，遠(yuǎn)期每年可節(jié)省電能約為853×104kW·h，優(yōu)惠后電價(jià)暫按 0.7元/（kW·h）計(jì)算，則初、近、遠(yuǎn)期年折算電費(fèi)可分別節(jié)省608萬元、557萬元、597萬元。

2.1.5 方案3建設(shè)投資

中壓能饋吸收裝置1套設(shè)備的投資估算約為350萬元/所，全線按照設(shè)置9座牽引變電所考慮。正線能饋設(shè)備一次性建設(shè)投資見表14。

表14 逆變回饋裝置購置費(fèi)及安裝調(diào)試費(fèi)

2.1.6 方案3全壽命周期節(jié)能收益

按一般電氣設(shè)備壽命計(jì)算，逆變裝置壽命按25 a考慮，則設(shè)備安裝至近期運(yùn)行年度結(jié)束正好為25 a，此期間設(shè)備不用更換。進(jìn)入遠(yuǎn)期運(yùn)營后，將更換一次相關(guān)設(shè)備，運(yùn)營25 a后，將再次更換相關(guān)設(shè)備，考慮這些因素，綜合投資及效益比較見表15。

表15 全壽命周期節(jié)能收益

2.2 方案4（正線牽引變電所間隔設(shè)置再生能量吸收裝置）

2.2.1 方案4計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對(duì)推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進(jìn)行了供電系統(tǒng)模擬計(jì)算，初、近、遠(yuǎn)期各牽引變電所牽引能耗及再生能量吸收能量分別見表16、表17和表18。

2.2.2 方案4設(shè)備容量選擇

額定功率：不低于3 000 kW（持續(xù)運(yùn)行功率）。峰值功率：6 000 kW（30 s/120 s，每120 s內(nèi)峰

表16 初期仿真計(jì)算（12對(duì)；1 h）

表17 近期仿真計(jì)算（21對(duì)；1 h）

表18 遠(yuǎn)期仿真計(jì)算（30對(duì)；1 h）

值功率工作30 s）。

2.2.3 方案4牽引網(wǎng)電壓控制

能饋裝置啟動(dòng)門檻電壓值暫定為1 750 V，初期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 228 V，近期牽引網(wǎng)電壓最大值為1 990 V，遠(yuǎn)期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 503 V。以上牽引網(wǎng)電壓均遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定容許的極限值1 950 V，因此在制動(dòng)電阻取消情況下，不應(yīng)采用隔所設(shè)置再生能量吸收裝置方案。

3 結(jié)語

在取消車載式制動(dòng)電阻的情況下，考慮到隔所設(shè)置再生能量吸收裝置方案牽引網(wǎng)電壓均遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定容許的極限值,因此推薦正線9座牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置。

當(dāng)列車設(shè)置車載式制動(dòng)電阻時(shí)，本線推薦采用方案1，即正線牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置，設(shè)備額定容量為1 000 kW，峰值功率為2 000 kW。

當(dāng)列車取消車載式制動(dòng)電阻時(shí)，本線推薦采用方案3，即正線牽引變電所均設(shè)置再生能量吸收裝置，設(shè)備額定容量為2 000 kW，峰值功率為4 000 kW。

考慮到項(xiàng)目位于嚴(yán)寒地區(qū)，運(yùn)營初期地下區(qū)間需要一定的熱量，因此建議列車保留車載式制動(dòng)電阻。

本文依托牽引供電系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算，為具體方案的選擇與實(shí)施提供了可量化的決策依據(jù)，以達(dá)到目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)效益。然而仿真計(jì)算畢竟與實(shí)際運(yùn)行情況存在偏差，最終的經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果需在應(yīng)用實(shí)踐中進(jìn)一步實(shí)施驗(yàn)證。

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