郭琦沛

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)的城市軌道交通發(fā)展迅猛。近年來，北京、上海、深圳、廣州等特大城市地鐵建設(shè)速度保持高速增長(zhǎng)的同時(shí)，石家莊、蘭州、呼和浩特、洛陽(yáng)等城市也相繼建設(shè)或開通城市軌道交通。由于城市軌道交通站間距小、站點(diǎn)密集、發(fā)車間隔短、區(qū)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行的車輛較多等特點(diǎn)，其供電系統(tǒng)多采用直流制為列車供電[1]。

在當(dāng)前的城市軌道交通工程中，DC-AC變壓變頻傳動(dòng)方式已成為列車普遍采用的方式。當(dāng)列車在進(jìn)站制動(dòng)或在長(zhǎng)大下坡道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其所產(chǎn)生的再生能量將通過DC-AC變頻傳動(dòng)裝置回饋到直流環(huán)節(jié)，這部分能量被稱為再生能。當(dāng)同一供電臂上的其他列車具有吸收條件時(shí)，再生能量首先被其他列車吸收利用；當(dāng)能量不能被完全吸收時(shí)，剩余能量需通過其他方式利用或消耗[2]。

在早期的城市軌道交通項(xiàng)目中，多采用制動(dòng)電阻的方式將此部分能量消耗掉。近年來，地鐵供電系統(tǒng)日趨成熟，逐漸向智能化、綠色化方向發(fā)展，再生電能如何可控、高效地再利用成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。本文介紹了當(dāng)前城市軌道交通較為常見的幾種再生能吸收方式，對(duì)當(dāng)前技術(shù)成熟度和國(guó)產(chǎn)化率高的中壓能饋式再生能吸收裝置進(jìn)行重點(diǎn)介紹，并結(jié)合實(shí)例分析中壓能饋再生能吸收裝置的經(jīng)濟(jì)性。

1 再生能吸收裝置

再生電能利用裝置的主要原理是當(dāng)處于再生制動(dòng)工況的列車產(chǎn)生的制動(dòng)能量不能完全被其他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)置的再生制動(dòng)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，以最大限度發(fā)揮再生制動(dòng)性能。

目前，再生能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、逆變回饋型（分為中壓逆變和低壓逆變）、儲(chǔ)能型（分為電容、電池、飛輪等）幾種類型[3]。

1.1 電阻耗能型再生能吸收裝置

電阻耗能型再生能吸收裝置是通過制動(dòng)電阻將列車制動(dòng)產(chǎn)生，且無法被相鄰列車使用的再生能量消耗，其中的制動(dòng)電阻安裝方式又分為車載型電阻與地面安裝型電阻兩種方式。電阻耗能型吸收裝置技術(shù)成熟、投資低，在早期的城市軌道交通中應(yīng)用廣泛，但此種吸收裝置缺點(diǎn)明顯。一是車載電阻本身增加了列車重量，增大了列車能耗；二是車載電阻消耗制動(dòng)能量后將會(huì)釋放大量的熱量，致使隧道內(nèi)溫度升高，從而增大空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備的工作壓力，進(jìn)一步增大地鐵系統(tǒng)的能耗。同時(shí)，車站站臺(tái)層的站臺(tái)板下需設(shè)置軌底風(fēng)道來排熱，增大了工程復(fù)雜性，不利于站臺(tái)板下各專業(yè)電纜的布置[4]。地面電阻是將制動(dòng)電阻設(shè)置在車站內(nèi)或沿線單獨(dú)設(shè)置的建筑內(nèi)，同樣產(chǎn)生大量的熱量，且電阻工作時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的噪聲，對(duì)周邊居民會(huì)產(chǎn)生一定影響[5]。

1.2 儲(chǔ)能型再生能吸收裝置

儲(chǔ)能型再生能吸收裝置的基本原理為使用電力電子元件將列車的制動(dòng)能量吸收到儲(chǔ)能單元中，當(dāng)供電臂內(nèi)有列車啟動(dòng)、加速等需取流時(shí)，儲(chǔ)能單元中的電量釋放出去再利用。儲(chǔ)能型再生能吸收裝置分為電容型、電池型及飛輪型等類型。超級(jí)電容壽命長(zhǎng)、容量大、節(jié)能效果好，但其國(guó)產(chǎn)化率低、技術(shù)成熟度不足、進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴[6]。電池型儲(chǔ)能是隨著當(dāng)前飛速發(fā)展的新能源技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù)，其價(jià)格比超級(jí)電容低，但其壽命相對(duì)較短，鋰離子電池中充放電壽命相對(duì)較長(zhǎng)的鈦酸鋰電池組的充放電壽命約幾千次，這對(duì)于長(zhǎng)期處于大電流充放電過程中的地鐵再生能裝置還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[7]。飛輪在功率、能量、時(shí)間等核心參數(shù)上與地鐵的實(shí)際工況能較好地契合，有良好的應(yīng)用前景，但是目前國(guó)內(nèi)的軸承技術(shù)和材料等方面比較滯后，且飛輪本身屬于機(jī)械部件，長(zhǎng)期高速轉(zhuǎn)動(dòng)工況下存在安全隱患。所以，中國(guó)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究目前仍停留在小功率的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)開發(fā)階段，距離實(shí)用化尚有距離[8]。

1.3 逆變回饋型再生能吸收裝置

逆變回饋型再生能吸收裝置按照電壓等級(jí)分為中壓逆變型和低壓逆變型兩種。中壓逆變型設(shè)備是將制動(dòng)能量逆變轉(zhuǎn)換為交流電后向地鐵35 kV或10 kV中壓環(huán)網(wǎng)發(fā)送，通過中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)再分配向其他設(shè)備供電；低壓逆變型設(shè)備是將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為交流電后向本站變電所400 V系統(tǒng)供電，由本車站變電所低壓動(dòng)照設(shè)備吸收利用。

中壓逆變型再生能吸收裝置是技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、國(guó)產(chǎn)化率高的再生能吸收方案，在近幾年新建設(shè)的城市軌道交通中應(yīng)用廣泛，如呼和浩特地鐵2 號(hào)線、洛陽(yáng)地鐵1 號(hào)線、徐州地鐵1 號(hào)線等工程中均有設(shè)置，其詳細(xì)工作原理見下節(jié)。

2 中壓逆變式再生能系統(tǒng)

逆變回饋型的再生制動(dòng)能量吸收方式，其原理是在牽引變電站已有的降壓變壓器和整流機(jī)組旁并聯(lián)一組由逆變裝置和升壓變壓器組成的系統(tǒng)；當(dāng)有制動(dòng)能量返送牽引網(wǎng)時(shí)，母線電壓抬升，超過設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)并從牽引網(wǎng)吸收電流，制動(dòng)能量完成向電網(wǎng)回饋[9]。采用IGBT高頻開關(guān)器件可以進(jìn)一步提高并網(wǎng)的電能質(zhì)量，且響應(yīng)更為迅速，現(xiàn)在已經(jīng)成為主流的研究方向[10]。能量回饋系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 能量回饋系統(tǒng)示意圖

典型地鐵牽引降壓混合變電所主接線如圖2 所示，其中框內(nèi)為能饋裝置主接線。成套逆變式中壓能饋裝置主要由直流控制柜（含正極隔離開關(guān)）、逆變柜、隔離變壓器等組成，其主要功能為通過對(duì)牽引網(wǎng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓控制，確保列車再生電制動(dòng)功能的充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)列車再生電能的二次利用。

圖2 典型地鐵牽引降壓混合變電所主接線

成套裝置的投入必須具有先進(jìn)的網(wǎng)壓判斷技術(shù)，網(wǎng)壓的判斷條件應(yīng)分別取自交、直流側(cè)。設(shè)備只在車輛再生制動(dòng)且其再生制動(dòng)能量沒有被其他用電設(shè)備消耗的條件下進(jìn)行工作，車輛啟動(dòng)、加速、惰行、夜間停車等工況下，設(shè)備不得投入。當(dāng)車輛再生電制動(dòng)完畢，設(shè)備可靠撤出，處于待命狀態(tài)。

3 實(shí)例分析

以國(guó)內(nèi)中部某城市軌道交通為例，介紹地鐵中壓能饋裝置實(shí)際應(yīng)用，并通過仿真計(jì)算其回饋電量及經(jīng)濟(jì)性。由于此工程尚未開通運(yùn)營(yíng)，其城市、名稱、站點(diǎn)等信息暫不公開。

3.1 實(shí)例線路供電系統(tǒng)

實(shí)例工程線路全長(zhǎng)22.7 km，設(shè)站16 座，全部為地下車站，設(shè)車輛基地與停車場(chǎng)各1座。

表1 正線牽引所間距

全線共設(shè)置2座主變電所，11座牽引變電所，其中正線9座，車輛基地與停車場(chǎng)各1座。正線牽引所名稱由1#～9#牽引所代替，各牽引所均與車站降壓所合建為牽引降壓混合變電所，各牽引所內(nèi)均設(shè)置中壓能饋式再生能吸收裝置。正線牽引所間距如表1 所示，此間距代表了牽引供電系統(tǒng)供電臂長(zhǎng)度。

3.2 行車組織

實(shí)例工程初、近、遠(yuǎn)期均采用B型車6輛編組，列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，初期旅行速度為33 km/h，近、遠(yuǎn)期旅行速度為35 km/h。其全日行車計(jì)劃如表2 所示。其中，根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，初期為建成通車后第3年；近期為建成通車后第10年；遠(yuǎn)期為建成通車后第25年。實(shí)例工程初、近、遠(yuǎn)期高峰時(shí)段列車對(duì)數(shù)分別為12對(duì)/h、21對(duì)/h和27對(duì)/h。

表2 該地鐵全日行車計(jì)劃表

3.3 中壓能饋仿真

使用仿真軟件“基于交直流交替迭代的城軌供電系統(tǒng)再生制動(dòng)能饋仿真算法軟件v1.0”對(duì)中壓逆變式中壓能饋裝置進(jìn)行仿真，分析能饋裝置的回饋能量及經(jīng)濟(jì)性收益。輸入數(shù)據(jù)包括線路平縱斷面、車輛編組、車輛牽引制動(dòng)特性曲線、行車組織以及交直流牽引供電系統(tǒng)圖。仿真結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 不同開行對(duì)數(shù)下各牽引所回饋功率有效值

圖3 所示為不同開行對(duì)數(shù)下各牽引變電所回饋功率有效值。同一牽引變電所不同開行對(duì)數(shù)時(shí)，回饋功率不同，但各對(duì)數(shù)情況下的回饋功率相差不大；綜合分析各牽引所能饋數(shù)據(jù)，開行對(duì)數(shù)與回饋功率無線性相關(guān)關(guān)系，列車開行對(duì)數(shù)從少到多的變化過程中，各所再生能功率基本為先增后減[11]；相同列車開行對(duì)數(shù)時(shí)，各牽引變電所之間回饋功率不同，這與供電臂長(zhǎng)度及線路平縱斷面等因素有關(guān)。

圖4 所示為各開行對(duì)數(shù)下全線每小時(shí)總回饋能量。列車開行對(duì)數(shù)由小逐漸增大的過程中，全線總回饋電能先增大后減小，且在每小時(shí)12～21 對(duì)范圍內(nèi)，全線總回饋能量最大。產(chǎn)生這一規(guī)律的原因?yàn)楫?dāng)列車開行對(duì)數(shù)較小時(shí)，全線同時(shí)開行的列車較少，進(jìn)而產(chǎn)生的總回饋能量較少；當(dāng)列車開行對(duì)數(shù)較大時(shí)，雖然全線產(chǎn)生的總回饋能量較大，但每一供電臂上，同時(shí)開行的列車較多，回饋能量會(huì)優(yōu)先被同一供電臂上的其他列車吸收利用，因此再生能相應(yīng)減小。

圖4 各開行對(duì)數(shù)下全線每小時(shí)總回饋電能/（kW·h）

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)圖4 中的各開行對(duì)數(shù)情況下全線每小時(shí)總回饋電能，結(jié)合表2中地鐵全日行車計(jì)劃表，可計(jì)算得出實(shí)例工程開通運(yùn)營(yíng)后，由中壓逆變式能饋裝置反饋的用電量，以及安裝能饋裝置后節(jié)省的經(jīng)濟(jì)。

經(jīng)過計(jì)算，實(shí)例工程運(yùn)營(yíng)初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線產(chǎn)生的再生能如表3所示。假設(shè)地鐵供電系統(tǒng)電費(fèi)為0.7元/kW·h，則初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線通過再生能節(jié)省的電費(fèi)如表4所示[12]。

表3 初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線產(chǎn)生的再生能電量104kW·h

表4 初、近、遠(yuǎn)期1天及1年全線通過再生能節(jié)省的電費(fèi)萬元

以當(dāng)前再生能成套裝置的價(jià)格估計(jì)，單牽引變電所內(nèi)單套成套裝置約200萬元，全線正線共9個(gè)牽引所，設(shè)備投資約1 800 萬元。由表4 可知，牽引所內(nèi)設(shè)置中壓能饋式再生能吸收裝置后，每年運(yùn)營(yíng)節(jié)省的電費(fèi)約600～700萬元，考慮一定的冗余以及仿真的誤差，運(yùn)營(yíng)約3～4年節(jié)省的電費(fèi)可抵扣設(shè)備的投資成本。假設(shè)設(shè)備可運(yùn)行30 年，共節(jié)約電費(fèi)約2 億元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了再生能的產(chǎn)生以及主流的幾種再生能吸收方案的優(yōu)劣，并對(duì)當(dāng)前技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的中壓逆變式能饋吸收裝置進(jìn)行重點(diǎn)介紹。以國(guó)內(nèi)某中部城市軌道交通某工程為實(shí)例，通過仿真分析了中壓逆變式再生能方案的回饋電量及經(jīng)濟(jì)性，證明了中壓逆變式再生能方案的有效性。下一步需等該實(shí)例工程開通運(yùn)營(yíng)后，根據(jù)運(yùn)營(yíng)真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步驗(yàn)證中壓逆變能饋方案的實(shí)際效益。