城市軌道交通再生制動能源利用分析

王 疇

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司蘭州分院，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）動車組列車，其制動一般為電制動（再生制動、電阻制動）和空氣制動兩級制動［1-2］，運行中以再生制動和電阻制動為主，空氣制動為輔。

設置再生制動能源利用裝置已經(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。在再生制動能源利用裝置設置方案的選取上，近幾年除了一些已按電阻或逆變加電阻方案完成設備采購的線路仍延續(xù)原有方案之外，國內(nèi)新建地鐵項目大多將中壓逆變技術方案作為首選。中壓逆變裝置在北京市10號線二期和14號線西段已可靠運行。與此同時，電容儲能型裝置在國內(nèi)已有多家供貨商生產(chǎn)出樣機，正處在型式試驗和掛網(wǎng)試運行的階段；而飛輪儲能裝置的供貨商已被國內(nèi)公司收購，正在進行國產(chǎn)化，也正在尋求地鐵正線掛網(wǎng)試驗的機會。電容儲能技術與飛輪儲能技術和逆變回饋技術相比，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，因此具有獨特的優(yōu)勢。但由于電容儲能和飛輪儲能裝置在再生制動能源技術應用上投入市場較晚，目前國內(nèi)中壓逆變方案仍占據(jù)著較大的市場份額［3-4］。

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

1 列車設置車載式制動電阻

1.1 方案1（正線牽引變電所均設置再生能量吸收裝置）

1.1.1 方案1計算機仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進行了供電系統(tǒng)模擬計算。初、近、遠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設備容量選擇

額定功率：不低于1 000 kW（持續(xù)運行功率）。

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電阻吸收。

1.1.4 方案1節(jié)約電費

經(jīng)計算，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，遠期每年可節(jié)省電能約為810×104kW·h；優(yōu)惠后電價暫按 0.7元/（kW·h）計算，則初、近、遠期年折算電費可分別節(jié)省582萬元、531萬元、567萬元。

1.1.5 方案1建設投資

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

表4 逆變回饋裝置購置費及安裝調(diào)試費

1.1.6 方案1全壽命周期節(jié)能收益［6］

按一般電氣設備壽命計算，逆變裝置壽命按25 a考慮，則設備安裝至近期運行年度結(jié)束正好為25 a，此期間設備不用更換［7］。進入遠期運營后，將更換一次相關設備，運營25 a后，將再次更換相關設備，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置再生能量吸收裝置）

1.2.1 方案2計算機仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進行了供電系統(tǒng)模擬計算。初、近、遠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設備容量選擇額定功率：不低于1 000 kW（持續(xù)運行功率）。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 遠期仿真計算（30對；1 h）

表1 初期仿真計算（12對；1 h）

表2 近期仿真計算（21對；1 h）

表6 初期仿真計算（12對；1 h）

表7 近期仿真計算（21對；1 h）

表8 遠期仿真計算（30對；1 h）

能饋裝置啟動門檻電壓值暫定為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電阻吸收。

1.2.4 方案2節(jié)約電費

按運營時間，經(jīng)計算初期每年可節(jié)省電能約為643×104kW·h，近期每年可節(jié)省電能約為583×104kW·h，遠期每年可節(jié)省電能約為613×104kW·h，優(yōu)惠后電價暫按0.7元/（kW·h），則初、近、遠期年折算電費可分別節(jié)省450萬元、408萬元、429萬元。

1.2.5 方案2建設投資

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

表9 逆變回饋裝置購置費及安裝調(diào)試費

1.2.6 方案2全壽命周期節(jié)能收益

按一般電氣設備壽命計算，逆變裝置壽命按25 a考慮，則設備安裝至近期運行年度結(jié)束正好為25 a，此期間設備不用更換。進入遠期運營后，將更換一次相關設備，運營25 a后，將再次更換相關設備，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，全線均設置再生能量吸收裝置方案的吸收率最高，列車開行12對時吸收率為25.3%，列車開行21對時吸收率為3.9%，列車開行30對時吸收率為9.4%。

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

比較可見，方案1節(jié)能效果更為突出。另外，國內(nèi)應用再生能饋裝置的項目很多，除設備試用外，設置方案均是全線統(tǒng)一配置。隔所設置在國內(nèi)尚未有應用案例。而且設備廠家研發(fā)產(chǎn)品時的思路都是牽引所一對一再生吸收，若隔所設置，則系統(tǒng)控制策略比較復雜。

從運營維護管理角度來看，全線均設置再生能量吸收裝置時，各牽引所方案一致、運行方式一致、設備維護對象一致，運營管理能保證統(tǒng)一，能夠有效減少工作量和操作失誤率。

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

2 列車取消車載式制動電阻

2.1 方案3（正線牽引變電所均設置再生能量吸收裝置）

2.1.1 方案3計算機仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進行了供電系統(tǒng)模擬計算。初、近、遠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設備容量選擇

額定功率：不低于2 000 kW（持續(xù)運行功率）。

表11 初期仿真計算（12對；1 h）

表12 近期仿真計算（21對；1 h）

表13 遠期仿真計算（30對；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，遠期牽引網(wǎng)電壓最大值為1 949 V。初期、近期和遠期牽引網(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

按運營時間，經(jīng)計算初期每年可節(jié)省電能約為868×104kW·h，近期每年可節(jié)省電能約為795×104kW·h，遠期每年可節(jié)省電能約為853×104kW·h，優(yōu)惠后電價暫按 0.7元/（kW·h）計算，則初、近、遠期年折算電費可分別節(jié)省608萬元、557萬元、597萬元。

2.1.5 方案3建設投資

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

表14 逆變回饋裝置購置費及安裝調(diào)試費

2.1.6 方案3全壽命周期節(jié)能收益

按一般電氣設備壽命計算，逆變裝置壽命按25 a考慮，則設備安裝至近期運行年度結(jié)束正好為25 a，此期間設備不用更換。進入遠期運營后，將更換一次相關設備，運營25 a后，將再次更換相關設備，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置再生能量吸收裝置）

2.2.1 方案4計算機仿真數(shù)據(jù)表

結(jié)合行車等資料，利用牽引供電系統(tǒng)仿真軟件對推薦的牽引供電系統(tǒng)方案進行了供電系統(tǒng)模擬計算，初、近、遠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設備容量選擇

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

表16 初期仿真計算（12對；1 h）

表17 近期仿真計算（21對；1 h）

表18 遠期仿真計算（30對；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，遠期牽引網(wǎng)電壓最大值為2 503 V。以上牽引網(wǎng)電壓均遠大于規(guī)范規(guī)定容許的極限值1 950 V，因此在制動電阻取消情況下，不應采用隔所設置再生能量吸收裝置方案。

3 結(jié)語

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

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

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

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

本文依托牽引供電系統(tǒng)仿真軟件進行了模擬計算，為具體方案的選擇與實施提供了可量化的決策依據(jù)，以達到目標的經(jīng)濟效益。然而仿真計算畢竟與實際運行情況存在偏差，最終的經(jīng)濟效益分析結(jié)果需在應用實踐中進一步實施驗證。

［1］ 張家慶.地鐵再生制動能量分析［J］.中國科技信息，2016（22）：85.

［2］ 李力鵬.軌道交通牽引系統(tǒng)再生能量利用方案研究［J］.鐵道工程學報，2014（9）：121.

［3］ 夏景輝.地鐵車輛逆變再生制動能量回饋方案與裝置的研究［J］.城市軌道交通研究，2013，16（6）：42.

［4］ 連鵬飛.深圳地鐵2號線工程再生制動能量吸收裝置設置方案研究［J］.鐵道工程學報，2007（6）：85.

［5］ 劉寶林.地鐵列車能耗分析［J］.電力機車與城軌車輛，2007，30（4）：65.

［6］ 韓豫，胡繼軍，查申森，等.變電站全壽命周期設計的理論及應用［J］.中國電力，2011，44（3）：23.

［7］ 曲尚開.基于全壽命周期的地鐵再生能量利用效益分析［J］.城市軌道交通研究，2013，16（10）：30.