無錫地鐵能饋裝置分析

楊東來

摘 要：地鐵運(yùn)行需要消耗大量的電能，因?yàn)槌鞘袃?nèi)各地鐵站之間距離較短，所以列車啟動制動頻繁，這樣產(chǎn)生了大量制動能量，這些制動能量當(dāng)中約有40%無法被回收，通常利用車廂內(nèi)部的車載電阻來吸收列車的制動能量。浪費(fèi)的能量會產(chǎn)生隧道內(nèi)和車站內(nèi)的溫升問題，同時還會使列車車體重量增加，從而導(dǎo)致更大的能源浪費(fèi)，增加地鐵的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)成本等。而無錫地鐵所采用的能饋裝置，用來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，增加效益，綠色出行的目標(biāo)，同時也符合國家節(jié)能減排，可持續(xù)發(fā)展的基本國策。本文主要介紹了無錫地鐵能饋裝置的作用，簡述了此裝置的設(shè)計(jì)原理、效益評估、成本計(jì)算等。

關(guān)鍵詞：能饋裝置;能量吸收;節(jié)能效益

中圖分類號：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，人們更加注重綠色出行，因此更加希望擁有節(jié)能環(huán)保的交通系統(tǒng)，這也更符合我國的環(huán)保政策。相比于現(xiàn)在的城市交通系統(tǒng)來說，地鐵因其出行方便、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)量大、噪音小、價格低等優(yōu)點(diǎn)，已成為更受人們歡迎的綠色出行方式。

地鐵列車是電力牽引的電動列車，受其自身的性質(zhì)影響，列車自身的電力消耗約占整個系統(tǒng)損耗的一半，因此地鐵列車降低自身能源損耗，可以降低城市交通的運(yùn)營成本，同時對環(huán)境保護(hù)也起到積極作用。

地鐵列車制動以電制動系統(tǒng)為主，以空氣制動系統(tǒng)作為補(bǔ)充。在列車制動時電制動系統(tǒng)啟動，制動能量通過電制動系統(tǒng)反饋給電網(wǎng)，如果電網(wǎng)不能將這部分制動能量全部吸收，那么剩余的制動能量就會被車載電阻吸收，車載電阻吸收的這部分能量做的是無用功從而造成大量能量浪費(fèi)。同時車載電阻啟動時還會產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致隧道內(nèi)和車站內(nèi)溫度上升，給地鐵環(huán)控系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)，增加了地鐵的運(yùn)營成本。城市地鐵系統(tǒng)具有站距短，列車啟動制動頻繁的特性，這也導(dǎo)致大大增加了制動能量產(chǎn)生。為解決這個問題，無錫地鐵加裝的能饋裝置，來達(dá)到節(jié)能減排的目的。

以下是對無錫地鐵安裝的能饋裝置的原理介紹，對能饋裝置節(jié)能效益進(jìn)行評估。

1 能饋裝置的原理

當(dāng)電客車制動時，牽引電機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)工作，將電客車的動能轉(zhuǎn)換為電能。這部分電能除了被電客車自身的逆變裝置等消耗外，其中一部分提供給電客車的輔助設(shè)備（如空調(diào)、通風(fēng)機(jī)等），其余電能向接觸軌回饋提供給附近的其它列車作為牽引電能，或者被電客車的制動電阻消耗掉轉(zhuǎn)換為熱能。這部分車載電阻消耗的電能無法被回收再利用，而能饋裝置的作用就是吸收再利用這部分電能，減少電客車動能的浪費(fèi)。

無錫地鐵安裝的能饋裝置有兩種，一種是安裝在堰橋牽混所的逆變回饋型，另一種是安裝在天一牽混所的儲能型。

1.1 逆變回饋型

電客車制動狀態(tài)下，制動系統(tǒng)將電客車的動能轉(zhuǎn)換為電能。這部分電能會導(dǎo)致接觸軌電壓上升，能饋裝置通過傳感器檢測接觸軌電壓，若接觸軌電壓超過整定值，則能饋裝置啟動。逆變回饋型能饋裝置通過交直流隔離變壓器和逆變器，將這部分直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能反饋到AC35KV電網(wǎng)中，達(dá)到吸收再利用的目的。

1.2 儲能型

在電客車制動時，電客車產(chǎn)生制動能量將使接觸軌電壓上升，超級電容型能饋裝置啟動。超級電容型能饋裝置通過超級電容和DC/DC變流器將這部分制動能量儲存起來。待電客車啟動或運(yùn)行時，列車的牽引電機(jī)相當(dāng)于電動機(jī)工作，將接觸軌上的電能轉(zhuǎn)換成列車的動能，導(dǎo)致接觸軌電壓下降，此時超級電容儲存的電能將得到釋放形成良性循環(huán)，并有穩(wěn)定接觸軌電壓的作用。

2 能饋裝置效益評估

2.1 實(shí)例概述

無錫地鐵在堰橋牽混所加裝能饋裝置，其主要包括一臺35 kV交流開關(guān)柜、一臺1 500 V直流開關(guān)柜、一臺逆變柜、一臺變壓器。新增的運(yùn)行設(shè)備獨(dú)立于既有運(yùn)行設(shè)備，當(dāng)再生制動設(shè)備故障后，不會對既有的運(yùn)行設(shè)備造成影響。

通過對裝置投運(yùn)一個月回饋的電量收集計(jì)算出，一臺能饋?zhàn)儔浩鞯目蛰d損耗3.5 kW，負(fù)載損耗12 kW;逆變柜的損耗30 kW?，F(xiàn)以最大損耗計(jì)算，假設(shè)再生制動裝置每天工作1 h，即每天能饋?zhàn)儔浩鲹p耗的電量為92.5 kWh（3.5*23+12），逆變柜每天損耗30 kWh。

2.2 能饋裝置不同電壓下啟動情況

先設(shè)定能饋裝置的啟動電壓整定值為1 740 V，電壓降低30 V后停止。在設(shè)備運(yùn)行前15天統(tǒng)計(jì)能饋裝置的電能，每天回饋平均2 832 kWh。（詳見下圖）。

再設(shè)定能饋裝置的啟動電壓整定值為1 750 V，電壓降低30 V后停止。在設(shè)備運(yùn)行后15天統(tǒng)計(jì)能饋裝置的電能，每天回饋平均2 689 kWh。（詳見下圖）

通過計(jì)算平均值，發(fā)現(xiàn)設(shè)備投運(yùn)一個月后統(tǒng)計(jì)能饋裝置回饋電能大概82 830 kWh，能饋?zhàn)儔浩鞯膿p耗大概共2 775 kWh，逆變柜損耗900 kWh，損耗占4.49%，一套裝置節(jié)能效益評估為每個月節(jié)約電費(fèi)大概6.3萬元（假設(shè)電費(fèi)單價為0.8元）。

3 能饋裝置成本計(jì)算

預(yù)計(jì)安裝1套1 MW儲能裝置總費(fèi)用（含接口柜、安裝等）需300萬元，假設(shè)按照平均每天節(jié)電1 000度考慮，商業(yè)用電電費(fèi)單價約為0.8元，每年通過能饋裝置可節(jié)約電費(fèi)約29萬元，需大概11年即可收回成本。預(yù)計(jì)安裝1套2 MW能饋裝置總費(fèi)用（含接口柜、安裝等）需250萬元，按照平均每天節(jié)電1 800度考慮，每年節(jié)約電費(fèi)約51萬元，需5年即可收回成本。

4 節(jié)能效益評估辦法需改進(jìn)

由于對再生制動能饋裝置節(jié)能效益評估均建立在理論為前提的基礎(chǔ)上，上述再生制動能饋裝置也只是依靠電壓作為啟動判據(jù)，同時根據(jù)其他相關(guān)數(shù)據(jù)表明，再生制動能饋裝置會吸收“不該吸收的能量”，即有些可被鄰車吸收的列車制動回饋能量，卻被再生制動能饋裝置吸收了，因此如果單純依據(jù)裝置上的電能表作為評估裝置的節(jié)能效益顯然是不合理的。還需根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，綜合考慮各種因素才能得出準(zhǔn)確的節(jié)能效益結(jié)論。

5 結(jié)論

綜上所述，通過上述統(tǒng)計(jì)再生制動設(shè)備回饋電能，對節(jié)能效益進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)加裝能饋裝置后能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。但是，由于能饋裝置會吸收“不該吸收的能量”，因此不能單純依據(jù)裝置上的電能表數(shù)據(jù)作為評估裝置的節(jié)能效益。本文也只是粗略的對加裝能饋裝置進(jìn)行初步分析，具體帶來的節(jié)能效益還需綜合各種因素考慮，包括考慮能饋裝置成本，以及能饋裝置帶來的其他能量損耗等。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生能量回收技術(shù)方案的研究[J].電氣化鐵道.

[2]GBT37423-2019城市軌道交通再生制動能量吸收逆變裝置[S].