電氣化鐵路再生電能利用研究

董志杰，楊振龍，林 晨，尚國旭

0 引言

電氣化鐵路是以電能作為驅(qū)動力的運(yùn)輸方式，隨著重載、高速鐵路快速發(fā)展，對電能需求越來越大。電能消耗是鐵路運(yùn)營成本中的重要部分，降低電能損耗是牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中一個重要環(huán)節(jié)。隨著國內(nèi)交直交牽引動車組和電力機(jī)車大規(guī)模應(yīng)用，在制動過程中不可避免產(chǎn)生再生電能，電氣化鐵路采用交流系統(tǒng)，再生電能一部分被同行的機(jī)車吸收，剩余部分將返送至電網(wǎng)，提高再生電能利用率也是提高電能利用率的一種途徑[1，2]。

國內(nèi)城市軌道交通再生能利用應(yīng)用廣泛，對再生電能特性掌握比較深入，在設(shè)備參數(shù)選擇方面有成熟經(jīng)驗可以借鑒[3]。但交流電氣化鐵路運(yùn)輸工況不同，再生制動的特性也不盡相同，需針對不同再生制動特性，設(shè)計合理的技術(shù)方案。如何在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)一步提升再生制動電能的利用率，改善牽引網(wǎng)功率潮流特性，對我國電氣化鐵路的節(jié)能高效運(yùn)行具有重要意義。

1 再生電能產(chǎn)生原理

當(dāng)交流機(jī)車再生制動時，牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)通過逆變器將三相交流電壓整流輸出直流電壓，而四象限脈沖整流器則工作在逆變狀態(tài)，將直流電逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟姟?/p>

再生制動時，通過控制為牽引電機(jī)供電的變頻調(diào)速裝置，即交直交傳動系統(tǒng)，使?fàn)恳姍C(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率高于定子的電壓頻率，使交流牽引電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出的電能與牽引工況時反向，電能經(jīng)原先的逆變器（此時工作在整流狀態(tài)）變換為直流電，再經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)及原先的整流器（此時工作在逆變狀態(tài)），使電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率、同相位的電能，并反饋到電網(wǎng)中再生循環(huán)使用。

對于運(yùn)行過程中的列車，有C=F-W，其中C為列車合力，F(xiàn)為列車額定牽引力，W為列車阻力。當(dāng)列車從運(yùn)行速度減速到停站的過程中需要制動時，F(xiàn)為負(fù)值，進(jìn)入再生制動模式；當(dāng)列車在大坡道下坡運(yùn)行時，受限制列車超速影響，C盡可能為零，受列車自身重力加速度的影響，需要列車啟動再生制動，如圖1所示。

圖1 再生能量流動示意圖

2 再生電能特性分析

2.1 再生電能測試仿真數(shù)據(jù)

電氣化鐵路屬于大宗用電負(fù)荷，是電網(wǎng)的最大單體負(fù)荷用戶。隨著交直交機(jī)車大規(guī)模應(yīng)用，牽引負(fù)荷不僅可以從電網(wǎng)吸收能量，還可以在再生制動工況下將動能轉(zhuǎn)化為電能。對于客運(yùn)專線，再生電能主要存在于大型車站，再生電能占比較大；對于重載鐵路，由于存在重車下坡制動過程（圖2），其再生電能占比也較大。表1為典型幾座牽引變電所再生電能所占牽引用電量比例，其中的再生電能為每座牽引變電所同行列車吸收后剩余可以利用電量。

圖2 貨運(yùn)列車運(yùn)行仿真曲線

表1 不同線路再生電能占比

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，每個所的再生電能比例差異較大。

客運(yùn)專線與貨運(yùn)鐵路的再生制動電能在變電所的分布不盡相同，客運(yùn)專線主要存在大型車站或坡度較大區(qū)段，而對于貨運(yùn)鐵路基本上處在坡度較大區(qū)段。

2.2 再生電能數(shù)據(jù)分析

表2、表3為南京南牽引變電所再生電能數(shù)據(jù)。由表2、表3可以看出，牽引變電所左右兩供電臂再生電能的比例不盡相同，再生電量分配也不盡相同，這些數(shù)據(jù)差異是由于運(yùn)輸工況造成。

表2 南京南牽引所再生電能占比

表3 南京南牽引所再生能電量構(gòu)成 kW·h

2.3 再生電能分布特性

2.3.1 幅值特性

選取再生制動時間較長一段測試數(shù)據(jù)，見圖3?？梢钥闯?，再生電能幅值較大，如果將這段再生電能進(jìn)行儲存，若為1 MW的儲能裝置，則可儲存電能14.1 kW·h。

圖3 再生電能與功率對應(yīng)關(guān)系

2.3.2 分布特性

對南京南牽引變電所測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)再生功率峰值進(jìn)行劃分，按照小于2 MW，2～4 MW，4～6 MW，6～8 MW，大于8 MW進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表4。通過分析這些數(shù)據(jù)可以為再生電能利用技術(shù)方案提供指導(dǎo)。

表4 南京南牽引變電所再生電能統(tǒng)計

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，大多數(shù)的再生功率大于8 MW。京滬高速鐵路上運(yùn)行的16列編組動車組偏多，再生制動功率大，造成大功率的數(shù)據(jù)偏多。

3 再生電能利用方案分析

3.1 再生電能利用方案

不同運(yùn)輸組織和不同運(yùn)輸工況產(chǎn)生的再生電能分布不同，停車產(chǎn)生的再生電能具有時間短、峰值大、周期性強(qiáng)的特點，坡道產(chǎn)生的再生電能具有時間長、持續(xù)時間長等特點。牽引所供電臂內(nèi)再生能受供電范圍內(nèi)車站分布、線路坡度等影響，產(chǎn)生的再生能也存在差異，主要是對牽引變電所范圍內(nèi)剩余再生能進(jìn)行利用。對于牽引變電所來說，一種方案是相鄰2座牽引變電所之間進(jìn)行再生電能利用，需要變電所間再生與牽引時間重疊的運(yùn)輸工況；另一種方案是利用儲能技術(shù)改變再生電能時間，通過技術(shù)手段實現(xiàn)再生電能與牽引電能時間重疊，儲存電能還能向配電系統(tǒng)進(jìn)行反饋，反饋的電能非常平緩，可以為配電用戶供電。再生能利用方案原理詳見圖4。

圖4 再生能利用方案原理

3.2 再生能利用效益分析

3.2.1 實施利用及儲能利用電能數(shù)據(jù)

以南京南牽引變電所為例，根據(jù)實測數(shù)據(jù)得到能量利用裝置不同容量下的再生電能數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 不同安裝容量下再生電能數(shù)值

3.2.2 直接效益

裝置的直接效益如表6所示。

對于采用儲能裝置的方案，由于儲能裝置目前投資較大，例如1 MW飛輪儲能裝置的價格約為450萬元，將會延長成本回收時間。

表6 經(jīng)濟(jì)性相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2.3 間接效益

再生電能利用裝置的間接效益包括：

（1）穩(wěn)定接觸網(wǎng)供電電壓，提高供電質(zhì)量；

（2）削低牽引變電所負(fù)荷峰值，減少最大需量計費(fèi)基本電費(fèi)。

4 結(jié)論

（1）再生電能的產(chǎn)生受線路坡度、列車停站、運(yùn)量等諸多因素影響，不同牽引變電所的再生電能數(shù)量差異很大。

（2）選擇再生電能產(chǎn)生量大且就近可消納該電能的牽引變電所或分區(qū)所設(shè)置再生電能利用裝置，能夠獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）采用儲能裝置能改變（延遲）再生能輸出的時間，利用效率更高，但是投資會大幅增加，致回收期延長。