濟(jì)南軌道交通再生能量吸收裝置的應(yīng)用

陳海輝

0 引言

我國的城市軌道交通建設(shè)已進(jìn)入了快速發(fā)展期，截至2020年4月，我國共有44個城市（包含港澳臺）開通了城市軌道交通線路，運(yùn)營線路共計(jì)198條，總長度達(dá)6 548.76 km。同時，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們的節(jié)能減排和環(huán)保意識也在逐漸增強(qiáng)，提高再生制動能量利用率，降低牽引能耗，是未來再生制動能量利用裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流趨勢。文獻(xiàn)[1]通過實(shí)測分析出單列車的再生制動能量占牽引能量的35%～56%，證明了再生制動能量的數(shù)目十分可觀。有效利用城市軌道交通車輛再生制動所產(chǎn)生的電能，減少運(yùn)營用電量，對于節(jié)能降耗具有積極的意義。

國內(nèi)北京、上海、廣州、天津、南京、重慶、青島、鄭州等城市軌道交通線路均已設(shè)置再生能量吸收裝置。中壓能饋型再生能量吸收裝置因具有技術(shù)成熟度高、系統(tǒng)容量高、再生能量利用率高等特點(diǎn)[3]，近期新建線路將該方案作為首選方案。

本文不對再生裝置類型進(jìn)行比選[4]，而是基于現(xiàn)狀，以濟(jì)南軌道交通采用的中壓能饋型再生裝置為例，詳細(xì)分析再生能量吸收裝置的設(shè)置方案及節(jié)能效果，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 列車再生制動能量計(jì)算

1.1 列車運(yùn)行阻力

列車運(yùn)行阻力可分為基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列車運(yùn)行的任何情況下都存在的阻力，附加阻力是在列車運(yùn)行的個別條件下才產(chǎn)生的阻力。這里只考慮列車運(yùn)行的基本阻力。

基本阻力通常由軸承阻力、滾動阻力、滑動阻力、沖擊和震動阻力以及空氣阻力5部分組成，這5部分阻力之和為

式中：a、b、c為綜合阻力系數(shù)；v為車輛的運(yùn)行速度，km/h。

各種車輛的基本阻力系數(shù)可以通過試驗(yàn)獲得，一般B型車輛的基本阻力為

1.2 車輛制動能量

車輛的運(yùn)行阻力為FW，制動初速度為v，列車總質(zhì)量為m，則產(chǎn)生的制動能量為

式中：E為產(chǎn)生的制動能量；S為車輛的制動距離。

根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，不同的初速度條件下制動所對應(yīng)的制動時間、制動距離、車輛總動能以及產(chǎn)生的制動能量等具體數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 計(jì)算所得的車輛制動能量

由表1可以看出，車輛制動初速度越大，所產(chǎn)生的制動能量越大，同時制動距離和制動時間也越大，這一規(guī)律完全與能量守恒定律相符。

2 再生制動設(shè)置方案及節(jié)能分析

2.1 工程概況

濟(jì)南軌道交通1號線線路全長26.27 km，共設(shè)11座車站，其中地下站4座，高架站7座。正線設(shè)置9座牽引變電所，平均牽引間距3.22 km。初期、近期車輛為4B編組，遠(yuǎn)期為6B編組。

2.2 裝置原理

2.2.1 電路拓?fù)?/p>

再生能量回饋裝置采用全控型IGBT器件和PWM四象限控制技術(shù)，具備逆變回饋、牽引整流和無功補(bǔ)償功能。裝置的電路拓?fù)淙鐖D1所示，包括直流側(cè)母線電容、IGBT逆變模塊、濾波器等。

圖1 裝置的電路拓?fù)涫疽鈭D

2.2.2 控制原理

PWM變流器采用四象限運(yùn)行，主要作用于并網(wǎng)電流的控制，即I的控制，如圖2所示。實(shí)際運(yùn)行中，通過電流環(huán)控制PWM整流器的并網(wǎng)電流，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制。在進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)的PWM控制時，采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流控制方案，將交流電流從三相對稱靜止坐標(biāo)系變換到與該交流矢量同步旋轉(zhuǎn)的dq兩相坐標(biāo)系，將電流解耦為有功分量和無功分量，d軸電流id相當(dāng)于有功功率的電流，q軸電流iq相當(dāng)于無功功率的電流，因此通過控制有功、無功2個直流分量易于實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)可控。

圖2 PW M變流器交流側(cè)穩(wěn)態(tài)矢量關(guān)系

2.2.3 閉環(huán)控制策略

采用全控型電力電子器件IGBT，實(shí)現(xiàn)能量流向的靈活控制。控制上采用電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的雙環(huán)控制模式，使變流器具備雙向能量變換能力。

圖3 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

圖3中外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。通過軟鎖相技術(shù)測得電網(wǎng)電壓相位，并基于該相位控制并網(wǎng)電流相位來實(shí)現(xiàn)有功、無功輸出；通過dq旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦獨(dú)立可控；采用先進(jìn)的空間矢量調(diào)制技術(shù)，有效提高直流母線電壓利用率，最終生成PWM控制脈沖。

2.3 再生制動能量吸收范圍說明

再生制動能量吸收裝置不僅可以更好地吸收鄰近車站的車輛制動能量，也可以吸收較遠(yuǎn)距離車輛制動能量，理論上可以吸收全線各車站的部分制動能量?，F(xiàn)結(jié)合基本原理P=UI，按啟動電壓1 720 V，車載電阻啟動1 770 V，兩者相差50 V，對吸收距離和功率的關(guān)系進(jìn)行簡單核算，數(shù)據(jù)見表2。

綜上，再生制動能量吸收裝置吸收能量范圍雖然很大，但是距離越遠(yuǎn)，吸收能力越弱。因此，進(jìn)行再生能量吸收裝置方案設(shè)計(jì)時應(yīng)適當(dāng)考慮間距，避免間距過大引起車輛制動能量得不到很好的吸收效果，造成再生制動失效率的提高[2]。

表2 再生裝置吸收范圍數(shù)據(jù) kW

2.4 設(shè)置方案及節(jié)能效果分析

濟(jì)南軌道交通1號線為市域快線，站間距大且車輛運(yùn)行速度高，且由仿真計(jì)算可知，每座車站在不同的行車對數(shù)下吸收的再生電能為不規(guī)律的，故在每座牽引所內(nèi)均設(shè)置一套再生能量吸收裝置，以便更好地吸收全線的再生能量。

2.4.1 車站反饋功率仿真（1 h）

車站反饋功率仿真（1 h）如圖4所示。

由圖4可知，在不同行車對數(shù)下，每座車站的短時（10 s）反饋功率大多數(shù)情況在1 500～2 000 kW范圍內(nèi)，瞬時功率則更大，綜合考慮吸收效果和造價，本工程設(shè)備容量設(shè)置為2 MW。

圖4 車站反饋功率（10 s有效值）仿真

2.4.2 節(jié)能效果分析

各站再生反饋電能仿真數(shù)據(jù)見表3。由表3可以得出一定規(guī)律：當(dāng)列車行車密度較低時，列車再生制動能量不能被鄰車很好地吸收，裝置回饋能量效率較高，吸收效果較好；當(dāng)發(fā)車密度增加到13對/h左右時，列車再生制動能量可被鄰車很好地吸收，裝置回饋能量效率最低；當(dāng)繼續(xù)增加發(fā)車密度時，裝置回饋能量效率逐漸上升；當(dāng)發(fā)車密度增加到20對/h左右時，雖然再生制動吸收裝置回饋能量效率不是最高，但其回饋總能量最大。由此可知，發(fā)車密度對再生制動能量吸收裝置回饋能量效率有較大影響，不能單一考慮高峰時期的回饋能量，應(yīng)以全日回饋能量情況作為節(jié)能效果評估指標(biāo)[2]。不同線路、車輛、站間距、發(fā)車密度的工程，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果存在差異，具體工程在進(jìn)行再生能量吸收裝置方案設(shè)計(jì)時均應(yīng)以基于本工程實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

表3 各站仿真再生反饋電能數(shù)據(jù)（1 h） kW·h

根據(jù)表3數(shù)據(jù)對初、近、遠(yuǎn)期折算可知，初期吸收電能約為16 592.7 kW·h/天，近期吸收電能約為19 373.8 kW·h/天，遠(yuǎn)期吸收電能約為29 354.2 kW·h/天。通過計(jì)算得出年用電量和電費(fèi)，初期為605.6萬kW·h、357.9萬元，近期為707.1萬kW·h、417.9萬元，遠(yuǎn)期為1 071.4萬kW·h、633.2萬元（電費(fèi)單價按0.591元/kW·h計(jì)算）。設(shè)備全壽命周期內(nèi)節(jié)約電量和電費(fèi)如表4所示。

表4 設(shè)備全壽命周期內(nèi)節(jié)約電量和電費(fèi)

再生制動吸收裝置采用的主要器件（如IGBT、電容器等）均為電子器件，其壽命按照15年考慮，中壓能饋型裝置按200萬/套計(jì)算，則中壓能饋型再生設(shè)備一次建設(shè)資金約1 800萬元，按年利率6%計(jì)算，15年資金時間價值約為1 620萬元。裝置全壽命周期內(nèi)可獲得7 303 - 1 800 - 1 620 = 3 883萬元效益。從表4數(shù)據(jù)還可以看出，初期由于行車密度小，節(jié)能效益偏小，遠(yuǎn)期節(jié)能效益較大。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)對比及分析

3.1 實(shí)測數(shù)據(jù)

根據(jù)最新實(shí)測客流預(yù)測以及上線列車數(shù)和行車間隔，運(yùn)營部門重新編制行車計(jì)劃，實(shí)施行車計(jì)劃見表5。

表5 實(shí)施行車計(jì)劃

對裝置電能表進(jìn)行為期5天（4月1—5日）的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。

圖5 實(shí)測各站再生回饋電能數(shù)據(jù)

3.2 對比分析

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可知，全線再生裝置吸收車輛制動電能約為7 300～8 200 kW·h/天，而理論仿真初期吸收電能約為16 592.7 kW·h/天，兩者數(shù)據(jù)相差較大。經(jīng)過分析有2個主要影響因素：

（1）理論初期每天運(yùn)行18 h，發(fā)車164對，而實(shí)際運(yùn)營每天運(yùn)行15.5 h，發(fā)車108對，發(fā)車密度僅為理論計(jì)算的0.66倍。列車制動能量與行車密度成正比關(guān)系，故由于運(yùn)行時間和行車密度，再生裝置吸收電能約打折0.66。

（2）定員載客按照6人/m2，乘客人均重量按60 kg/人進(jìn)行仿真，一列車輛總重199.6 t，而根據(jù)運(yùn)營初步估計(jì)1個月總客流量約為100萬，約每天3.3萬人，折合一列車輛總重141 t，約為理論計(jì)算的0.71倍。列車制動能量與質(zhì)量成正比關(guān)系，故由于客流量再生裝置吸收電能約打折0.71。

綜合上述原因，對仿真所得再生裝置吸收車輛制動電能進(jìn)行校正，即16 592.7×0.66×0.71 =7 775.3 kW·h/天，校正后數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，證明仿真數(shù)據(jù)合理。

結(jié)合線網(wǎng)情況，濟(jì)南軌道交通1號線由于為濟(jì)南市單獨(dú)運(yùn)營線路，未形成網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，故在2號線開通后，客流會有明顯增長，再生裝置吸收能量將會有較大增幅，為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需持續(xù)跟進(jìn)運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行核對。

4 注意問題

4.1 啟動值設(shè)定

當(dāng)再生能量吸收裝置電壓啟動值過低時，本該被鄰車吸收的再生制動能量會被再生能量吸收裝置回饋至電網(wǎng)，這并非真正意義上的節(jié)能。但如果再生能量吸收裝置啟動值設(shè)置過高，列車制動所在位置的牽引網(wǎng)電壓過高，會導(dǎo)致列車再生制動失效[2]。合理的啟動值應(yīng)該是鄰近車輛優(yōu)先利用再生制動能量，再生制動能量大部分被鄰車吸收，剩余部分被再生能量吸收裝置回饋至電網(wǎng)。

直流系統(tǒng)牽引網(wǎng)空載電壓為1 650 V，根據(jù)運(yùn)營實(shí)測數(shù)據(jù)不大于1 700 V，考慮一定裕量將再生裝置啟動值設(shè)置為1 720 V，為鄰車再生能量吸收留出50 V空間，保證鄰車吸收優(yōu)先。但考慮本工程為集中供電，夜間停運(yùn)后軌道交通負(fù)荷降低造成電網(wǎng)電壓抬升及不明原因的電網(wǎng)波動，本工程經(jīng)研究分析配置如下啟動值方案：

啟動值包括固定值、自適應(yīng)值，以兩者較高的作為實(shí)際啟動值。固定值為1 720 V，通過本地觸摸屏界面直接設(shè)置；自適應(yīng)值根據(jù)實(shí)時采樣的交流電壓（900 V側(cè)）折算出直流空載電壓，再加上50 V，自適應(yīng)值可避免直流空載網(wǎng)壓偏高時再生能饋裝置誤投入。

4.2 環(huán)流情況分析

裝置啟動后，有2種工作狀態(tài)：待機(jī)和回饋。當(dāng)滿足直流側(cè)電壓和直流回饋電流判定條件時，裝置運(yùn)行于回饋工作狀態(tài)；直流側(cè)電壓和電流任一條件不滿足時，裝置待機(jī)運(yùn)行。

裝置待機(jī)時，車輛處于加速或惰行工況，整流器處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時裝置內(nèi)的IGBT處于封鎖脈沖狀態(tài)，無能量變換，不會出現(xiàn)從直流側(cè)到交流側(cè)的電流，因此不會與整流器產(chǎn)生環(huán)流。

裝置處于回饋運(yùn)行狀態(tài)時，車輛處于制動工態(tài)。車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能回饋至直流牽引網(wǎng)，使得直流正負(fù)極的電壓必定高于整流器的空載電壓，此時整流器截止。當(dāng)直流牽引網(wǎng)電壓達(dá)到裝置啟動值且回饋電流大于0時，裝置開始運(yùn)行于回饋工況，將直流側(cè)能量回饋至交流側(cè)，由于此時整流器處于截止?fàn)顟B(tài)，裝置的輸出能量只能通過逆變變壓器返回到35 kV環(huán)網(wǎng)側(cè)。因此，裝置在回饋狀態(tài)下不會與整流器產(chǎn)生環(huán)流。

綜上分析，無論裝置在待機(jī)還是回饋狀態(tài)，應(yīng)均不會發(fā)生與整流器產(chǎn)生環(huán)流的情況。

4.3 無功補(bǔ)償

在城市軌道交通線路運(yùn)營初期，由于感性負(fù)荷較小，35 kV電纜產(chǎn)生的容性無功無法被中和，以致被返送至電力系統(tǒng)。通過再生裝置補(bǔ)償電纜無功倒送的容性無功，可提高功率因數(shù)，并可減輕上級SVG負(fù)載，從而有效降低房間溫度和設(shè)備運(yùn)行噪音。需要注意的是，無功補(bǔ)償功能涉及核心器件IGBT負(fù)荷會相應(yīng)增加，故設(shè)備招標(biāo)階段應(yīng)明確是否需要該項(xiàng)功能及明確無功補(bǔ)償?shù)娜萘?，并設(shè)計(jì)相應(yīng)散熱結(jié)構(gòu)或措施，否則將會影響元器件使用壽命及增加故障率。

工程應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況核算環(huán)網(wǎng)電纜容性無功容量及負(fù)荷功率因數(shù)，選擇定時、定量無功補(bǔ)償方案，在夜間列車停運(yùn)期間進(jìn)行補(bǔ)償，也可采用自動無功補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)功率因數(shù)[8]。

5 結(jié)語

隨著我國地鐵運(yùn)營里程的不斷增加，用電量也在逐漸增加，地鐵再生制動能量利用顯得越來越重要。再生制動能量吸收裝置將是發(fā)展趨勢，裝置設(shè)置方案也逐漸精細(xì)化和完善，具體工程應(yīng)根據(jù)實(shí)際線路基礎(chǔ)資料進(jìn)行仿真計(jì)算及定性分析，綜合考慮裝置投資回報周期、節(jié)能優(yōu)化效果等確定最佳優(yōu)化配置方案，可結(jié)合城市客流、線路、行車等特點(diǎn)采用部分牽引所設(shè)置再生裝置的方案，但需與車輛部門進(jìn)行周密配合，解決再生制動失效問題。裝置整流功能需進(jìn)一步驗(yàn)證其成熟度和設(shè)備可靠性后可適當(dāng)考慮開放。