節(jié)能曲線下能饋裝置應(yīng)用效果分析

盧海明

(廣州地鐵集團有限公司,廣東 廣州 510000)

近年來城軌軌道交通高速發(fā)展,截至2019年底廣州地鐵運營線路共有14條,線網(wǎng)里程達514.8 km。城市軌道交通能耗總量大、運營成本高,相關(guān)研究指出運營1條25 km的線路,1年的耗電量約在1億～2億kWh,其中列車牽引能耗約占總電耗的45%～60%[1-2]。在如此巨大的能耗面前,如何減少列車牽引用電、降低運營成本,尤其是針對客流量相對較小的郊區(qū)線路具有重要意義。

城市軌道交通具有站間距短、運行速度快等特點,頻繁地制動可產(chǎn)生相當可觀的再生制動電能,目前普遍采用二極管整流器為列車提供所需的電能,無法利用制動能量。

為實現(xiàn)列車再生制動電能的二次利用,廣州地鐵公司在9號線應(yīng)用再生制動能量逆變回饋裝置(下文簡稱“能饋裝置”),采用中壓逆變回饋到地鐵33 kV供電網(wǎng)絡(luò)的方案[3-4]。同時,結(jié)合9號線客流量分布情況,開展列車節(jié)能曲線運行模式的測試,以進一步降低列車能耗。本文通過研究分析列車執(zhí)行節(jié)能曲線下能饋裝置節(jié)能效果,為9號線能饋裝置的投退組合方式和后續(xù)新線能饋裝置的設(shè)置方案提供了理論基礎(chǔ)。

1 能饋系統(tǒng)簡介

廣州地鐵9號線使用的再生制動能量逆變回饋裝置每套額定逆變功率為1 MW,短時峰值逆變功率為2 MW。能饋裝置主要功能為:裝置處于逆變工況時,通過對直流牽引供電系統(tǒng)的功率控制實現(xiàn)對牽引網(wǎng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制,確保列車再生電制動功能的充分發(fā)揮,基本消除列車電制動失效,實現(xiàn)列車再生電能的二次利用[5-6]。

為了盡量減少能饋裝置對直流牽引供電系統(tǒng)運行的影響,9號線設(shè)計將制動電能的回饋通路與牽引整流通路相隔離,能饋裝置交流側(cè)通過中壓開關(guān)柜108接入33 kV交流環(huán)網(wǎng)系統(tǒng),直流側(cè)通過直流開關(guān)柜203連接直流牽引網(wǎng)正極,通過能饋隔離開關(guān)柜2031連接直流牽引網(wǎng)負極。能饋裝置一次接線圖如圖1所示。

圖1 能饋裝置供電示意圖

2 工程應(yīng)用分析

隨著上述研究的順利開展,2020年8月3日—16日在9號線開展為期兩周的測試工作,節(jié)能曲線測試期間新編制9號線節(jié)能測試時刻表,全天各列次均按節(jié)能模式運行。能饋裝置的節(jié)能效果受到諸多運行因素的影響,如啟動電壓門檻值、客流量、列車時刻表、設(shè)備故障情況等,利用節(jié)能曲線測試機會對比、研究列車不同運行模式下能饋裝置應(yīng)用情況和回饋效果的差異,測試期間全線四套能饋裝置均保持相同參數(shù)投入運行,并收集能饋裝置回饋電量和列車能耗數(shù)據(jù)等電氣量。

2.1 測試安排及區(qū)域

8月3日—9日運營期間列車執(zhí)行正常運行模式,8月10日—16日運營期間列車執(zhí)行節(jié)能曲線運行模式,列車在9號線飛鵝嶺至高增站全線均執(zhí)行節(jié)能曲線運行模式。

2.2 測試時刻表安排

廣州地鐵9號線一期工程飛鵝嶺站首、尾班車開車時間分別為6:00和22:30,高增站首、尾班車開車時間分別為6:06和23:15,日均輸送乘客約10萬人。節(jié)能曲線測試期間8月10日—14日采用節(jié)能曲線工作日時刻,與正常運行時刻表參數(shù)對比情況如表1所示。

表1 工作日正常運行與節(jié)能運行時刻表參數(shù)對比表

8月15日—16日采用節(jié)能曲線周六日時刻表,與正常運行時刻表參數(shù)對比情況如表2所示。

表2 周六日正常運行與節(jié)能運行時刻表參數(shù)對比表

2.3 測試數(shù)據(jù)

為避免因抄表時間不一致影響測試結(jié)果,每天牽引所抄表時間均控制在同一時刻前后20 min內(nèi)完成。測試期間9號線變電設(shè)備均正常運行,全線四套能饋裝置正常投入(啟動門檻電壓值1 720 V),未發(fā)生有其它專業(yè)設(shè)備故障導致列車晚點等情況,列車均按節(jié)能曲線時刻表完成運營。

匯總2種運行模式下牽引電量、能饋裝置回饋電量及上線列車導出相關(guān)數(shù)據(jù),測試結(jié)果整理如表3、表4所示。

表3 正常運行模式測試數(shù)據(jù) kWh

表4 節(jié)能曲線運行模式測試數(shù)據(jù) kWh

2.4 測試結(jié)果分析

對比2種運行模式下測試數(shù)據(jù),可總結(jié)出以下結(jié)論:

(1) 7天正常運行模式下正線牽引總電量為482 680 kWh,7天節(jié)能曲線模式下全線牽引總電量為397 162 kWh,節(jié)能模式相比正常模式共節(jié)能85 513 kWh,正線牽引總用電量環(huán)比減少17.7%;

(2) 7天正常運行模式下四套能饋裝置回饋總電量為26 140 kWh,7天節(jié)能曲線模式下回饋總電量為18 140 kWh,回饋總電量環(huán)比減少30.6%;

(3) 正常模式下日均回饋電量3 734.28 kWh,節(jié)能模式下日均回饋電量2 591.43 kWh,對比正常運行模式,節(jié)能模式下日均回饋電量減少1 142.85 kWh。

列車節(jié)能曲線的使用期間,能饋裝置回饋電量有較為明顯的下降,主要由于節(jié)能曲線運行模式是通過優(yōu)化列車速度曲線、調(diào)整列車運行速度,使列車盡量長時間保持惰性運行,減少頻繁的啟制動,同時拉大行車間隔,減少了運營里程數(shù),因此列車回饋至接觸網(wǎng)的再生制動電能也同步減少,能饋裝置的回饋電量、回饋次數(shù)和利用率均明顯下降。綜上所述,配合列車執(zhí)行節(jié)能曲線運行模式時,再生制動能量吸收利用能饋裝置不必全線投用,而是經(jīng)過計算綜合分析后適當設(shè)置。

3 結(jié)束語

以廣州地鐵9號線工程應(yīng)用為例,對節(jié)能曲線下的能饋裝置應(yīng)用效果展開了研究分析,結(jié)果表明,列車節(jié)能曲線的執(zhí)行和能饋裝置的投用均能實現(xiàn)節(jié)能減耗,同時節(jié)能曲線的執(zhí)行減少了列車反饋至接觸網(wǎng)的再生制動電能,能饋裝置利用率出現(xiàn)明顯下降。后續(xù)可通過各站能饋裝置投、退組合成不同的運行方式,對期間收集的數(shù)據(jù)進行比較、分析和總結(jié),為下一步9號線能饋裝置的使用方式及后續(xù)新線優(yōu)化能饋裝置的設(shè)置方案提供參考依據(jù)。