電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置的節(jié)能分析

周尚明

（重慶軌道交通（集團(tuán)）有限公司網(wǎng)絡(luò)維保公司，400080，重慶∥工程師）

城市軌道交通用電主要有兩個(gè)方面，一是車站和線路上的設(shè)備用電，二是車輛牽引用電。通過對(duì)重慶及全國各城市既有地鐵線路運(yùn)營情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)車輛牽引用電占地鐵總用電量的50%以上。隨著線路開通年限的增加、發(fā)車間隔的縮短、發(fā)車數(shù)量的增多，車輛牽引用電所占比例還將有所增加［1］。

目前，城市軌道交通車輛普遍采用“再生電制動(dòng)＋機(jī)械制動(dòng)”的制動(dòng)方式，制動(dòng)能量可達(dá)到牽引能量的30%以上。因此，如何提高車輛制動(dòng)能量利用率對(duì)發(fā)展綠色城市軌道交通具有重要的意義。

重慶市在軌道交通3號(hào)線設(shè)計(jì)中，首次研發(fā)了電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置，在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域首次將車輛再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，通過地面逆變器裝置反饋至車站低壓動(dòng)力照明系統(tǒng)進(jìn)行再利用；當(dāng)逆變電能不能被完全吸收時(shí)，利用地面電阻裝置進(jìn)行吸收。該裝置也已成功地應(yīng)用于重慶軌道交通1號(hào)線中。重慶軌道交通3號(hào)線、1號(hào)線投入運(yùn)營以來，該裝置已發(fā)揮了重要的節(jié)能環(huán)保作用。

1 電阻－逆變型制動(dòng)能量地面吸收裝置原理

1.1 主電路

電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置主電路主要包括：進(jìn)線直流斷路器QF1、電動(dòng)隔離開關(guān)QS、負(fù)極隔離開關(guān) QS2、線路接觸器 KM1和KM21、斬波單元VT11～VT14、吸收電阻RZ1～RZ4、逆變單元VT1～VT8、交流接觸器KM10、隔離變壓器T、400V斷路器QF2及微機(jī)控制裝置等。主電路原理圖如圖1所示。

1.2 工作原理

電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置，根據(jù)接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況來判斷逆變或者電阻吸收裝置是否投入工作。當(dāng)電網(wǎng)電壓達(dá)到1 400V，地面吸收裝置完成整個(gè)裝置投入吸收前的準(zhǔn)備工作；為地面吸收裝置設(shè)置電網(wǎng)電壓二級(jí)判斷基準(zhǔn)值后，當(dāng)電網(wǎng)電壓升到第一級(jí)判斷電壓1 680V（可調(diào)）時(shí)，首先投入逆變裝置吸收；當(dāng)逆變裝置不能完全吸收該能量時(shí)，將引起電網(wǎng)電壓上升，在電壓升到第二級(jí)判斷電壓1 700V（可調(diào)）時(shí)，電阻斬波器立即投入工作，電阻開始消耗制動(dòng)能量，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，以確保列車充分有效地利用電制動(dòng)。吸收判斷基準(zhǔn)值將隨整流變壓器一次側(cè)的電壓波動(dòng)而作相應(yīng)浮動(dòng)［2］。

1.3 運(yùn)行模式

圖1 電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置主電路原理圖

該裝置的運(yùn)行模式有以下三種。

1）工作模式：電阻、逆變同時(shí)投入運(yùn)行，逆變首先吸收，當(dāng)逆變?nèi)β饰者^剩時(shí)電阻補(bǔ)充吸收。

2）故障模式：逆變系統(tǒng)故障時(shí)，可退出逆變系統(tǒng)由電阻單獨(dú)吸收運(yùn)行。

3）調(diào)試模式：將“工作模式”開關(guān)定在“測試”狀態(tài)，對(duì)逆變裝置，電阻裝置分別設(shè)定模擬輸入電流，進(jìn)行模擬負(fù)載試驗(yàn)，檢測逆變、電阻裝置是否正常。

2 應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

重慶市軌道交通1號(hào)線朝天門站—沙坪壩站全長16.5km，14座車站；有6座正線牽引變電所，分別為小什字、七星崗、鵝嶺、歇臺(tái)子、高廟村、沙坪壩牽引變電所，共設(shè)置6套電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置。車輛段牽引所采用純電阻型吸收裝置。車輛采用B型車，6節(jié)編組。每座牽引變電所逆變吸收額定容量為1 200kW，采用8個(gè)逆變單元并聯(lián)運(yùn)行；電阻吸收額定容量為2 430kW，采用4支路斬波器加吸收電阻。

重慶市軌道交通3號(hào)線二塘站—江北機(jī)場站全長39km，有29座車站，11座正線牽引變電所，共設(shè)置11套電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置。車輛段牽引所采用純電阻型吸收裝置。車輛采用跨坐式單軌列車，6節(jié)編組。正線每座牽引變電所逆變吸收額定容量為900kW，采用8個(gè)逆變單元并聯(lián)運(yùn)行；電阻吸收額定容量為1 560kW，采用2支路斬波器加吸收電阻。

2.2 安全性能保障

為了驗(yàn)證2座牽引變電所電阻－逆變裝置同時(shí)退出時(shí)對(duì)列車電制動(dòng)是否產(chǎn)生影響，2011年7月26—27日，在1號(hào)線鵝嶺站—沙坪壩站區(qū)間進(jìn)行了其中間2座牽引變電所電阻－逆變裝置同時(shí)退出2h的測試。區(qū)間長10.02km，正線8列車編組上線運(yùn)行。列車在各級(jí)檔位電制動(dòng)時(shí)，鵝嶺、沙坪壩牽引變電所裝置均吸收正常，接觸網(wǎng)電壓也在正常范圍內(nèi)。沙坪壩、鵝嶺牽引變電所的電網(wǎng)電壓、吸收電流見圖2、圖3所示。

圖2 沙坪壩牽引變電所電網(wǎng)電壓、吸收電流曲線圖

圖3 鵝嶺牽引變電所電網(wǎng)電壓、吸收電流曲線圖

2011年9月23日，在3號(hào)線兩路口站—唐家院子站區(qū)間進(jìn)行退出紅旗河溝、牛角沱2座牽引變電所電阻－逆變裝置2h的測試。區(qū)間長8.11km，正線7列車編組運(yùn)行。列車在各級(jí)檔位電制動(dòng)時(shí)，區(qū)間兩側(cè)牽引變電所裝置均工作正常，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓控制在正常范圍內(nèi)。

綜合1、3號(hào)線測試結(jié)果可知，在正線同時(shí)退出2座牽引所電阻－逆變裝置，列車正常電制動(dòng)時(shí)其鄰所的電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置吸收正常。因此，電阻－逆變裝置安裝在正線牽引變電所，完全可以保障列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 逆變回饋電能的質(zhì)量（諧波）分析

為確保逆變回饋時(shí)400V配電系統(tǒng)電能的質(zhì)量，對(duì)3號(hào)線牛角沱牽引變電所進(jìn)行逆變回饋電能的測試。測試波形圖如圖4、5所示。

圖4 逆變器空載時(shí)AC 400V電壓波形圖

圖5 逆變器回饋時(shí)AC 400V電壓、電流波形圖

測試結(jié)果表明，AC 400V電壓及逆變裝置回饋電流的畸變較小，未超過相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%要求，對(duì)用電設(shè)備無影響。

3 節(jié)能分析

3.1 逆變回饋節(jié)能

3.1.1 1號(hào)線逆變回饋節(jié)能

重慶軌道交通1號(hào)線目前早晚高峰時(shí)段按10列車編組運(yùn)行，平峰時(shí)按8列車編組運(yùn)行。2012年4月24日至30日，對(duì)1號(hào)線正線牽引變電所電阻－逆變裝置一周吸收的電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，包括電阻裝置及逆變裝置總吸收電量、電阻裝置吸收電量、逆變裝置吸收電量及隔離變壓器損耗的電量，詳見表1。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，電阻－逆變裝置平均每天吸收車輛制動(dòng)產(chǎn)生的總電量為11 401.91kWh。其中電阻裝置吸收電量3 631.21kWh，占32%；逆變裝置吸收電量7 602.37kWh，占67%；隔離變壓器損耗電量168.33kWh，占1%。

表1 1號(hào)線正線牽變電引所一周吸收電量統(tǒng)計(jì)kWh

另外，2012年4月24日至30日，還對(duì)逆變裝置逆變反饋回系統(tǒng)的逆變電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，包括逆變回饋總電量、逆變回饋至低壓400V配電系統(tǒng)的電量、逆變回饋至中壓35kV系統(tǒng)電量及逆變回饋至高壓110kV系統(tǒng)電量，見表2。

表2 1號(hào)線正線牽引變電所一周逆變反饋電量統(tǒng)計(jì)kwh

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在每日平均的逆變吸收電量7 602.37kWh中，其中回饋至400V配電系統(tǒng)電量為2 641.08kWh，占逆變總電量的35%；回饋至35 kV中壓系統(tǒng)電量為4 059.29kWh，占逆變總電量的53%；回饋至110kV系統(tǒng)的電量為902kWh，占逆變總電量的12%。

3.1.2 3號(hào)線逆變回饋節(jié)能

目前，重慶市軌道交通3號(hào)線二塘站—江北機(jī)場站區(qū)間早晚高峰時(shí)段采取大小交路套跑運(yùn)行：四公里站—江北機(jī)場站大交路按14列編組運(yùn)行；二塘站—龍頭寺站小交路按8列編組運(yùn)行。平峰時(shí)二塘站—江北機(jī)場站按大交路18列編組運(yùn)行。

2012年4月28日至5月04日，對(duì)重慶市軌道交通3號(hào)線正線牽引變電所電阻－逆變裝置一周吸收的電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，詳見表3。

表3 3號(hào)線正線牽引變電所一周吸收電量統(tǒng)計(jì)kWh

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，電阻－逆變裝置平均每天吸收車輛制動(dòng)產(chǎn)生電量為5 533.2kWh。其中：電阻裝置吸收電量為2 158.8kWh，占39%；逆變裝置吸收電量為3 250.1kWh，占59%；隔離變壓器損耗電量124.3kWh，占2%。

2012年4月28日至5月04日，同時(shí)對(duì)逆變裝置逆變反饋回系統(tǒng)的逆變電量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，包括逆變回饋總電量、逆變回饋至低壓400V配電系統(tǒng)的電量、逆變回饋至中壓35kV系統(tǒng)電量（無逆變回高壓110kV系統(tǒng)），詳見表4。

表4 3號(hào)線正線牽引變電所一周逆變反饋電量統(tǒng)計(jì)kWh

3.1.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過1、3號(hào)線逆變回饋節(jié)能的統(tǒng)計(jì)分析，1號(hào)線每日運(yùn)行約4 645車km，每日回饋節(jié)能7 602.37 kWh，平均每車km節(jié)能1.64kWh，1年可以節(jié)能2 774 865kWh。按0.793元／kWh計(jì)算，該裝置全年可節(jié)約電費(fèi)220萬元。3號(hào)線每日運(yùn)行約10 929車km，每日回饋節(jié)能3 250.10kWh，每車km節(jié)能0.30kWh，1年可節(jié)能1 186 286kWh，全年可節(jié)約電費(fèi)94萬元（詳見表5）。

表5 1、3號(hào)線節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益匯總

1號(hào)線平均每日牽引用電5.46萬kWh，逆變回饋節(jié)約能量占牽引用電的13.93%；3號(hào)線平均每日牽引用電9.82萬kWh，逆變回饋節(jié)約能量占牽引用電3.31%。目前，因受到逆變回饋開關(guān)額定電流等限制，1、3號(hào)線逆變裝置實(shí)際投入容量分別占額定容量的60%、45%，今后調(diào)整改造后，其回饋節(jié)能效果將會(huì)更加顯著。

3.2 減少隧道風(fēng)機(jī)耗能

采用傳統(tǒng)的車載制動(dòng)電阻吸收方式，再生能量將主要被車載吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉，其結(jié)果是加速隧道的溫升。電阻－逆變裝置則在反饋節(jié)能的同時(shí)又很好地避免出現(xiàn)這種情況。通過安裝在重慶軌道交通1、3號(hào)線各地下車站的采樣點(diǎn)溫度顯示，各地下車站溫度基本不變。因此，每天僅需要在07：00～08：00和17：00～18：00兩個(gè)時(shí)段開啟隧道風(fēng)機(jī)，與國內(nèi)采用車載電阻吸收方式每天需開啟隧道風(fēng)機(jī)20h相比，大大減少了開啟時(shí)間，節(jié)約了耗能。

以1號(hào)線為例，正線及出入段線隧道風(fēng)機(jī)總功率為896kW，平均每天節(jié)約風(fēng)機(jī)耗能16 128kWh，一年節(jié)能5 886 720kWh，全年節(jié)約電費(fèi)466萬元。同時(shí)，地下站風(fēng)機(jī)開啟周期的縮短，也降低了地下粉塵污染，在一定程度上保護(hù)了地下隧道環(huán)境。

3.3 降低列車閘瓦磨耗

一般車載電阻自重800kg，電阻逆變裝置的使用則使車輛自重減少。此外，列車以電制動(dòng)為主，當(dāng)速度低于設(shè)定的速度（5～10km／h）時(shí)才采用機(jī)械制動(dòng)，列車機(jī)械制動(dòng)的時(shí)間縮短，降低了閘瓦的磨耗，延長了閘瓦的使用［3］。

4 結(jié)語

電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置在重慶市軌道交通1、3號(hào)線應(yīng)用以來，節(jié)能效果比較明顯；同時(shí)，采用電阻－逆變混合吸收方式，車輛自重減少且機(jī)械制動(dòng)時(shí)間很短，閘瓦磨耗降低。重慶市軌道交通1、3號(hào)線采用電阻－逆變型再生制動(dòng)能量地面吸收裝置以來，積累了很多寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后新建線路及國內(nèi)其它城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)具有借鑒意義，同時(shí)符合國家節(jié)能減排要求，故具有推廣價(jià)值。

［1］王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生電能回收技術(shù)方案的研究［J］.電氣化鐵道，2004（2）：37.

［2］張?jiān)铺?利用車輛再生電能，建設(shè)持續(xù)發(fā)展地鐵［J］.交通世界，2011（8）：1.