軌道交通工程雙向變流器技術(shù)應(yīng)用工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性分析

摘要 雙向變流器作為近年來城市軌道交通工程中的新興技術(shù)，在提高城市軌道交通能效方面發(fā)揮了重要作用，具有很好的推廣前景，該文介紹了不同雙向變流器的應(yīng)用工程配置方案，并相應(yīng)模擬了軌道交通工程中不同方案下投資費(fèi)用差異情況，分析結(jié)果表明：雙向變流器的經(jīng)濟(jì)性突出，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 雙向變流器；軌道交通；工程造價(jià)

中圖分類號(hào) U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）04-0188-03

0 引言

盡管與傳統(tǒng)公眾交通方式相比，城市軌道交通工程具有能源清潔、綠色環(huán)保的顯著優(yōu)勢(shì)，但隨著城市軌道交通工程在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展，截至2023年底，中國(guó)大陸地區(qū)59個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路338條，運(yùn)營(yíng)總線路11 224.54 km，運(yùn)營(yíng)城市的增加和運(yùn)營(yíng)線路的逐年攀升，城市軌道交通工程的能耗問題已經(jīng)逐漸凸顯。其中，軌道交通工程中列車制動(dòng)能源的消耗問題成為關(guān)注的重點(diǎn)。目前常規(guī)的解決方案包括電阻吸收、電容儲(chǔ)存、逆變器等，這些方案在國(guó)內(nèi)北京、廣州、重慶等多個(gè)運(yùn)營(yíng)線路中均有應(yīng)用，其中，由整流機(jī)組和再生能饋裝置組成的逆變器方案應(yīng)用最為廣泛，在提高城市軌道交通能效方面發(fā)揮了巨大作用[1]，但也逐步暴露出設(shè)備占地面積較大，過載能力一般，直流網(wǎng)壓波動(dòng)大[2]，提高電能效率欠佳等問題。

應(yīng)對(duì)上述缺點(diǎn)，響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”的號(hào)召，雙向變流器技術(shù)方案逐步在寧波、紹興、徐州等城市中得到應(yīng)用。雙向變流器技術(shù)方案不僅可以在列車制動(dòng)時(shí)吸收制動(dòng)能量，還可以在列車啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)提供能量，并具有整流功能。事實(shí)上，雙向變流器同時(shí)具有整流器和逆變器功能，并具有取代整流器單元的功能，這是牽引設(shè)備在未來供電系統(tǒng)中的發(fā)展方向。

由于該技術(shù)方案的應(yīng)用尚處于初步階段，在國(guó)內(nèi)城市軌道交通工程的應(yīng)用線路不多，目前對(duì)雙向變流器的研究多集中在安全性、穩(wěn)定性和可靠性上，對(duì)該技術(shù)方案的工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性分析較少。事實(shí)上，對(duì)于雙向變流器這一新技術(shù)的應(yīng)用和推廣，合理的工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)型分析十分重要。投資控制過于寬松，工程造價(jià)過高，則建設(shè)單位望而生畏，審批難度增大，新技術(shù)應(yīng)用積極性消減；投資控制過緊，工程造價(jià)過低，則廠商無利可圖，新技術(shù)推廣積極性下降。因此，系統(tǒng)全面地研究不同雙向變流器技術(shù)方案的應(yīng)用情況下，得出其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及優(yōu)勢(shì)，對(duì)于雙向變流器的投資控制、方案推廣具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 雙向變流器技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

雙向變流器是由直流母線電容、逆變橋、濾波器等大功率全控型器件組成的大功率變流設(shè)備，提供牽引穩(wěn)壓、制動(dòng)能量回饋和無功補(bǔ)償?shù)裙δ?，既能向城市軌道交通列車提供?qū)動(dòng)電能，又能最大限度地吸收運(yùn)行列車制動(dòng)過程中釋放的再生電能，達(dá)到快捷高效的電能雙向轉(zhuǎn)換[3]。

與傳統(tǒng)方案相比，雙向變流器可根據(jù)線路上的列車運(yùn)行情況，自動(dòng)、平滑地切換整流、逆變運(yùn)行模式，與列車的牽引/制動(dòng)工況自動(dòng)適應(yīng)，列車運(yùn)行平穩(wěn)；采用雙向變流供電顯著改善了列車網(wǎng)壓的波動(dòng)，避免了列車網(wǎng)壓低于1 500 V的情況，能夠顯著改善列車的牽引特性[4]。

同時(shí)，設(shè)備功能集中全面，是對(duì)原有整流機(jī)組的牽引供電功能、再生能饋裝置的制動(dòng)能饋功能和SVG的無功補(bǔ)償功能的整合集成；供電能力提升，可增加供電距離，減少城軌全線路中牽引降壓變電所設(shè)置數(shù)量；采用全控型大功率設(shè)備，實(shí)現(xiàn)直流網(wǎng)壓穩(wěn)定可調(diào)，就近取流，降低線路損耗，降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本；能結(jié)合城市軌道交通運(yùn)行實(shí)際進(jìn)行無功補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)城市軌道交通供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償[5]；設(shè)備數(shù)量減少，體積小，能將不同運(yùn)行工況下制動(dòng)電能就近反饋至電網(wǎng)，能饋系統(tǒng)可自動(dòng)取消制動(dòng)電阻，并能為牽引輔助供電功能提供對(duì)應(yīng)的容量，因此占地面積也相對(duì)較少，減少車站土建費(fèi)用。

雙向變流器節(jié)能優(yōu)勢(shì)顯著，通過主動(dòng)控壓功能提高牽引網(wǎng)壓，降低網(wǎng)壓波動(dòng)，限制越區(qū)供電，從而減少牽引電流，降低接觸網(wǎng)損耗，此項(xiàng)可以節(jié)約5%牽引電能，在車輛制動(dòng)能量回饋吸收方面，同等條件下，比常規(guī)再生能饋裝置的回饋比例更高，雙向變流器能夠回饋吸收15%以上的電能，通過上述兩項(xiàng)，雙向變流器的應(yīng)用比整流機(jī)組節(jié)能超過20%的牽引能量。

2 雙向變流器技術(shù)在軌道交通工程上的應(yīng)用

由于雙向變流器在列車制動(dòng)能源消耗問題解決上的顯著優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)方案在國(guó)外城市軌道交通中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，例如2015年英國(guó)倫敦地鐵維多利亞線，2020年巴拿馬地鐵2號(hào)線，2020年沙特利雅得5、6號(hào)線等等，但是國(guó)內(nèi)的全線應(yīng)用尚在少數(shù)。

常規(guī)牽引降壓變電所方案：采用2套整流機(jī)組基礎(chǔ)上配合1臺(tái)再生能饋裝置，提高列車制動(dòng)能源的能耗。

目前主要設(shè)想的雙向變流器在城市軌道交通工程的應(yīng)用方案分為三種[6]。

方案一：“2+1”，在原有的采用2套整流機(jī)組基礎(chǔ)上，新增1套雙向變流器裝置，該方案優(yōu)點(diǎn)是能顯著擴(kuò)大牽引容量，但是缺點(diǎn)很明顯，額外增加1臺(tái)設(shè)備導(dǎo)致需要預(yù)留相應(yīng)的設(shè)備安裝空間，在土建和機(jī)電投資上都會(huì)顯著增加，因此該方案目前在國(guó)內(nèi)既有線路的應(yīng)用主要為試驗(yàn)?zāi)康?，?yīng)用在新建線路的個(gè)別站點(diǎn)，驗(yàn)證雙向變流器的功能和安全。該方案若作為擴(kuò)容目的，在既有運(yùn)營(yíng)上投入使用，也需要考慮是否有相應(yīng)的設(shè)備安裝空間，因此局限性較大。

方案二：“1+1”，采用1套雙向變流器裝置替代原有1套整流機(jī)組+1臺(tái)再生能饋裝置，與另外1套整流機(jī)并聯(lián)入網(wǎng)，該方案優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生了部分性變化，原有方案經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)穩(wěn)定性得以部分保留，同時(shí)雙向變流器的引入，也使得技術(shù)上更為靈活先進(jìn)，雙向變流器的優(yōu)點(diǎn)也得以發(fā)揮。

方案三：“0+2”，采用2套雙向變流裝置完全替代原有的2套整流機(jī)+1臺(tái)再生能饋裝置，并聯(lián)入網(wǎng)，由于雙向變流器是對(duì)原有整流機(jī)組的牽引供電功能、再生能饋裝置的制動(dòng)能饋功能和SVG的無功補(bǔ)償功能的整合集成，該完全替代方案會(huì)使原有的城軌供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生全面改變，使得雙向變流器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮。

3 雙向變流器供電方案造價(jià)分析

3.1 工程概況模擬

某地鐵線路全長(zhǎng)約30 km，全地下鋪設(shè)，設(shè)采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩層地下車站24座，車站平均建筑面積15 000 m2。全線速度目標(biāo)值為80 km/h，初期采用4B編組。牽引供電系統(tǒng)采用直流1 500 v接觸網(wǎng)供電方式，全線擬采用全自動(dòng)駕駛模式。

3.2 不同供電節(jié)能方案下單個(gè)牽引變電所設(shè)備費(fèi)用差異分析

參考相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，模擬不同供電節(jié)能方案的牽引降壓變電所設(shè)備及造價(jià)，如表1所示。

考慮牽引變電所設(shè)備主材較多，同時(shí)影響投資技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的主要為設(shè)備價(jià)，為方便研究，凸顯重點(diǎn)，表1中不同方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，僅考慮差異設(shè)備的影響，剔除不同方案下相同設(shè)備、主材使用數(shù)量的區(qū)別影響。

由上述不同供電節(jié)能方案變電所設(shè)備及造價(jià)可知，當(dāng)使用方案一時(shí)，區(qū)別僅在于雙向變流器替代了再生能饋裝置，因此相較于常規(guī)牽引變電所方案，牽引降壓變電所增加50萬元/座；當(dāng)使用方案二替代常規(guī)牽引變電所方案時(shí)，雙向變流器能替代再生能饋裝置實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，同時(shí)由于整流器柜數(shù)量減少1臺(tái)，牽引降壓變電所減少10萬元/座；當(dāng)使用方案三時(shí)，由于兩套雙向變流器的使用，整流器功能和再生能饋裝置功能由雙向變流器集成，設(shè)備數(shù)量有所減少，但是雙向變流器設(shè)備費(fèi)較高，導(dǎo)致該方案下牽引降壓變電所增加150萬元/座。

3.3 不同供電節(jié)能方案下牽引降壓變電所總費(fèi)用差異分析

參考相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，基于下述假定，模擬本線不同供電節(jié)能方案下正線牽引降壓變電所總費(fèi)用情況，如表2所示。

假定1：由于雙向變流器集成了相關(guān)設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備數(shù)量減少，設(shè)備用房的建筑面積也可相對(duì)減少，經(jīng)測(cè)算，一般情況下，單座牽引降壓變電所的建筑面積在420 m2

左右[7]，在使用一套雙向變流器替代一套整流機(jī)組時(shí)，每座牽引降壓變電所建筑面積能減少約20 m2，因此方案二和方案三分別能減少設(shè)有牽引降壓變電所的車站建筑面積約20 m2和40 m2。

假定2：按照車站為采用地下連續(xù)墻的地下兩層標(biāo)準(zhǔn)站考慮，車站土建工程費(fèi)用每平方米造價(jià)約1.65萬元。

假定3：由于按照方案三設(shè)置兩臺(tái)雙向變流器后，供電能力提升，單座牽引降壓所的供電距離有所提升，可以減少本線地下車站中設(shè)置牽引降壓變電所的數(shù)量，該次模擬按照減少1座正線牽引降壓變電所考慮。

經(jīng)計(jì)算可知，與傳統(tǒng)牽引降壓變電所設(shè)置方案相比，方案一由于新增了一臺(tái)雙向變流器替代再生能源回饋裝置，導(dǎo)致不論是機(jī)電費(fèi)用還是總費(fèi)用都是最高的；相反，雖然方案三設(shè)置了兩臺(tái)雙向變流器導(dǎo)致單座牽引降壓變電所機(jī)電費(fèi)用增加，但是由于牽引降壓變電所數(shù)量的減少和土建面積的減少，導(dǎo)致方案三的總費(fèi)用最低，經(jīng)濟(jì)型最佳；而方案二則介于方案一和方案三之間，值得一提的是，與常規(guī)牽引降壓變電所方案相比，方案二費(fèi)用更低。

結(jié)合單個(gè)牽引變電所設(shè)備費(fèi)用差異分析情況，分析得知：在使用方案二替代常規(guī)牽引降壓變電所方案時(shí)，單座牽引降壓變電所能減少10萬元（設(shè)備費(fèi)）+33萬元（土建費(fèi)），總計(jì)43萬元/座，無論全線牽引降壓變電所數(shù)量是否因使用雙向變流器而減少，經(jīng)濟(jì)性較常規(guī)方案優(yōu)勢(shì)明顯；在使用方案三替代常規(guī)牽引降壓變電所方案時(shí)，費(fèi)用更低的原因主要是由于牽引降壓變電所減少1座，因此若線路長(zhǎng)度較短，牽引降壓變電所設(shè)置數(shù)量并不能減少時(shí)，經(jīng)濟(jì)性并不明顯，相反隨著線路長(zhǎng)度增加，牽引降壓變電所設(shè)置數(shù)量若能進(jìn)一步減少，則經(jīng)濟(jì)性會(huì)進(jìn)一步凸顯。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從雙向變流器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)出發(fā)，模擬了城市軌道交通工程中三種不同雙向變流器技術(shù)方案下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和費(fèi)用情況，并與常規(guī)制動(dòng)能源解決技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比，主要得到以下結(jié)論：

僅考慮單個(gè)牽引變電所設(shè)備費(fèi)用時(shí)，不同供電節(jié)能方案下，使用一臺(tái)雙向變流器替代一臺(tái)整流機(jī)組的方案，費(fèi)用最低，設(shè)備費(fèi)用減少10萬元/座；在常規(guī)方案基礎(chǔ)上增設(shè)一臺(tái)雙向變流器的方案會(huì)導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用增加約50萬元/所；而使用兩臺(tái)雙向變流器替代兩臺(tái)整流機(jī)組的方案，費(fèi)用最高，設(shè)備費(fèi)需要增加約150萬/所。

使用一臺(tái)雙向變流器替代一臺(tái)整流機(jī)組+再生能饋裝置的方案，較常規(guī)方案設(shè)備費(fèi)用和土建費(fèi)用都有所減少，單座牽引降壓變電所減少43萬元，經(jīng)濟(jì)性明顯。

從模擬的城市軌道交通全線工程角度來看，不同供電節(jié)能方案下，使用兩臺(tái)雙向變流器替代兩臺(tái)整流機(jī)組的方案由于降低了土建成本和牽引降壓所設(shè)置數(shù)量，總費(fèi)用最低，經(jīng)濟(jì)性最佳，而在傳統(tǒng)方案基礎(chǔ)上增設(shè)一臺(tái)雙向變流器的方案，會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用增加，是所有方案中最不經(jīng)濟(jì)的方案。

由分析可知，若線路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使用兩臺(tái)雙向變流器替代兩臺(tái)整流機(jī)組的方案時(shí)，能減少全線牽引降壓變電所設(shè)置數(shù)量時(shí)，經(jīng)濟(jì)性最佳，推薦使用該方案；若線路長(zhǎng)度較短，使用雙向變流器并不能減少全線牽引降壓變電所設(shè)置數(shù)量時(shí)，則推薦使用一臺(tái)雙向變流器替代一臺(tái)整流機(jī)組+再生能饋裝置的方案，更有利于節(jié)省投資。

綜上所述，結(jié)合不同線路特點(diǎn)，采用不同的雙向變流器方案能滿足城市軌道交通項(xiàng)目節(jié)能減排，降低造價(jià)的發(fā)展方向，雙向變流器技術(shù)具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的實(shí)踐價(jià)值。

由于該文在考慮雙向變流器技術(shù)方案時(shí)，土建費(fèi)用的減少是在理想狀況下對(duì)車站建筑面積的減少，實(shí)際車站設(shè)計(jì)時(shí)受車站建筑方案布置的影響，并不一定能完全將設(shè)備占地面積減少的優(yōu)勢(shì)完全體現(xiàn)出來，因此是一種理想狀態(tài)下的模擬，實(shí)際方案比選時(shí)可以進(jìn)行更細(xì)致的研究。

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收稿日期：2024-08-02

作者簡(jiǎn)介：劉浩杰（1993—），男，碩士研究生，工程師，從事城市軌道交通工程經(jīng)濟(jì)工作。