再生能馈装置在北京地铁工程中的应用及节能效果分析

卫 巍 韩志伟 张 钢

(1. 北京交通大学电气工程学院 北京 100044; 2. 北京市轨道交通建设管理有限公司 北京 100068)



再生能馈装置在北京地铁工程中的应用及节能效果分析

卫 巍1,2韩志伟2张 钢1

(1. 北京交通大学电气工程学院 北京 100044; 2. 北京市轨道交通建设管理有限公司 北京 100068)

介绍北京地铁14号线工程供电系统，提出地铁工程供电系统应用再生能馈装置需验证系统稳定性、电能质量及返送城市电网等重要问题，现场试验结果证明再生能馈装置能够满足相关技术要求。通过统计再生能馈装置正式运行后较长时间内的电能数据，计算节能电量，分析牵引用电量和返送电网电能数据，结果表明再生能馈装置投入运营后节能效果良好。

城市轨道交通；再生制动；能量回馈；北京地铁14号线

截至2015年底，北京市城市轨道交通运营里程达到554 km。随着地铁运营里程的不断增加，地铁运营用电量也随之增加。据运营部门统计，地铁列车牵引供电用电量约占地铁运营总电量的50%，如何有效降低牵引用电能耗是降低地铁总体能耗的一个重要课题。在变电所设置车辆再生制动电能吸收装置，可以满足车辆电制动的需求，减少机械制动介入时间，从而减少车辆制动闸瓦磨耗，保持牵引网压稳定[1]。

目前国内城市轨道交通工程再生制动电能吸收方案主要有电阻消耗、超级电容吸收[2]、再生能馈等。经过技术比选，北京地铁14号线选择采用在牵引变电所设置中压型再生能馈装置的技术方案，在地铁列车再生制动时将电能从牵引网反馈至地铁中压供电网络。14号线为分段开通工程，笔者以东段为研究对象。

1 再生能馈装置应用方案

北京地铁14号线供电系统交流电网采用10 kV分散式供电方案，两套12脉波整流机组构成24脉波整流，电压等级为DC 1 500 V，正线牵引网采用刚性接触网，车辆采用4动2拖6辆编组A型车。

14号线东段南起金台路站，北至马泉营车辆段，正线共12座车站，东段全线共设5座城市外电源引入开闭站，正线设8座牵引变电所和4座降压变电所。考虑各种供电系统多种运行方式的供电计算结果，在正线牵引变电所均设置一套2MW容量的再生能馈装置，接入方案如图1所示。

图1 再生能馈系统接入供电系统方案

东段共设置8套再生能馈装置(高家园站再生能馈装置未投入使用)，实际投入使用的再生能馈装置7套。车辆段因车速较低，未设置再生能馈装置。表1为14号线东段变电所分布。

1.2 投入运行前需验证的问题

1.2.1 地铁供电系统失压时继电保护的有效性

对于地铁供电系统来说，再生能馈装置是除城市电网外的等效电流源，在失去城市电网电源时，再生能馈装置应能够准确、快速退出，实现变电所继电保护准确动作，保证地铁供电系统的稳定性，避免出现孤岛运行的严重后果[3]，导致10 kV母线自投功能失效。

表1 14号线东段变电所分布

在14号线牵引变电所进行10 kV电源失压现场试验。通过分断本所本段10 kV进线开关和上级开闭所10 kV馈线开关，分别测量能馈装置退出时间，并与变电所母线自投时间对比，实测自投动作是否正确。

其中,r为无风险利率;θ是长期方差,当t→∞时,E(ν(t))→θ(E(·)表示期望算子);κ是瞬时波动率ν(t)回归至θ的速度,σ是ν(t)的波动率;Wj(t)(j=1,2)是相关系数为ρ的2个维纳过程。由文献[14]可知,SV模型的特征函数为

现场试验结果表明，能馈低压断路器在10 kV母线失压后40 ms左右断开，即能馈装置可以在50 ms内完全退出供电系统。14号线供电系统10 kV母联自投时间为4 s，试验测量图形见图2。再生能馈装置在交流侧失压时，可安全迅速退出变电所供电系统，不影响系统安全稳定运行。

图2 变电所母线失压及能馈装置退出试验波形

1.2.2 电能质量

地铁牵引供电系统用两套整流器组成等效24脉波整流电路，将交流电整流成直流电并向地铁车辆供电[4-5]，可以满足电网电能质量要求。再生能馈装置采用IGBT功率元件变流技术，理论上产生的谐波量小于普通二极管整流技术。通过现场试验，利用电能质量分析仪对再生能馈装置产生的谐波进行分析。

图3为能馈装置在100%负载时10 kV侧相电压、相电流波形，CH1为10 kV母线相电压波形；CH2为一组整流机组10 kV侧电流波形；CH3为10 kV侧能馈电流波形。从图形上看，能馈电流波形正弦度良好，且波形质量优于整流机组。

图3 能馈装置与整流机组波形质量对比

现场试验结果表明，再生能馈装置空载运行时的10 kV母线电压总谐波畸变率和满载运行时的10 kV母线各次电压谐波含量均较小(见表2～3)，总畸变率满足国家标准要求(小于4.0%)[6]。满载运行时注入10 kV电网的电流总谐波畸变率小于2%，且各次谐波含量均满足国家标准要求(见表4)。

表2 空载时10 kV母线电压各次谐波大小

表3 100%负载时10 kV母线电压各次谐波大小

表4 100%负载时各次谐波电流大小 A

1.2.3 返送电能到城市电网的影响

为了减少再生能馈装置故障对10 kV供电系统的影响，在再生能馈装置与10 kV母线之间配置了断路器和保护装置。在分散式中压供电网络中，地铁开闭变电所外电源接入点设置了断路器及保护装置，再生能馈装置至电力公司电网之间的供电线路中也设置了多个10 kV断路器及相应的保护装置，同时，再生能馈装置本身也设有完善的保护装置[7-10]。所以，当再生能馈装置发生故障时，其对地铁供电系统的影响范围有限，不会影响上级电站供电安全。

2 再生能馈装置节能效果

2.1 再生能馈装置吸收电能统计及分析

对北京地铁14号线东段开通线路设置再生能馈装置的车站进行回收电能统计，2015年4—9月按车站统计的日均再生能馈装置回收电能情况如图4所示。

图4 14号线东段再生能馈日均吸收电量统计

由图可知，4—9月再生电能吸收量最大的车站是东湖渠站、金台路站，日均吸收再生电能1 400～1 800 kWh，最小的枣营站日均吸收电能近400 kWh，其他再生电能吸收车站日均吸收电能为400～600 kWh。

在东湖渠站设置牵引变电所，与相邻牵引变电所善各庄站和阜通站的距离分别为2.46 km和2.2 km，因此东湖渠站牵引供电距离为4.66 km。枣营站设置牵引变电所，距离相邻的牵引变电所东风北桥站和金台路站分别为2.17 km和2.31 km，因此，枣营站牵引供电距离为4.48 km。朝阳公园站未启用，列车通过不停车。

结合线路坡度和站点分布分析，东湖渠站和枣营站牵引供电距离相近，两站供电范围线路坡度较均匀，而再生电能吸收量差距较大，其主要原因如下：

1) 东湖渠站牵引供电范围内车站数量为5座，枣营站牵引供电范围内车站数量为3座(朝阳公园站未投入启用，列车通过不停车)。东湖渠站牵引供电范围站间距较短，区间长度较枣营站牵引供电范围平均减少1 km，区间内列车启停更频繁；

2) 在一定的行车间隔内，善各庄—阜通区间运行的列车数量要多于东风北桥—金台路区间，前者的区间内列车停站次数是后者的两倍。

所以，相近长度的供电区间内列车和车站较多是东湖渠站再生电能吸收量远大于枣营站的主要因素。

善各庄站和金台路站两个末端车站吸收再生电能数量差距较大的主要原因是：善各庄站是车辆驶出车辆段后的第一个车站，出入段的车辆车速较慢，再生制动需求相对较小，所以再生电能反馈量较小；金台路站是分段运营的中间折返车站，车辆需在本站折返后继续运行，车辆在本站有较多再生制动的需求，朝阳公园—金台路区间连续下坡，车辆有较多制动需求，所以再生电能反馈量相对较大。

综上所述，牵引变电所之间的距离、线路情况和行车组织等因素对再生能馈装置吸收电能的效果有较大影响。

2.2 再生电能吸收量与牵引用电量的对比

14号线东段4—9月全线牵引用电量与再生能馈装置吸收量的统计见图5。

图5 4—9月再生能馈装置吸收量统计

节能率是车站再生电能吸收量与车辆牵引用电量的比值，节能率反映再生能馈装置的节能效果。

经分析，正线再生能馈回收电能约占牵引用电量的11%～14%(见图6)。一般轨道交通再生制动能量可达牵引制动能量的20%～40%以上[7]。再生能馈装置投入运行后的节能效果较为显著。

图6 4—9月再生能馈装置节能率

经分析，再生制动电能主要被相邻车辆和再生能馈装置吸收。车辆再生制动启动后短时间内回馈电网电能峰值大，车站设置再生能馈装置功率有限，不能完全吸收，这也是影响节能率的重要原因。

2.3 再生制动电能返送城市电网分析

北京地区地铁供电系统中压供电采用10 kV分散供电方式，14号线东段正线设3个城市电网电源引入开闭所车站，分别是东湖渠、望京南和枣营。4—9月返送城市外电源再生制动电能统计数据见表5。

表5 开闭所日均返送上级变电所电能统计 kWh

地铁车辆再生制动回馈电能有短时峰值较大的特点。短时间内再生回馈大量电能到交流电网，在用电负荷稳定的情况下，再生制动反馈电能如不能被本变电所其他负荷利用，则会反馈至供电分区内被其他用电负荷利用，如还不能被完全利用则电能被反馈至上级城市电网。

由表5数据可知，10 kV分散式供电分区范围内负荷用电较平稳，对于车辆再生能馈吸收的波动式巨大电能不能在分区内及时消耗，则会反馈至上级城市电网。可以推断，集中供电方式采用更高等级的中压交流电网，供电距离更大，供电分区内用电负荷相对较大，再生制动电能在地铁系统内的再利用率会显著增加。

3 结语

以北京地铁14号线工程为例，对再生能馈装置在城市轨道交通工程应用的技术方案进行介绍，提出并验证了再生能馈装置投入地铁供电系统运行前需验证的几个重要技术问题，并得到现场试验的验证。统计并分析了实际运营的节能数据，结果表明再生能馈装置在城市轨道交通工程运营过程中的节能效果十分明显。

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(编辑：王艳菊)

Application of Energy Feedback Traction Power Supply Device and Analysis on Energy- Conservation Effect for Beijing Subway

Wei Wei1,2Han Zhiwei2Zhang Gang1

(1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044;2. Beijing MTR construction Administration corporation, Beijing 100068)

The paper introduces the power supply system of Beijing Subway Line 14 and raises several important issues about application of energy feedback traction power supply device, such as power system stability, power quality and reverse feeding. The field test results prove that the application of energy feedback traction power supply device can meet the technical requirement. Through the data statistics and analysis of the traction power supply energy and the reverse feeding energy after the formal operation of the Beijing Subway Line 14 for a period of time, the effect of energy conservation is considerable. The application of energy feedback traction power supply device is an effective measure to save energy in urban rail transit.

urban rail transit; regenerative brake; energy feedback; BeijingSubway Line 14

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.024

2016-01-22

2016-04-19

卫巍，男，硕士研究生，研究方向为城市轨道交通牵引供电技术，wei_tj@126.com

中央高校基本科研业务费(2014JBM114)；国家科技支撑计划项目(2013BAG24B01)

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0107-04