再生制动能量回馈系统的能量回馈效率影响因素分析

何礼光 何海华

(广州ABB微联牵引设备有限公司,510530,广州∥第一作者，助理工程师)



再生制动能量回馈系统的能量回馈效率影响因素分析

何礼光 何海华

(广州ABB微联牵引设备有限公司,510530,广州∥第一作者，助理工程师)

详细分析了城市轨道交通项目在选取再生能量回馈系统时需要考虑的因素。能量回馈系统的安装间隔直接影响再生制动能量利用率的高低，列车制动时与能量回馈系统的距离也影响能量回馈效率，能量回馈系统安装点与轨道的距离也会影响能量回馈效率。

城市轨道交通; 列车再生制动; 能量回馈系统; 回馈效率

Author′s address ABB Microunion Traction Equipment Limited,510530,Guangzhou,China

能量回馈系统(ERS)和储能系统(ESS)是再生制动能量管理系统(EMS)的两种主要方式。逆变回馈方式是将能量逆变至中压或低压电网,以供给站内设备用电,从而达到能量循环利用的目的。储能方式主要有蓄电池储能、超级电容储能和飞轮储能等几种。采用储能方式可缓冲列车电制动时对直流接触网的冲击。在早晚高峰时,线上列车较多,储能系统可在列车牵引过程释放能量,防止接触网电压下降太快；在列车制动时,将能量储存,实现能量的循环利用。在采用EMS时,列车不要安装制动电阻,即可达到轻量化设计的目的。目前ABB集团有限公司针对轨道交通开发的Enviline系列EMS在波兰、土耳其、美国和澳大利亚均有成熟的应用业绩。

1 再生制动能量回馈系统选取因素

城市轨道交通项目在安装ERS时一般需要综合考虑EMS的安装距离、列车的运行间隔、列车运行过程的制动策略、能量管理系统启动电压、能量管理系统的功率、电网的吸收能力及投资回报率等因素。

对于新建的线路,可通过提高电网的吸收能力,提高能源利用率。但对已有的线路而言,其电网吸收能力固定,故直流接触网的阻抗将直接影响再生制动能量传输回EMS的效率。而发车的间隔决定了在线运行列车的数量,从而决定了线上有多少能量能够回馈。合理的安装距离、制动策略和发车的间隔在兼顾投资回报的前提下,可将能量利用的效率最大化。

本文着重分析EMS安装距离和列车运行过程的制动策略(列车制动时离EMS的距离)对EMS能量利用率的影响,并给出ABB Enviline系列ERS在波兰罗兹城轨项目的应用实例。

2 基本技术参数

分析使用的技术参数选取设计运行速度为120 km/h的地铁B型车,其供电额定电压为1 500 V,ERS的启动电压和停止电压分别设定在1 670 V和1 850 V(可根据不同城市以及电网的吸收能力进行调整)。具体的参数如表1、表2所示。

表1 ABB Enviline系列ERS技术参数

表2 基本技术参数

选取的地铁线路共有19座车站。变电站的分布情况如表3所示。发车间隔及预估满载率见表4。

表3 研究线路的变电站分布情况

表4 发车间隔与预估满载率

3 仿真分析

3.1 不同ERS安装方案的能量回馈分析

由于空间的限制,一般只在牵引变电站内安装ERS,而在未设变电站的普通车站不设置ERS。当每座牵引变电站均安装ERS时，每个座车站的再生制动总能量及回馈至电网的能量见图1。当ERS在相隔3～5 km的变电站安装时，各站ERS的安装情况见表5，相应的各站能量回馈情况见图2。经计算，此时制动电阻消耗的能量约占再生制动总能量的10%，回馈至电网的能量约占90%。

图1 变电站均安装ERS时每个站点能量回馈情况

站名站点是否安装ES站点1是站点2否站点3是站点4否站点5是站点6是站点7否站点8否站点9是站点10否站点11是站点12否站点13否站点14是站点15否站点16是站点17否站点18是站点19否

图2 相隔3～5 km的变电站安装ERS时每个站点能量回馈情况

从图1和图2可以明显看出,站点4到站点8的回馈能量明显下降,且回馈电网的能量占总电制动能量的比例从95%下降到90%。当所有变电站均安装能量回馈系统时,每天回馈的总能量为59.28 MWh,而隔3～5 km变电站安装时,回馈的总能量为56.24 MWh。按电价0.6元/kWh考虑,一年365 d计算(不考虑工作日与非工作日客流量的差异对能量回馈吸收的影响),则2种安装方式每年的电价之差约为665 760元。就此线路而言,考虑投资回报率,隔3～5 km变电站安装ERS方案的经济效益会更好。

3.2 列车与ERS的距离不同时的电制动能量回馈分析

列车电制动时与ERS的距离(以下简为“车-ERS距离”)分别为0.5 km、2.0 km、4.0 km的仿真结果分别如图3～图5所示。

图3 车-ERS距离为0.5 km时能量回馈情况

图4 车-ERS距离为2 km时能量回馈情况

图5 车-ERS距离为4.0 km时能量回馈情况

当列车电制动时,电网电流突然上升,触发ERS开始工作；随着列车速度减小到0,电网电流随之下降到0,ERS停止工作。

距离ERS 0.5 km时，列车开始电制动。ERS的工作电流与接触网电流的变化基本一致(如图3所示)。可见，实际通过ERS的能量与线上能被回馈的能量基本一致。但随着制动时列车与ERS之间距离的增加,由于线路阻抗增加,实际通过ERS的电流相比明显下降(见图4～图5)。最大回馈电流与车-ERS距离的关系如图6所示。

图6 最大回馈电流与车-ERS距离的关系

4 ABB Enviline系列ERS在波兰罗兹项目的应用

ABB联合研发中心于2013年在波兰罗兹某城市轨道交通项目(750 V)变电站里安装了1套ERS。目前该系统运行情况仍然良好。

列车制动时，ERS直流侧的电流电压变化波形如图7所示。

图7 ERS直流侧的电压与电流波形

由图7可见,当电压高于设定值时(此项目为730 V),ERS开始工作。可被回馈的能量取决于直流母线的电压。直流母线能承受的电压越高,则能被ERS获得的电流就越大。当列车电制动回馈能量时,优先由ERS吸收回馈。从图7还可以看到,由于电制动产生的能量被其他列车吸收掉了,ERS停止工作两次。图8为某段时间内ERS直流侧的电流变化情况,可以看出，列车在行进过程中经常会有两次甚至更多的电制动产生,产生回馈电流,触发ERS工作。

图8 某段时间内ERS直流侧的电流变化

图9为电网空载时的ERS交流侧电压波形图。图10、图11为列车制动过程中电网交流侧的电压与电流波形图。交流侧电压与电流是通过安装在变压器二次侧的特殊测量装置获得的。由图9可以看出,空载时交流侧的电压为526～527 V。在制动能量回馈过程中,电压上升超过530 V。在ERS电流最大时,电压可达550 V。

图9 空载时ERS交流侧电压波形图

图10 制动时ERS交流侧的电压波形(AB相)

图11 制动时ERS交流侧的电流波形(A相)

图12记录了ERS安装在距离轨道大于1 km的位置时2013年10月1日—2014年1月29日期间的能量回馈情况。2013年10月—11月间,平均每天回馈能量为100 kWh。2013年12月,由于室外温度低,车上的加热设备均打开工作,故直流母线平均电压降低,每天能量回馈值降至60 kWh。另外，ERS启动电压与制动电阻启动电压之间的差值仅为30～40 V。当ERS安装点距离轨道只有200 m时,两周内平均每天回馈能量达200 kWh(如图13所示)。

图12 ERS距轨道大于1 km时回馈的能量

5 结论

通过对ERS系统的能量回馈因素分析，得到以下结论：

图13 ERS距离轨道200 m时回馈的能量

(1) ERS的安装间隔直接影响再生制动能量利用率的高低。

(2) 由于存在线路阻抗,故在电制动时列车与ERS的距离影响再生制动能量的回馈效率。

(3) ABB Enviline系列ERS在波兰罗兹项目的应用,也说明了ERS安装点与轨道的距离直接影响回馈能量效率。不过,该项目所在线路比较老旧,电网吸收能力有限,并且列车速度低、载重小,所以回馈的能量总值与国内的线路相比较少。

[1] 冯剑冰.再生制动能量利用方式的探讨[J].城市轨道交通研究,2007(5):46.

[2] 张秋瑞,毕大强,葛宝明.地铁再生制动能量逆变回馈电网装置研究[J].电力电子技术,2012,46(9):60.

[3] 梁广深,黄隆飞.地铁B型车牵引能耗与再生制动节能效果分析[J].城市轨道交通研究,2016(2):27.

[4] ABB.ENVILINETMERS-Energy Recuperation System [EB/OL].(2015-03-20)[2017-01-18].https://library.e.abb.com/public/2b2bd2889b131fdbc1257e0e00452cb0/ENVILINE%20ERS%20EN%202.pdf.

[5] ABB.ENVILINETMESS-Energy Recuperation System [EB/OL].(2015-03-27)[2017-01-18].https://library.e.abb.com/public/530732baf3dcfe42c1257e150048002b/ENVILINE%20ESS%20EN.pdf.

Analysis of Factors on Recuperation Efficiency of Regenerated Braking Energy Recuperation System

HE Liguang, HE Haihua

Important factors that influence the selection of rail transit regenerated braking energy recuperation system are analyzed in detail.The installation interval of energy recuperation system will directly influence the utilization efficiency of the regenerated energy produced by train.Conversely,the distance between train braking and energy recuperation system,between the installation point of energy recuperation system and the track will also influence the utilization efficiency.

urban rail transit; train regenerated braking; energy recuperation system; recuperation efficiency

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.06.016

2016-12-09)