城市轨道交通再生制动能源利用分析

王 畴

（中铁第一勘察设计院集团有限公司兰州分院，710043，西安∥工程师）

目前轨道交通普遍采用的VVVF（变压变频调速）动车组列车，其制动一般为电制动（再生制动、电阻制动）和空气制动两级制动［1-2］，运行中以再生制动和电阻制动为主，空气制动为辅。

设置再生制动能源利用装置已经成为国内各城市地铁节能减排的主要手段和发展方向。在再生制动能源利用装置设置方案的选取上，近几年除了一些已按电阻或逆变加电阻方案完成设备采购的线路仍延续原有方案之外，国内新建地铁项目大多将中压逆变技术方案作为首选。中压逆变装置在北京市10号线二期和14号线西段已可靠运行。与此同时，电容储能型装置在国内已有多家供货商生产出样机，正处在型式试验和挂网试运行的阶段；而飞轮储能装置的供货商已被国内公司收购，正在进行国产化，也正在寻求地铁正线挂网试验的机会。电容储能技术与飞轮储能技术和逆变回馈技术相比，减少了直流变交流的逆变环节，能量在直流系统内部完成回收和利用，从而也就避免了向城市电网返送能源的问题，因此具有独特的优势。但由于电容储能和飞轮储能装置在再生制动能源技术应用上投入市场较晚，目前国内中压逆变方案仍占据着较大的市场份额［3-4］。

本文以国内某轨道交通线路为例，进行再生制动能源利用分析。该轨道交通线路设11座牵引变电所，其中正线9座、车辆段1座、停车场1座。初期行车追踪间隔为5 min，近期追踪间隔为2.9 min，远期追踪间隔为2 min。其分析论证分别按照正线牵引变电所均设置再生能量吸收装置（方案1、3）、正线牵引变电所间隔设置再生能量吸收装置（方案2、4）进行。

1 列车设置车载式制动电阻

1.1 方案1（正线牵引变电所均设置再生能量吸收装置）

1.1.1 方案1计算机仿真数据表

结合行车等资料，利用牵引供电系统仿真软件对推荐的牵引供电系统方案进行了供电系统模拟计算。初、近、远期各牵引变电所牵引能耗及再生能量吸收能量分别见表1、表2和表3。

1.1.2 方案1设备容量选择

额定功率：不低于1 000 kW（持续运行功率）。

峰值功率：2 000 kW（30 s/120 s，每120 s内峰值功率工作30 s）。

1.1.3 方案1牵引网电压控制

能馈装置启动门槛电压值暂定为1 750 V，初期牵引网电压最大值为2 129 V，近期牵引网电压最大值为1 891 V，远期牵引网电压最大值为2 389 V。以上牵引网电压均大于规范规定容许的极限值1 950 V，上述过电压由列车车载式制动电阻吸收。

1.1.4 方案1节约电费

经计算，初期每年可节省电能约为831×104kW·h，近期每年可节省电能约为758×104kW·h，远期每年可节省电能约为810×104kW·h；优惠后电价暂按 0.7元/（kW·h）计算，则初、近、远期年折算电费可分别节省582万元、531万元、567万元。

1.1.5 方案1建设投资

中压能馈吸收装置1套设备的投资估算约为270万元/所，全线按照设置9座牵引变电所考虑。正线能馈设备一次性建设投资见表4。

表4 逆变回馈装置购置费及安装调试费

1.1.6 方案1全寿命周期节能收益［6］

按一般电气设备寿命计算，逆变装置寿命按25 a考虑，则设备安装至近期运行年度结束正好为25 a，此期间设备不用更换［7］。进入远期运营后，将更换一次相关设备，运营25 a后，将再次更换相关设备，考虑这些因素，综合投资及效益比较见表5。

表5 全寿命周期节能收益

1.2 方案2（正线牵引变电所间隔设置再生能量吸收装置）

1.2.1 方案2计算机仿真数据表

结合行车等资料，利用牵引供电系统仿真软件对推荐的牵引供电系统方案进行了供电系统模拟计算。初、近、远期各牵引变电所牵引能耗及再生能量吸收能量分别见表6、表7和表8。

1.2.2 方案2设备容量选择额定功率：不低于1 000 kW（持续运行功率）。峰值功率：2 000 kW（30 s/120 s，每120 s内峰值功率工作30 s）。

1.2.3 方案2牵引网电压控制

表3 远期仿真计算（30对；1 h）

表1 初期仿真计算（12对；1 h）

表2 近期仿真计算（21对；1 h）

表6 初期仿真计算（12对；1 h）

表7 近期仿真计算（21对；1 h）

表8 远期仿真计算（30对；1 h）

能馈装置启动门槛电压值暂定为1 750 V，初期牵引网电压最大值为2 431 V，近期牵引网电压最大值为2 003 V，远期牵引网电压最大值为2 358 V。以上牵引网电压均大于规范规定容许的极限值1 950 V，上述过电压由列车车载式制动电阻吸收。

1.2.4 方案2节约电费

按运营时间，经计算初期每年可节省电能约为643×104kW·h，近期每年可节省电能约为583×104kW·h，远期每年可节省电能约为613×104kW·h，优惠后电价暂按0.7元/（kW·h），则初、近、远期年折算电费可分别节省450万元、408万元、429万元。

1.2.5 方案2建设投资

中压能馈吸收装置1套设备的投资估算约为270万元/所，全线按照设置4座牵引变电所考虑。正线能馈设备一次性建设投资见表9。

表9 逆变回馈装置购置费及安装调试费

1.2.6 方案2全寿命周期节能收益

按一般电气设备寿命计算，逆变装置寿命按25 a考虑，则设备安装至近期运行年度结束正好为25 a，此期间设备不用更换。进入远期运营后，将更换一次相关设备，运营25 a后，将再次更换相关设备，考虑这些因素，综合投资及效益比较见表10。

表10 全寿命周期节能收益

1.3 方案比较及结论

方案1：从再生能量吸收率（与牵引功率之比）来分析，全线均设置再生能量吸收装置方案的吸收率最高，列车开行12对时吸收率为25.3%，列车开行21对时吸收率为3.9%，列车开行30对时吸收率为9.4%。

方案2：从再生能量吸收率（与牵引功率之比）来分析，全线牵引所隔站设置再生能量吸收装置方案的吸收率较高，列车开行12对时吸收率为19.8%，列车开行21对时吸收率为2.3%，列车开行30对时吸收率为5.5%。

比较可见，方案1节能效果更为突出。另外，国内应用再生能馈装置的项目很多，除设备试用外，设置方案均是全线统一配置。隔所设置在国内尚未有应用案例。而且设备厂家研发产品时的思路都是牵引所一对一再生吸收，若隔所设置，则系统控制策略比较复杂。

从运营维护管理角度来看，全线均设置再生能量吸收装置时，各牵引所方案一致、运行方式一致、设备维护对象一致，运营管理能保证统一，能够有效减少工作量和操作失误率。

结合本工程仿真计算结果，综合比选，推荐正线9座牵引变电所均设置再生能量吸收装置，设备额定容量为1 000 kW，峰值功率为1 800 kW。

2 列车取消车载式制动电阻

2.1 方案3（正线牵引变电所均设置再生能量吸收装置）

2.1.1 方案3计算机仿真数据表

结合行车等资料，利用牵引供电系统仿真软件对推荐的牵引供电系统方案进行了供电系统模拟计算。初、近、远期各牵引变电所牵引能耗及再生能量吸收能量分别见表11、表12和表13。

2.1.2 方案3设备容量选择

额定功率：不低于2 000 kW（持续运行功率）。

表11 初期仿真计算（12对；1 h）

表12 近期仿真计算（21对；1 h）

表13 远期仿真计算（30对；1 h）

峰值功率：4 000 kW（30 s/120 s，每120 s内峰值功率工作30 s）。

2.1.3 方案3牵引网电压控制

能馈装置启动门槛电压值暂定为1 750 V，初期牵引网电压最大值为1 920 V，近期牵引网电压最大值为1 863 V，远期牵引网电压最大值为1 949 V。初期、近期和远期牵引网电压均能够满足规范规定容许的极限值1 950 V。

2.1.4 方案3节约电费

按运营时间，经计算初期每年可节省电能约为868×104kW·h，近期每年可节省电能约为795×104kW·h，远期每年可节省电能约为853×104kW·h，优惠后电价暂按 0.7元/（kW·h）计算，则初、近、远期年折算电费可分别节省608万元、557万元、597万元。

2.1.5 方案3建设投资

中压能馈吸收装置1套设备的投资估算约为350万元/所，全线按照设置9座牵引变电所考虑。正线能馈设备一次性建设投资见表14。

表14 逆变回馈装置购置费及安装调试费

2.1.6 方案3全寿命周期节能收益

按一般电气设备寿命计算，逆变装置寿命按25 a考虑，则设备安装至近期运行年度结束正好为25 a，此期间设备不用更换。进入远期运营后，将更换一次相关设备，运营25 a后，将再次更换相关设备，考虑这些因素，综合投资及效益比较见表15。

表15 全寿命周期节能收益

2.2 方案4（正线牵引变电所间隔设置再生能量吸收装置）

2.2.1 方案4计算机仿真数据表

结合行车等资料，利用牵引供电系统仿真软件对推荐的牵引供电系统方案进行了供电系统模拟计算，初、近、远期各牵引变电所牵引能耗及再生能量吸收能量分别见表16、表17和表18。

2.2.2 方案4设备容量选择

额定功率：不低于3 000 kW（持续运行功率）。峰值功率：6 000 kW（30 s/120 s，每120 s内峰

表16 初期仿真计算（12对；1 h）

表17 近期仿真计算（21对；1 h）

表18 远期仿真计算（30对；1 h）

值功率工作30 s）。

2.2.3 方案4牵引网电压控制

能馈装置启动门槛电压值暂定为1 750 V，初期牵引网电压最大值为2 228 V，近期牵引网电压最大值为1 990 V，远期牵引网电压最大值为2 503 V。以上牵引网电压均远大于规范规定容许的极限值1 950 V，因此在制动电阻取消情况下，不应采用隔所设置再生能量吸收装置方案。

3 结语

在取消车载式制动电阻的情况下，考虑到隔所设置再生能量吸收装置方案牵引网电压均远大于规范规定容许的极限值,因此推荐正线9座牵引变电所均设置再生能量吸收装置。

当列车设置车载式制动电阻时，本线推荐采用方案1，即正线牵引变电所均设置再生能量吸收装置，设备额定容量为1 000 kW，峰值功率为2 000 kW。

当列车取消车载式制动电阻时，本线推荐采用方案3，即正线牵引变电所均设置再生能量吸收装置，设备额定容量为2 000 kW，峰值功率为4 000 kW。

考虑到项目位于严寒地区，运营初期地下区间需要一定的热量，因此建议列车保留车载式制动电阻。

本文依托牵引供电系统仿真软件进行了模拟计算，为具体方案的选择与实施提供了可量化的决策依据，以达到目标的经济效益。然而仿真计算毕竟与实际运行情况存在偏差，最终的经济效益分析结果需在应用实践中进一步实施验证。

［1］ 张家庆.地铁再生制动能量分析［J］.中国科技信息，2016（22）：85.

［2］ 李力鹏.轨道交通牵引系统再生能量利用方案研究［J］.铁道工程学报，2014（9）：121.

［3］ 夏景辉.地铁车辆逆变再生制动能量回馈方案与装置的研究［J］.城市轨道交通研究，2013，16（6）：42.

［4］ 连鹏飞.深圳地铁2号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究［J］.铁道工程学报，2007（6）：85.

［5］ 刘宝林.地铁列车能耗分析［J］.电力机车与城轨车辆，2007，30（4）：65.

［6］ 韩豫，胡继军，查申森，等.变电站全寿命周期设计的理论及应用［J］.中国电力，2011，44（3）：23.

［7］ 曲尚开.基于全寿命周期的地铁再生能量利用效益分析［J］.城市轨道交通研究，2013，16（10）：30.