轨道交通能馈研究与仿真

郭琦沛

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

随着中国经济的不断发展，国内的城市轨道交通发展迅猛。近年来，北京、上海、深圳、广州等特大城市地铁建设速度保持高速增长的同时，石家庄、兰州、呼和浩特、洛阳等城市也相继建设或开通城市轨道交通。由于城市轨道交通站间距小、站点密集、发车间隔短、区间内同时运行的车辆较多等特点，其供电系统多采用直流制为列车供电[1]。

在当前的城市轨道交通工程中，DC-AC变压变频传动方式已成为列车普遍采用的方式。当列车在进站制动或在长大下坡道上运动时，其所产生的再生能量将通过DC-AC变频传动装置回馈到直流环节，这部分能量被称为再生能。当同一供电臂上的其他列车具有吸收条件时，再生能量首先被其他列车吸收利用；当能量不能被完全吸收时，剩余能量需通过其他方式利用或消耗[2]。

在早期的城市轨道交通项目中，多采用制动电阻的方式将此部分能量消耗掉。近年来，地铁供电系统日趋成熟，逐渐向智能化、绿色化方向发展，再生电能如何可控、高效地再利用成为当下的研究热点。本文介绍了当前城市轨道交通较为常见的几种再生能吸收方式，对当前技术成熟度和国产化率高的中压能馈式再生能吸收装置进行重点介绍，并结合实例分析中压能馈再生能吸收装置的经济性。

1 再生能吸收装置

再生电能利用装置的主要原理是当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生制动能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度发挥再生制动性能。

目前，再生能量吸收装置主要包括电阻耗能型、逆变回馈型（分为中压逆变和低压逆变）、储能型（分为电容、电池、飞轮等）几种类型[3]。

1.1 电阻耗能型再生能吸收装置

电阻耗能型再生能吸收装置是通过制动电阻将列车制动产生，且无法被相邻列车使用的再生能量消耗，其中的制动电阻安装方式又分为车载型电阻与地面安装型电阻两种方式。电阻耗能型吸收装置技术成熟、投资低，在早期的城市轨道交通中应用广泛，但此种吸收装置缺点明显。一是车载电阻本身增加了列车重量，增大了列车能耗；二是车载电阻消耗制动能量后将会释放大量的热量，致使隧道内温度升高，从而增大空调和通风设备的工作压力，进一步增大地铁系统的能耗。同时，车站站台层的站台板下需设置轨底风道来排热，增大了工程复杂性，不利于站台板下各专业电缆的布置[4]。地面电阻是将制动电阻设置在车站内或沿线单独设置的建筑内，同样产生大量的热量，且电阻工作时会发出刺耳的噪声，对周边居民会产生一定影响[5]。

1.2 储能型再生能吸收装置

储能型再生能吸收装置的基本原理为使用电力电子元件将列车的制动能量吸收到储能单元中，当供电臂内有列车启动、加速等需取流时，储能单元中的电量释放出去再利用。储能型再生能吸收装置分为电容型、电池型及飞轮型等类型。超级电容寿命长、容量大、节能效果好，但其国产化率低、技术成熟度不足、进口设备价格昂贵[6]。电池型储能是随着当前飞速发展的新能源技术发展起来的新技术，其价格比超级电容低，但其寿命相对较短，锂离子电池中充放电寿命相对较长的钛酸锂电池组的充放电寿命约几千次，这对于长期处于大电流充放电过程中的地铁再生能装置还远远不够[7]。飞轮在功率、能量、时间等核心参数上与地铁的实际工况能较好地契合，有良好的应用前景，但是目前国内的轴承技术和材料等方面比较滞后，且飞轮本身属于机械部件，长期高速转动工况下存在安全隐患。所以，中国飞轮储能系统的研究目前仍停留在小功率的实验室样机开发阶段，距离实用化尚有距离[8]。

1.3 逆变回馈型再生能吸收装置

逆变回馈型再生能吸收装置按照电压等级分为中压逆变型和低压逆变型两种。中压逆变型设备是将制动能量逆变转换为交流电后向地铁35 kV或10 kV中压环网发送，通过中压环网系统再分配向其他设备供电；低压逆变型设备是将制动能量转换为交流电后向本站变电所400 V系统供电，由本车站变电所低压动照设备吸收利用。

中压逆变型再生能吸收装置是技术成熟、应用广泛、国产化率高的再生能吸收方案，在近几年新建设的城市轨道交通中应用广泛，如呼和浩特地铁2 号线、洛阳地铁1 号线、徐州地铁1 号线等工程中均有设置，其详细工作原理见下节。

2 中压逆变式再生能系统

逆变回馈型的再生制动能量吸收方式，其原理是在牵引变电站已有的降压变压器和整流机组旁并联一组由逆变装置和升压变压器组成的系统；当有制动能量返送牵引网时，母线电压抬升，超过设定值时系统启动并从牵引网吸收电流，制动能量完成向电网回馈[9]。采用IGBT高频开关器件可以进一步提高并网的电能质量，且响应更为迅速，现在已经成为主流的研究方向[10]。能量回馈系统示意图如图1所示。

图1 能量回馈系统示意图

典型地铁牵引降压混合变电所主接线如图2 所示，其中框内为能馈装置主接线。成套逆变式中压能馈装置主要由直流控制柜（含正极隔离开关）、逆变柜、隔离变压器等组成，其主要功能为通过对牵引网直流侧电压的稳压控制，确保列车再生电制动功能的充分发挥，实现列车再生电能的二次利用。

图2 典型地铁牵引降压混合变电所主接线

成套装置的投入必须具有先进的网压判断技术，网压的判断条件应分别取自交、直流侧。设备只在车辆再生制动且其再生制动能量没有被其他用电设备消耗的条件下进行工作，车辆启动、加速、惰行、夜间停车等工况下，设备不得投入。当车辆再生电制动完毕，设备可靠撤出，处于待命状态。

3 实例分析

以国内中部某城市轨道交通为例，介绍地铁中压能馈装置实际应用，并通过仿真计算其回馈电量及经济性。由于此工程尚未开通运营，其城市、名称、站点等信息暂不公开。

3.1 实例线路供电系统

实例工程线路全长22.7 km，设站16 座，全部为地下车站，设车辆基地与停车场各1座。

表1 正线牵引所间距

全线共设置2座主变电所，11座牵引变电所，其中正线9座，车辆基地与停车场各1座。正线牵引所名称由1#～9#牵引所代替，各牵引所均与车站降压所合建为牵引降压混合变电所，各牵引所内均设置中压能馈式再生能吸收装置。正线牵引所间距如表1 所示，此间距代表了牵引供电系统供电臂长度。

3.2 行车组织

实例工程初、近、远期均采用B型车6辆编组，列车最高运行速度为80 km/h，初期旅行速度为33 km/h，近、远期旅行速度为35 km/h。其全日行车计划如表2 所示。其中，根据地铁设计相关规范，初期为建成通车后第3年；近期为建成通车后第10年；远期为建成通车后第25年。实例工程初、近、远期高峰时段列车对数分别为12对/h、21对/h和27对/h。

表2 该地铁全日行车计划表

3.3 中压能馈仿真

使用仿真软件“基于交直流交替迭代的城轨供电系统再生制动能馈仿真算法软件v1.0”对中压逆变式中压能馈装置进行仿真，分析能馈装置的回馈能量及经济性收益。输入数据包括线路平纵断面、车辆编组、车辆牵引制动特性曲线、行车组织以及交直流牵引供电系统图。仿真结果如图3～4所示。

图3 不同开行对数下各牵引所回馈功率有效值

图3 所示为不同开行对数下各牵引变电所回馈功率有效值。同一牵引变电所不同开行对数时，回馈功率不同，但各对数情况下的回馈功率相差不大；综合分析各牵引所能馈数据，开行对数与回馈功率无线性相关关系，列车开行对数从少到多的变化过程中，各所再生能功率基本为先增后减[11]；相同列车开行对数时，各牵引变电所之间回馈功率不同，这与供电臂长度及线路平纵断面等因素有关。

图4 所示为各开行对数下全线每小时总回馈能量。列车开行对数由小逐渐增大的过程中，全线总回馈电能先增大后减小，且在每小时12～21 对范围内，全线总回馈能量最大。产生这一规律的原因为当列车开行对数较小时，全线同时开行的列车较少，进而产生的总回馈能量较少；当列车开行对数较大时，虽然全线产生的总回馈能量较大，但每一供电臂上，同时开行的列车较多，回馈能量会优先被同一供电臂上的其他列车吸收利用，因此再生能相应减小。

图4 各开行对数下全线每小时总回馈电能/（kW·h）

3.4 经济性分析

根据图4 中的各开行对数情况下全线每小时总回馈电能，结合表2中地铁全日行车计划表，可计算得出实例工程开通运营后，由中压逆变式能馈装置反馈的用电量，以及安装能馈装置后节省的经济。

经过计算，实例工程运营初、近、远期1天及1年全线产生的再生能如表3所示。假设地铁供电系统电费为0.7元/kW·h，则初、近、远期1天及1年全线通过再生能节省的电费如表4所示[12]。

表3 初、近、远期1天及1年全线产生的再生能电量104kW·h

表4 初、近、远期1天及1年全线通过再生能节省的电费万元

以当前再生能成套装置的价格估计，单牵引变电所内单套成套装置约200万元，全线正线共9个牵引所，设备投资约1 800 万元。由表4 可知，牵引所内设置中压能馈式再生能吸收装置后，每年运营节省的电费约600～700万元，考虑一定的冗余以及仿真的误差，运营约3～4年节省的电费可抵扣设备的投资成本。假设设备可运行30 年，共节约电费约2 亿元，经济效益明显。

4 结束语

本文首先介绍了再生能的产生以及主流的几种再生能吸收方案的优劣，并对当前技术成熟、应用广泛的中压逆变式能馈吸收装置进行重点介绍。以国内某中部城市轨道交通某工程为实例，通过仿真分析了中压逆变式再生能方案的回馈电量及经济性，证明了中压逆变式再生能方案的有效性。下一步需等该实例工程开通运营后，根据运营真实数据验证仿真数据的准确性，进一步验证中压逆变能馈方案的实际效益。