朔黄铁路再生制动能量利用及节能分析

2021-05-10杨雪凇

电气化铁道 2021年2期

杨雪凇，黄文，李剑，岳岩

0 引言

朔黄铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港口站，基本呈西东走向，正线全长594.132 km，共设车站34座，为国家Ⅰ级干线、双线重载电气化铁路[1]。

朔黄铁路西与神朔、南北同蒲铁路相连，东与京九铁路、黄万铁路和黄骅港连接，是我国西煤东运第二大通道，在全国路网中占有重要地位。线路与神朔铁路接轨后，为大规模开发神府东胜煤田创造了条件，对加快沿线地方经济发展，保证华东及东南沿海地区能源供应具有极其重要的战略意义。如何实现重载铁路的高效节能，提升运营效益，已成为行业关注的重点，其中再生制动能量利用对于电气化铁路的高效节能意义重大。

1 再生制动能量产生原理及流向

1.1 机车再生制动能量产生原理

再生制动能量来自线路中运行的电力机车。目前朔黄铁路实际运行的机车车型包括和谐系列（HXD1）和韶山系列（SS4B）两种。按照主电路结构，HXD1系列交流传动机车采用了最新一代传动技术，主要由机车变压器、四象限变流器、中间直流环节、三相交流牵引电机等组成。当列车处于制动模式时，三相交流牵引电机可实现将动能转化为电能；四象限变流器采用IGBT全控型核心器件，可实现控制能量的双向流动，因此能够通过再生制动方式将能量反送至牵引网。而SS4B机车采用交直主电路结构，为上一代传动系统，采用晶闸管半控桥整流电路串联调压方式，不含全控桥，无法实现控制能量的双向流动，因此不能反送再生能量[2]，需增加车载电阻以消耗多余制动能量。因此，HXD1机车是朔黄铁路再生制动能量的主要来源。

1.2 机车再生制动能量流向

牵引供电系统再生制动能量的多少以及再利用情况受线路坡度、行车密度及车型等因素的影响。针对电气化铁路和城市轨道交通，再生制动能量的流动轨迹也有所不同。

电气化铁路中，电力机车再生制动能量主要存在以下两种流向：被同一供电臂内电力机车利用和返回至电力系统。由于电气化铁路牵引网上存在电分相，电力机车再生制动能量最初只能在机车所处的供电臂范围内流动，若该供电臂内存在其他相邻机车（牵引模式下），则再生制动能量利用率将大大增加。若该供电臂内不存在其他相邻机车或相邻机车处于制动模式，则再生制动能量将无法被合理利用，可能造成牵引网电压升高，此时，再生制动能量将通过牵引变电所馈线流入27.5 kV母线，再穿越牵引变压器绕组进入电力系统，由于电力公司通常采用电能返送正计或返送不计的电费计量标准[3，4]，且这部分能量存在电能质量问题，因此该情况对铁路运营单位十分不利。

城市轨道交通一般采用双边供电、直流牵引，牵引网上虽然不存在电分相，但在牵引所首端牵引网上存在电分段，电力机车再生制动能量最初在相邻2个牵引所之间流动，虽然牵引所间距较小，但地铁行车密度大，且在每个区间都会启动和制动，因此区间普遍存在再生制动能量且被利用情况较好。剩余未被利用的能量一部分可通过牵引所馈线进入牵引所正极直流母线，再经过正极直流母线上的其他馈线进入相邻供电区间为机车供电；另一部分能量可通过牵引所内的再生能量回馈装置馈送至中压网络，再由中压网络输送至相邻牵引、降压所供电，或反馈至上一级，最终进入电力系统[5，6]。

综上所述，无论是电气化铁路还是城市轨道交通，再生制动能量利用率严重依赖于负荷类型和行车运行组织，合理的车辆组合和行车组织密度将直接影响线路运营成本。

现针对重载铁路、高速铁路和城市轨道交通3种不同类型的线路对再生制动能量特点进行对比，如表1所示。

从表1可以看出，对于不同类型的牵引负荷，影响其产生再生制动能量的因素有所差异，再生制动能量的利用效果也将受到影响。

2 朔黄铁路牵引供电系统仿真建模

朔黄铁路正线由神池南至黄骅港，其中上行的神池南—定州西段坡道集中，海拔迅速降低，定州西以东线路海拔继续缓慢下降，但地势已大大趋于平坦，逐步进入平缓的大平原区段。

年运量为3.5亿吨时，朔黄铁路公司将以开行2万吨、1.5万吨列车和1万吨列车为主。列车的操纵方式受地形和线路条件影响。据粗略统计：神池南—黄骅港为上行方向，列车编组重载出站后，机车牵引万吨列车从高海拔至低海拔走行连续长大坡道；神池南—定州西区段，制动工况约占操纵总时长的80%以上，牵引工况约占操纵总时长的10%，剩余时间为怠行工况；经过定州西之后则正好相反，牵引工况占操纵总时长超过90%，而制动工况占操纵总时长不超过5%，其余时间为怠行工况。黄骅港—神池南为下行方向，列车空载出站，机车牵引编组驶向高海拔终点，其全程牵引工况约占90%以上，剩余为怠行工况，正常行驶中，几乎可全程不使用主动制动。

2.1 仿真目标

现以朔黄铁路神池南—定州西段为例，模拟以50% HXD1机车和50% SS4B机车上线配比作为初始值（工况一），按15 min追踪间隔交错运行模拟一次，分析线路用电数据及再生电能利用率；在相同运力下，每增加10% HXD1机车上线比例（工况二—工况六），重新规划行车对数和牵引组合方式，按相同追踪间隔模拟运行若干次，直至全部HXD1机车上线，对上述6种工况用电数据和再生电能利用率进行统计和比对；全部采用交直交机车上线时，如果再生电能利用率显著不足，进一步考察在该区段的上坡一行增加空载车辆密度的可行性，进行假设、简化，并重新规划后进行模拟，寻找可能的节能效果最大值。

根据以上模拟，寻找该线路机车经济运行的最佳方式，得出相应的节能效果数据。

2.2 模型建立

利用OpenTrack和OpenPowerNet软件针对朔黄铁路牵引供电系统进行仿真模拟，需输入如下基础资料：

（1）线路资料。根据全线线路平、纵断面设计资料输入线路长度、线路坡度、转弯半径、局部地区限速要求、车站数量和位置等信息，实现轨道网络化布局。

（2）车辆参数。包括车辆类型（机车和拖车）、长度、载重、牵引额定功率和最大再生制动功率、机车牵引特性曲线、机车电制动特性曲线、最大加/减速度、空气阻力公式等，以建立列车数据库。

（3）牵引供电系统相关参数。包括供电方式、牵引变电设施数量和分布、变压器容量、牵引网阻抗参数等。

（4）行车组织。根据实际行车密度输入列车车次、追踪时分，搭建行车组织模型，以建立时刻表数据库，管理用户要求的列车离站时间、最小停站时间、列车间的衔接关系和其他仿真过程中的关键性数据。

3 仿真分析

为模拟朔黄铁路不同车型的单车电流、牵引网电压以及机车实际运行功率情况，对1列HXD1车和1列SS4B车分别进行仿真分析（在1 h内），仿真结果如图1—图4所示。

图1 HXD1单列机车牵引电流、电压水平

图2 HXD1单列机车牵引功率

图3 SS4B单列机车牵引电流、电压水平

图4 SS4B单列机车牵引功率

从上图可知1列HXD1、SS4B机车运行时相关关键指标如表2所示。

表2 HXD1、SS4B机车运行时相关参数

通过对表2中牵引网最高、最低电压指标对比可知，牵引网实际电压明显高于牵引网标称电压（25 kV），说明机车运行过程中长时间处于再生制动状态，制动能量反馈至牵引网使得网压抬升明显。由于朔黄铁路运行的SS4B车型没有再生制动模块，因此再生能量全部由HXD1车型提供。由表2中电流、功率指标对比可知，两种车型在同一线路条件下运行参数具有较大的差异性，HXD1机车牵引电流、牵引功率明显高于SS4B机车，因此HXD1机车为主要能耗负荷。

现对工况一—工况六进行仿真，得到神池南—定州西段牵引变电所实际运行总功率，仿真结果如图5所示。

图5 牵引变电所总功率分布情况

根据以上仿真结果，对朔黄铁路神池南—定州西段牵引能耗及再生电能等指标进行统计，如表3所示。

由表3可以看出：随着HXD1机车对数逐渐增加、SS4B机车对数逐渐减少，在高峰小时内机车追踪时间保持不变的情况下，全线由机车电制动产生的再生电量利用率呈逐渐上升趋势；对于工况一—工况四，随着HXD1机车的不断增加，再生能量利用率平稳缓慢上升；对于工况四—工况六，随着HXD1机车的不断增加，再生能量利用率上升趋势较明显，当全部为HXD1机车时达到顶峰。

表3 牵引能耗及再生电能数据

朔黄铁路神池南—定州西段共设有9个牵引变电所，对各变电所电度电费按0.487 2元/kW·h估算。工况一时变电所在高峰小时共消耗电能16.874万kW·h，其中再生电能为5.265万kW·h，节约电度电费为2.565万元，占比达31%；工况二时变电所在高峰小时共消耗电能17.519万kW·h，其中再生电能为5.973万kW·h，节约电度电费为2.910万元，占比达34%；工况三时变电所在高峰小时共消耗电能18.116万kW·h，其中再生电能为6.486万kW·h，节约电度电费为3.160万元，占比达36%；工况四时变电所在高峰小时共消耗电能19.484万kW·h，其中再生电能为7.208万kW·h，节约电度电费为3.512万元，占比达37%；工况五时变电所在高峰小时共消耗电能20.062万kW·h，其中再生电能为8.237万kW·h，节约电度电费为4.013万元，占比达41%；工况六时变电所在高峰小时共消耗电能21.195万kW·h，其中再生电能为10.531万kW·h，节约电度电费为5.131万元，占比达50%。因此，仿真结果显示本线机车产生的再生能量可以较好地被相邻机车利用，从而尽可能少返送回电网，节省了电度电费。