苏州轨道交通列车再生制动能量吸收装置应用情况分析

2022-07-06邹文骏

城市轨道交通研究 2022年5期

邹文骏

(苏州市轨道交通集团有限公司运营一分公司，215101，苏州∥工程师)

根据国内现有数据统计，列车能耗约占地铁总能耗的50%，列车的再生制动能量约为电客车耗电量的30%～40%。再生制动能量如能得到充分利用，可大大降低地铁的运营成本，实现节能降耗。

1 列车再生制动能量吸收装置分类

列车的再生制动能量若不被邻近列车吸收将导致接触网网压升高，一般通过制动电阻消耗列车的再生制动能量。采用电容储能型、能馈型再生能量回收技术，可吸收剩余的列车再生制动能量，减少列车机械制动磨损，提高运营安全性、可靠性，节约电能，降低运营成本。列车再生制动能量吸收装置分类如图1所示。

图1 列车再生制动能量吸收装置分类

1.1 电阻能耗型

电阻能耗型再生制动能量吸收装置不仅无节能效果，而且导致能源浪费并造成热污染，因此不主张使用。

1.2 回馈型

回馈型再生制动能量吸收装置包括逆变回馈装置和双向变流装置。

逆变回馈装置将列车再生制动产生的过多能量反馈到中压环网供其它设备使用，如图2所示。

图2 中压逆变能馈装置运行示意图

如图2所示，箭头表示能量的流动方向，变电所内原有的整流机组能量流动方向为：中压环网交流通过整流机组变压后变为DC 1 500 V，该电流供列车牵引使用。有逆变回馈装置的变电所的能量流动方向为：先将牵引网上过高电压通过2台变流柜及隔离变压器变为35 kV交流电返回到中压环网上，该电流供其他设备使用，从此达到稳定网压及节能的目的。

目前，逆变回馈装置技术成熟，且在国内外已有非常广泛的应用，是城市轨道交通领域列车再生制动能量吸收的主要方式和发展方向之一。逆变回馈装置又分为中压回馈装置和低压回馈装置两种，其在国内的应用情况如下表1所示。

表1 逆变回馈型装置在国内轨道交通线路中的应用情况

双向变流装置是为提高供电可靠性、实现整流器快速更换维护、稳定网压、节约能源而发展出来的双向变流器技术。双向变流装置还可作为24脉波整流器的补充。最早使用该装置的线路是日本首都圈新都市铁道筑波快捷线。该装置于2016年6月在长沙地铁1号线全线投入运行，于2019年在宁波地铁2号线宁波大学站挂网运行，而后在北京地铁10号线挂网运行。

1.3 储能型

储能型再生制动能量吸收装置包括飞轮储能和超级电容储能两种。两者的节能效果相近，但飞轮储能结构复杂难以实际应用，超级电容储能则更易实现。

飞轮储能的基本原理是：列车制动电能带动飞轮旋转，电能转移至飞速旋转的飞轮内；当列车起动时，飞轮则将存储的动能以电能的形式释放出来。目前，该装置在国外有部分应用，比如里昂、巴黎、伦敦等城市的地铁，只是一些示范性工程，无大范围应用。2019年，北京地铁房山线广阳城站安装了1套飞轮储能再生制动能量吸收装置。

超级电容储能的基本原理是：列车再生制动能量被吸收到超级电容中，当供电区间内有列车需取流时，该装置将所储存的电能释放出去。超级电容储能装置有储能和稳定网压两种可以相互切换的工作模式。西门子和庞巴迪生产的超级电容储能器已经应用于国外DC 750 V和DC 600 V的轻轨和地铁线路。

储能型再生制动能量吸收装置在国内的应用虽然起步较晩，但发展很快。具体应用情况如表2所示。

表2 储能型再生制动能量吸收装置在国内的应用情况

2 各类列车再生制动能量吸收装置特点分析

35 kV中压逆变回馈方式能满足电能质量要求，对电网电压冲击影响相对较小，且逆变回馈容量不受限制；再生制动能量利用率高，能够满足列车制动需求；可有效控制直流牵引网电压，适用于中大运量城市轨道交通工程。但低压逆变回馈方式的逆变回馈装置容量受车站动力变压器容量的限制，适用于中小运量城市轨道交通工程。

四种列车再生制动能量吸收装置特点对比如表3所示。整流器+回馈变流器与双向变流器的特点对比如表4所示。

表3 四种再生制动能量吸收装置特点对比表

表4 整流器+回馈变流器与双向变流器特点对比表

3 列车再生制动能量吸收装置在苏州轨道交通的应用情况

目前，列车再生制动能量吸收装置已在苏州轨道交通2号线和4号线挂网应用。2号线全长约42.0 km，列车采用5节编组(B型车)。4号线全长约52.8 km，其中主线42.0 km、支线10.8 km，列车采用6节编组(B型车)。

3.1 苏州轨道交通2号线能馈装置应用情况

苏州轨道交通2号线徐图港站安装的是中压逆变回馈系统，桐泾公园站安装的是超级电容储能系统。

3.1.1 徐图港站中压逆变回馈装置应用情况

1) 装置构成及主接线：该站中压逆变回馈系统包含4台柜体，分别为1台主控柜、2台变流器柜及1台变压器柜。该装置柜体间电气接线图如图3所示。

图3 徐图港站中压逆变能馈装置电气连接图

2) 装置主要技术参数：徐图港站中压逆变能馈装置主要技术参数如表5所示。

表5 徐图港站中压逆变能馈装置主要技术参数

3) 装置容量：根据2号线线路参数和供电系统参数，对骑河站至劳动路站区段共3个供电分区的高峰期、平峰期列车再生制动能量回收量进行估算。列车编组为3动2拖，车辆为B型。根据车辆参数对列车运行过程中牵引制动功率曲线进行估算，再将计算结果代入牵引供电仿真模型中，结果如图4所示。

图4 徐图港站逆变回馈装置仿真计算结果

根据图4仿真计算结果，作为科研项目，在徐图港站安装了额定功率2 MW逆变回馈装置，于2019年1月投入运行。后因厂家原因设备停运。

3.1.2 桐泾公园站超级电容储能装置应用情况

1) 装置构成及主接线：该站超级电容储能系统包含5台柜体，分别为1台控制柜、2台变流器柜和2台超级电容柜，另外在变电所DC 1 500 V馈线柜中并入1台储能系统用直流馈线柜。该装置柜体间电气接线图如图5所示。

图5 桐泾公园站超级电容储能装置电气连接图

2) 装置主要技术参数：桐泾公园站超级电容储能装置主要技术参数如表6所示。

表6 桐泾公园站超级电容储能装置主要技术参数表

3) 装置容量：根据2号线线路参数和供电系统参数，对山塘街站至宝带桥南站区段共3个供电分区的高峰期、平峰期列车再生制动能量回收量进行估算。列车编组为3动2拖，车辆为B型。根据车辆参数对列车运行过程中牵引制动功率曲线进行估算，再将计算结果代入牵引供电仿真模型中，结果如图6所示。

图6 桐泾公园站电容储能装置仿真计算结果

根据图6仿真计算结果，作为科研项目，在桐泾公园站安装了额定功率1 MW的超级电容储能装置，于2019年1月投入运行。

4) 装置节能效果：桐泾公园站超级电容储能装置运行稳定。该设置的充电阈值为1 740～1 750 V，放电阈值为1 610～1 620 V，设备投运至今已实现正向节电35.7万kWh，平均每天节电量约为1 000 kWh。

3.2 苏州轨道交通4号线能馈装置应用情况

苏州轨道交通4号线支线苏州湾北站安装的是中压逆变回馈型装置，主线苏州湾东站安装的是双向变流型能馈装置。

3.2.1 苏州湾北站中压逆变回馈型装置应用情况

1) 装置构成及主接线：该站中压逆变回馈装置额定功率为2 MW，整套系统主要包括DC 1 500 V直流柜、逆变柜、隔离变压器、交流开关柜及配套电缆。其核心设备是采用三电平拓扑结构模块化设计的逆变柜，有利于减小网侧电流谐波。该装置逆变模块主电路拓扑图如图7所示。

图7 苏州湾北站中压逆变回馈型装置逆变模块主电路拓扑图

2) 装置主要技术参数：苏州湾北站中压逆变回馈型装置主要技术参数如表7所示。

表7 苏州湾北站中压逆变回馈型装置主要技术参数

3) 装置节能效果：苏州湾北站中压逆变回馈型装置2018年10月投运，运行期间进行了不同回馈阀值下的回馈电量研究。目前该装置再生制动设备的启动值设置为1 750 V，滞环电压为30 V，平均每天节电量约1 750 kWh。

3.2.2 苏州湾东站双向变流回馈装置应用情况

1) 装置构成及主接线：该站双向变流回馈装置装机额定功率为1.6 MW，整套系统主要包括直流开关柜、控制柜、逆变柜、隔离变压器、交流开关柜及配套电缆。其核心设备同样是采用三电平拓扑结构模块化设计的逆变柜。该装置结构框图如图8所示，柜体电气连接示意图如图9所示。

图8 苏州湾东站双向变流再生能馈装置结构框图Fig.8 Structured flowchart of bidirectional converter regenerative energy feeding device in Suzhouwan East Station

图9 苏州湾东站双向变流装置柜体电气连接图

2) 装置主要技术参数：苏州湾东站双向变流装置主要技术参数如表8所示。

表8 苏州湾东站双向变流装置主要技术参数

3) 装置节能效果：苏州湾东站双向变流装置2020年7月投运，运行期间进行了不同回馈阀值下的回馈电量、整流功能试验和波形测试等功能研究。目前该装置再生制动设备的启动值设置为1 760 V，滞环电压为30 V，平均每天节电量约1 600 kWh。该装置可实现整流功能，但由于受装置容量限制，当列车起动加速度较大时，该装置电流会大于最大工作电流，功率会超过其最大功率。