再生能饋裝置在北京地鐵工程中的應用及節能效果分析

衛 巍 韓志偉 張 鋼

(1. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044; 2. 北京市軌道交通建設管理有限公司 北京 100068)

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再生能饋裝置在北京地鐵工程中的應用及節能效果分析

衛 巍1,2韓志偉2張 鋼1

(1. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044; 2. 北京市軌道交通建設管理有限公司 北京 100068)

介紹北京地鐵14號線工程供電系統，提出地鐵工程供電系統應用再生能饋裝置需驗證系統穩定性、電能質量及返送城市電網等重要問題，現場試驗結果證明再生能饋裝置能夠滿足相關技術要求。通過統計再生能饋裝置正式運行后較長時間內的電能數據，計算節能電量，分析牽引用電量和返送電網電能數據，結果表明再生能饋裝置投入運營后節能效果良好。

城市軌道交通；再生制動；能量回饋；北京地鐵14號線

截至2015年底，北京市城市軌道交通運營里程達到554 km。隨著地鐵運營里程的不斷增加，地鐵運營用電量也隨之增加。據運營部門統計，地鐵列車牽引供電用電量約占地鐵運營總電量的50%，如何有效降低牽引用電能耗是降低地鐵總體能耗的一個重要課題。在變電所設置車輛再生制動電能吸收裝置，可以滿足車輛電制動的需求，減少機械制動介入時間，從而減少車輛制動閘瓦磨耗，保持牽引網壓穩定[1]。

目前國內城市軌道交通工程再生制動電能吸收方案主要有電阻消耗、超級電容吸收[2]、再生能饋等。經過技術比選，北京地鐵14號線選擇采用在牽引變電所設置中壓型再生能饋裝置的技術方案，在地鐵列車再生制動時將電能從牽引網反饋至地鐵中壓供電網絡。14號線為分段開通工程，筆者以東段為研究對象。

1 再生能饋裝置應用方案

北京地鐵14號線供電系統交流電網采用10 kV分散式供電方案，兩套12脈波整流機組構成24脈波整流，電壓等級為DC 1 500 V，正線牽引網采用剛性接觸網，車輛采用4動2拖6輛編組A型車。

14號線東段南起金臺路站，北至馬泉營車輛段，正線共12座車站，東段全線共設5座城市外電源引入開閉站，正線設8座牽引變電所和4座降壓變電所。考慮各種供電系統多種運行方式的供電計算結果，在正線牽引變電所均設置一套2MW容量的再生能饋裝置，接入方案如圖1所示。

圖1 再生能饋系統接入供電系統方案

東段共設置8套再生能饋裝置(高家園站再生能饋裝置未投入使用)，實際投入使用的再生能饋裝置7套。車輛段因車速較低，未設置再生能饋裝置。表1為14號線東段變電所分布。

1.2 投入運行前需驗證的問題

1.2.1 地鐵供電系統失壓時繼電保護的有效性

對于地鐵供電系統來說，再生能饋裝置是除城市電網外的等效電流源，在失去城市電網電源時，再生能饋裝置應能夠準確、快速退出，實現變電所繼電保護準確動作，保證地鐵供電系統的穩定性，避免出現孤島運行的嚴重后果[3]，導致10 kV母線自投功能失效。

表1 14號線東段變電所分布

在14號線牽引變電所進行10 kV電源失壓現場試驗。通過分斷本所本段10 kV進線開關和上級開閉所10 kV饋線開關，分別測量能饋裝置退出時間，并與變電所母線自投時間對比，實測自投動作是否正確。

其中,r為無風險利率;θ是長期方差,當t→∞時,E(ν(t))→θ(E(·)表示期望算子);κ是瞬時波動率ν(t)回歸至θ的速度,σ是ν(t)的波動率;Wj(t)(j=1,2)是相關系數為ρ的2個維納過程。由文獻[14]可知,SV模型的特征函數為

現場試驗結果表明，能饋低壓斷路器在10 kV母線失壓后40 ms左右斷開，即能饋裝置可以在50 ms內完全退出供電系統。14號線供電系統10 kV母聯自投時間為4 s，試驗測量圖形見圖2。再生能饋裝置在交流側失壓時，可安全迅速退出變電所供電系統，不影響系統安全穩定運行。

圖2 變電所母線失壓及能饋裝置退出試驗波形

1.2.2 電能質量

地鐵牽引供電系統用兩套整流器組成等效24脈波整流電路，將交流電整流成直流電并向地鐵車輛供電[4-5]，可以滿足電網電能質量要求。再生能饋裝置采用IGBT功率元件變流技術，理論上產生的諧波量小于普通二極管整流技術。通過現場試驗，利用電能質量分析儀對再生能饋裝置產生的諧波進行分析。

圖3為能饋裝置在100%負載時10 kV側相電壓、相電流波形，CH1為10 kV母線相電壓波形；CH2為一組整流機組10 kV側電流波形；CH3為10 kV側能饋電流波形。從圖形上看，能饋電流波形正弦度良好，且波形質量優于整流機組。

圖3 能饋裝置與整流機組波形質量對比

現場試驗結果表明，再生能饋裝置空載運行時的10 kV母線電壓總諧波畸變率和滿載運行時的10 kV母線各次電壓諧波含量均較小(見表2～3)，總畸變率滿足國家標準要求(小于4.0%)[6]。滿載運行時注入10 kV電網的電流總諧波畸變率小于2%，且各次諧波含量均滿足國家標準要求(見表4)。

表2 空載時10 kV母線電壓各次諧波大小

表3 100%負載時10 kV母線電壓各次諧波大小

表4 100%負載時各次諧波電流大小 A

1.2.3 返送電能到城市電網的影響

為了減少再生能饋裝置故障對10 kV供電系統的影響，在再生能饋裝置與10 kV母線之間配置了斷路器和保護裝置。在分散式中壓供電網絡中，地鐵開閉變電所外電源接入點設置了斷路器及保護裝置，再生能饋裝置至電力公司電網之間的供電線路中也設置了多個10 kV斷路器及相應的保護裝置，同時，再生能饋裝置本身也設有完善的保護裝置[7-10]。所以，當再生能饋裝置發生故障時，其對地鐵供電系統的影響范圍有限，不會影響上級電站供電安全。

2 再生能饋裝置節能效果

2.1 再生能饋裝置吸收電能統計及分析

對北京地鐵14號線東段開通線路設置再生能饋裝置的車站進行回收電能統計，2015年4—9月按車站統計的日均再生能饋裝置回收電能情況如圖4所示。

圖4 14號線東段再生能饋日均吸收電量統計

由圖可知，4—9月再生電能吸收量最大的車站是東湖渠站、金臺路站，日均吸收再生電能1 400～1 800 kWh，最小的棗營站日均吸收電能近400 kWh，其他再生電能吸收車站日均吸收電能為400～600 kWh。

在東湖渠站設置牽引變電所，與相鄰牽引變電所善各莊站和阜通站的距離分別為2.46 km和2.2 km，因此東湖渠站牽引供電距離為4.66 km。棗營站設置牽引變電所，距離相鄰的牽引變電所東風北橋站和金臺路站分別為2.17 km和2.31 km，因此，棗營站牽引供電距離為4.48 km。朝陽公園站未啟用，列車通過不停車。

結合線路坡度和站點分布分析，東湖渠站和棗營站牽引供電距離相近，兩站供電范圍線路坡度較均勻，而再生電能吸收量差距較大，其主要原因如下：

1) 東湖渠站牽引供電范圍內車站數量為5座，棗營站牽引供電范圍內車站數量為3座(朝陽公園站未投入啟用，列車通過不停車)。東湖渠站牽引供電范圍站間距較短，區間長度較棗營站牽引供電范圍平均減少1 km，區間內列車啟停更頻繁；

2) 在一定的行車間隔內，善各莊—阜通區間運行的列車數量要多于東風北橋—金臺路區間，前者的區間內列車停站次數是后者的兩倍。

所以，相近長度的供電區間內列車和車站較多是東湖渠站再生電能吸收量遠大于棗營站的主要因素。

善各莊站和金臺路站兩個末端車站吸收再生電能數量差距較大的主要原因是：善各莊站是車輛駛出車輛段后的第一個車站，出入段的車輛車速較慢，再生制動需求相對較小，所以再生電能反饋量較小；金臺路站是分段運營的中間折返車站，車輛需在本站折返后繼續運行，車輛在本站有較多再生制動的需求，朝陽公園—金臺路區間連續下坡，車輛有較多制動需求，所以再生電能反饋量相對較大。

綜上所述，牽引變電所之間的距離、線路情況和行車組織等因素對再生能饋裝置吸收電能的效果有較大影響。

2.2 再生電能吸收量與牽引用電量的對比

14號線東段4—9月全線牽引用電量與再生能饋裝置吸收量的統計見圖5。

圖5 4—9月再生能饋裝置吸收量統計

節能率是車站再生電能吸收量與車輛牽引用電量的比值，節能率反映再生能饋裝置的節能效果。

經分析，正線再生能饋回收電能約占牽引用電量的11%～14%(見圖6)。一般軌道交通再生制動能量可達牽引制動能量的20%～40%以上[7]。再生能饋裝置投入運行后的節能效果較為顯著。

圖6 4—9月再生能饋裝置節能率

經分析，再生制動電能主要被相鄰車輛和再生能饋裝置吸收。車輛再生制動啟動后短時間內回饋電網電能峰值大，車站設置再生能饋裝置功率有限，不能完全吸收，這也是影響節能率的重要原因。

2.3 再生制動電能返送城市電網分析

北京地區地鐵供電系統中壓供電采用10 kV分散供電方式，14號線東段正線設3個城市電網電源引入開閉所車站，分別是東湖渠、望京南和棗營。4—9月返送城市外電源再生制動電能統計數據見表5。

表5 開閉所日均返送上級變電所電能統計 kWh

地鐵車輛再生制動回饋電能有短時峰值較大的特點。短時間內再生回饋大量電能到交流電網，在用電負荷穩定的情況下，再生制動反饋電能如不能被本變電所其他負荷利用，則會反饋至供電分區內被其他用電負荷利用，如還不能被完全利用則電能被反饋至上級城市電網。

由表5數據可知，10 kV分散式供電分區范圍內負荷用電較平穩，對于車輛再生能饋吸收的波動式巨大電能不能在分區內及時消耗，則會反饋至上級城市電網。可以推斷，集中供電方式采用更高等級的中壓交流電網，供電距離更大，供電分區內用電負荷相對較大，再生制動電能在地鐵系統內的再利用率會顯著增加。

3 結語

以北京地鐵14號線工程為例，對再生能饋裝置在城市軌道交通工程應用的技術方案進行介紹，提出并驗證了再生能饋裝置投入地鐵供電系統運行前需驗證的幾個重要技術問題，并得到現場試驗的驗證。統計并分析了實際運營的節能數據，結果表明再生能饋裝置在城市軌道交通工程運營過程中的節能效果十分明顯。

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(編輯：王艷菊)

Application of Energy Feedback Traction Power Supply Device and Analysis on Energy- Conservation Effect for Beijing Subway

Wei Wei1,2Han Zhiwei2Zhang Gang1

(1. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044;2. Beijing MTR construction Administration corporation, Beijing 100068)

The paper introduces the power supply system of Beijing Subway Line 14 and raises several important issues about application of energy feedback traction power supply device, such as power system stability, power quality and reverse feeding. The field test results prove that the application of energy feedback traction power supply device can meet the technical requirement. Through the data statistics and analysis of the traction power supply energy and the reverse feeding energy after the formal operation of the Beijing Subway Line 14 for a period of time, the effect of energy conservation is considerable. The application of energy feedback traction power supply device is an effective measure to save energy in urban rail transit.

urban rail transit; regenerative brake; energy feedback; BeijingSubway Line 14

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.024

2016-01-22

2016-04-19

衛巍，男，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通牽引供電技術，wei_tj@126.com

中央高校基本科研業務費(2014JBM114)；國家科技支撐計劃項目(2013BAG24B01)

U231.8

A

1672-6073(2016)04-0107-04