城市軌道交通逆變回饋型再生裝置節能優化研究

于 喆

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城市軌道交通逆變回饋型再生裝置節能優化研究

于 喆

對城市軌道交通線路中壓逆變回饋裝置在全線的設置位置以及再生裝置與整流機組接入中壓系統的相對位置的節能效果進行了對比分析，得出結論并給出了建議，為優化中壓逆變回饋裝置整體的節能效果和經濟效益提供參考。

逆變回饋裝置；城軌交通供電系統；設置位置；節能效果

0 引言

近年來，中國城市軌道交通發展迅速，與其他交通方式相比，其具有運量大、安全準時等優點。根據中國城市軌道交通協會統計數據，目前全國已開通城市軌道交通的城市超過20個，運營線路總里程超過3 000 km，其中地鐵約占75%。

供電系統是城市軌道交通的能源總補給系統，在城市軌道交通供電系統中安裝逆變回饋型再生裝置，可以將直流牽引網的列車制動能量逆變回饋至城軌交通供電系統的中壓交流網絡（35 kV或 10 kV）。目前，國內新建地鐵線路幾乎都將中壓逆變回饋技術方案作為再生裝置的首選，該技術代表了再生電能吸收利用的發展趨勢，成為地鐵節能減排的主要手段，其具有如下優勢[1]：

（1）充分利用列車制動能量，減少牽引所輸出能耗。（2）抑制網壓抬升，減少閘瓦制動啟動頻率，降低隧道溫升，減少閘瓦設備更換及溫控系統的投入成本。（3）與飛輪儲能或超級電容儲能型再生裝置相比，成本低、壽命長、回饋功率高、系統更安全可靠[2]。

本文主要對中壓逆變回饋裝置的設置位置以及再生裝置與整流機組接入中壓系統的相對位置進行分析和仿真研究，以優化全線中壓逆變回饋裝置整體的節能效果。基于此，搭建了包含中壓逆變回饋裝置的城軌交通供電系統仿真平臺，以實際城軌線路為例，對安裝在不同位置的中壓逆變回饋裝置的節能性進行仿真對比，以期得到最佳的節能效果和最大的經濟效益。

1 城市軌道交通供電系統建模

城市軌道交通供電系統一般采用集中式或分散式供電方式，主變電所將城市電網降壓至35 kV或10 kV，再經中壓環網電纜將電源引入到全線各牽引所。牽引所將35 kV交流電降壓整流為1 500 V或750 V直流電，向上下行列車供電。

如圖1所示，城市軌道交通供電系統包含中壓交流系統和低壓直流系統。中壓交流系統包含環網電纜、Ⅰ段和Ⅱ段母線等裝置；低壓直流系統包含整流機組、牽引網等裝置。中壓逆變回饋型再生裝置安裝于牽引所內，其直流側并聯在直流電網正負極，交流側接入中壓系統，實現將列車制動能量逆變回饋至中壓交流系統的功能[2]。

圖1 含逆變回饋型再生裝置的城軌交通供電系統

2 裝置設置方案對比分析

在城市軌道交通供電系統中設置逆變回饋裝置通常采用2種方案：一種是全部牽引所均設置再生裝置；另一種是間隔設置方案，即選擇性地選取部分再生制動能量較高的牽引所設置再生裝置。下文以國內某條城軌線路為例，分析2種設置方案不同的節能效果。該線路全線共21座車站，12座牽引變電所，牽引變電所間距見表1。

表1 牽引變電所間距 km

全部牽引所設置逆變回饋裝置方案的節能效果如表2所示。

表2 全部牽引所設置方案節能效果 kW·h

采用間隔設置方案時，再生裝置應盡量均勻分布且選設在再生能量回饋效果較好的牽引所。基于上述全部牽引所設置方案的仿真結果，可考慮選取在牽引所1、牽引所3、牽引所5、區間牽引所1、牽引所7、牽引所10六座牽引所設置再生裝置，仿真結果見表3。

表3 間隔設置方案節能效果 kW·h

基于該線路的每日行車組織，可以得到逆變回饋裝置在2種不同設置方案下的節能效果和經濟效益對比，見表4。

表4 不同設置方案節能效果及經濟效益對比

從上述結果可看出，間隔設置方案投資回收期短，但考慮全壽命綜合收益，全部牽引所設置方案總體收益更高。另外，在全部牽引所設置再生裝置能更有效減少列車閘瓦制動啟動頻率，減少閘瓦設備更換或環控系統投入等成本。因此，針對該線路，全部牽引所設置方案優于間隔設置方案。

3 逆變回饋裝置與整流機組相對位置分析

3.1 理論分析

圖2為列車制動能量在供電系統中的傳輸路徑示意圖。由圖2可以看出，逆變回饋裝置交流側可以與整流機組接入同側母線或異側母線。逆變回饋至中壓系統的再生能量可供本站和其他站的整流變壓器或配電變壓器使用，且逆變回饋至35 kV（或10 kV）系統的制動能量可以傳輸的距離相對于直流系統大很多。

圖2 列車制動能量在供電系統中傳輸路徑

為了均衡主所2個變壓器的負荷，全線牽引所整流機組接入35 kV系統的母線一般為Ⅰ段和Ⅱ段交替。從圖3、圖4可以看出，若逆變裝置與整流機組為同側接入，牽引所2逆變回饋至35 kV系統的能量可供牽引所4的整流機組使用（當再生裝置逆變回饋時，本站的整流機組不工作）；若逆變裝置與整流機組為異側接入，則牽引所2逆變回饋至35 kV系統的能量可供牽引所1、3、5的整流機組使用，數量增多。

圖3 逆變回饋裝置與整流機組接入同段母線（同側接入）

圖4 逆變回饋裝置與整流機組接入異段母線（異側接入）

表5、表6統計了全線各牽引所回饋至35 kV系統的能量可供使用的整流機組變壓器的數量。

表5 5個牽引所回饋能量可供使用的整流機組變壓器數

表6 6個牽引所回饋能量可供使用的整流機組變壓器數

通過再生裝置逆變回35 kV側的能量可供使用的整流機組變壓器的數量，異側接入多于同側接入。但是，同側接入情況下，再生裝置傳輸至各整流機組與本站的平均距離，較異側接入情況更遠，這有益于增大再生裝置節能效果。因為近距離之間制動列車與牽引列車的能量交互，通過直流供電系統也可以實現，該工況下再生裝置節能作用較小。

基于上述分析對比可以看出，再生裝置與整流機組同側接入和異側接入情況下的節能效果相當。

3.2 實例驗證

以國內某條城軌線路為例，對逆變回饋裝置與整流機組分別接入同側母線和異側母線進行分析，結果如表7所示。

表7 再生裝置回收利用能量 kW·h

表7統計數據為線路中各主所供電分區內所有牽引所在不同發車對數下，每小時可被其他牽引所整流機組利用的再生裝置回饋能量數值。整體而言，該線路的再生裝置與整流機組采用異側接入節能效果優于同側接入。

4 結語

本文主要對中壓逆變回饋裝置的不同設置方案以及再生裝置與整流機組接入中壓系統的不同相對位置所帶來的節能效果進行對比分析和實例驗證，對全線中壓逆變回饋裝置進行整體優化，以期得到最佳的節能效果和最大的經濟效益。

基于國內實際城軌線路進行分析，從分析結果可以看出，逆變回饋裝置采用全部牽引所設置方案，其全壽命周期內的綜合效益優于間隔設置方案；逆變回饋裝置與整流機組接入中壓系統采用異側接入節能效果優于同側接入。對于其他城軌線路，應結合線路特征具體分析，如考慮進線路停車場和車輛段的位置、牽引所間距以及負荷情況等因素，再采用本文的分析方法決定逆變回饋裝置設置方案，改善節能效果。

本文的分析和研究結果也可以為城軌運營公司在改善列車制動能量回收和提升公司運營效益方面提供一定參考。

[1] 陳勇. 基于逆變回饋的地鐵再生制動能量吸收的研究[D].西南交通大學碩士學位論文，2011.

[2] 陳懷鑫. 基于混合粒子群算法的城軌交通超級電容儲能系統能量管理和容量配置優化研究[D]. 北京交通大學碩士學位論文， 2016.

[3] 劉聰. 逆變回饋裝置在城市軌道牽引供電系統中的建模與仿真[D]. 西南交通大學碩士學位論文，2016.

[4] 曾之煜. 地鐵逆變回饋型再生制動能量吸收裝置仿真研究[D]. 西南交通大學碩士學位論文，2012.

[5] 楊中平. 新干線縱橫談[M]. 北京：中國鐵道出版社，2012.

[6] 連鵬飛. 深圳地鐵2號線工程再生制動能量吸收裝置設置方案研究[J]. 鐵道工程學報，2007（6）：85-90.

[7] 鄧文豪. 城市軌道交通地面型超級電容儲能系統關鍵技術的研究[D].中國鐵道科學研究院，2010.

[8] 易振林. 地鐵再生制動能量吸收系統研究[D]. 西南交通大學碩士學位論文，2016.

The paper analyzes and compares energy-saving effects through setting positions of medium voltage inversion feedback devices on the line of urban mass transit as well as relative setting positions for connecting regenerating devices and rectifier set to the medium voltage system, obtains conclusions and puts forward proposals, providing references for optimization of integral energy-saving effects and economic efficiency of medium voltage inversion feedback devices.

Inversion feedback device; urban mass transit power supply system; setting position; energy-saving effect

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.003

U231.8

A

1007-936X(2017)05-0010-03

于 喆.天津市地下鐵道集團有限公司，高級工程師。研究方向為城市軌道交通供電和節能技術。

2017-04-12