城市軌道交通牽引供電系統再生能量吸收技術的發展與選擇

李志慧

(天津鐵道職業技術學院， 300240， 天津//高級工程師)

在城市軌道交通牽引供電系統中設置再生能量吸收裝置，可對列車制動所產生的再生能量進行吸收、儲存和再利用。這已成為城市軌道交通節能技術發展的方向。

再生能量吸收裝置一般可設置在牽引變電所的直流母線上。再生能量吸收裝置可劃分為耗能型(電阻耗能型)、儲能型(電容儲能型、飛輪儲能型)和饋能型(低壓逆變+電阻耗能型、中壓逆變型)。當列車制動產生的能量不能完全被用電設備吸收時，牽引網電壓將很快上升；網壓上升到一定程度后，牽引變電所中設置的再生能量吸收裝置投入工作，使車輛再生制動持續穩定，以最大限度地發揮再生制動性能。

在國外，日本多摩、沖繩、東京及大阪等城市的輕軌和地鐵線路，加拿大多倫多輕軌及意大利米蘭地鐵3號線等線路均采用了再生能量吸收裝置。

在國內，北京首都機場線，北京地鐵5、6、7、8、9、14、15、16號線，重慶輕軌線，天津地鐵1號線，鄭州地鐵1號線，長沙地鐵1號線等線路已采用了再生能量吸收裝置。北京、廣州、長沙、廈門、鄭州、南寧、昆明、烏魯木齊、蘇州、寧波和徐州等城市的新建地鐵工程均已將中壓逆變回饋技術作為再生能量吸收的首選方案。

1 各類型再生能量吸收裝置比較

電阻耗能型裝置具有控制簡單、價格低廉、工作穩定可靠的優點。但是由于再生能量不能被利用，極大降低了能量綜合使用效率，已基本被淘汰。

電容儲能型裝置的技術發展迅速。國內已生產出具有快速充放電功能的超級電容器。其壽命相對較長(可達到10 a以上)，節能效果好，基本能夠滿足城市軌道交通再生能量吸收的需要。目前，部分廠商已有產品進行掛網試驗。但該裝置的投資高，性價比不高。

飛輪儲能型裝置單體容量較小，投資過高，且目前無DC 1 500 V產品，故不建議使用。

由于城市軌道交通的再生能量大，低壓逆變饋能型裝置不能將再生能量充分利用，需要加裝電阻耗能型裝置，目前已不推薦使用。

中壓逆變饋能型裝置在國內正處于發展高峰期。從北京、長沙等城市的地鐵線路的實際運營效果來看，該類裝置性能穩定且節能效果良好。在2014年之后，國內很多城市的新建城市軌道交通工程開始重點關注中壓逆變饋能裝置，并將其作為再生能量吸收的首選方案。在城市軌道交通牽引供電系統中，各類再生能量吸收裝置的比較見表1。

表1 各類再生能量吸收裝置的技術經濟比較

綜上所述，儲能型裝置和中壓逆變饋能型代表了城市軌道交通再生能量吸收利用技術的發展方向。目前，國內中壓逆變饋能裝置的技術及設備制造工藝成熟，且應用效果良好。電容儲能裝置和飛輪儲能裝置仍需進行技術研發、工程實施和運行驗證，并結合運營實測數據進行完善。因此，目前，城市軌道交通牽引供電系統以采用中壓逆變饋能裝置為主流方向。

2 技術經濟效益實例分析

2.1 中壓逆變饋能裝置的構成及其工作原理

中壓逆變饋能型再生能量吸收裝置的主要元器件為大功率三相逆變器。該逆變器的直流側與牽引變電所中的直流母線相聯，交流進線接到交流電網上。當再生制動饋能使直流電壓超過定值時，逆變器啟動，并從直流母線吸收再生電能，將再生直流電流逆變成工頻交流電回饋至交流電網。中壓逆變饋能裝置的工作原理示意圖如圖1所示。

2.2 北京地鐵14號線東段牽引供電系統

北京地鐵14號線東段牽引供電系統采用10 kV開閉所供電方式，共設置了7座牽引變電所。牽引網采用DC 1 500 V接觸網供電，直流側空載電壓為DC 1 664 V，直流系統長期工作電壓波動范圍為DC 1 000～1 800 V。根據仿真計算結果，整個東段工程7個牽引變電所各設置了1臺2 MW的中壓逆變型饋能裝置。

北京地鐵14號線東段再生饋能裝置電路圖見圖2。中壓饋能變壓器(NTr)、 饋能直流柜(NAK)及饋能逆變柜(NNB)組成1個24脈波回饋裝置，與10 kV開關柜、DC 1 500 V開關柜及負極隔離開關柜共同構成再生能量利用裝置。其中，饋能變壓器、饋能低壓柜及逆變柜為再生能量利用裝置的核心設備。10 kV開關柜、1 500 V開關柜及負極隔離開關柜為交直流電網的接口，起保護和方便維修的作用。

圖1 中壓逆變饋能型能量吸收裝置的原理圖

圖2 北京地鐵14號線中壓饋能裝置電路示意圖

2.3 再生饋能裝置吸收電能統計

對北京地鐵14號線東段再生饋能裝置回收電能進行統計。2015年1—3月，按車站統計的再生饋能裝置日均饋能如表2所示。

表2 北京地鐵14號線東段2015年1—3月再生饋能裝置饋能統計 kWh

由牽引變電所記錄，2015年1—3月，北京地鐵14號線東段工程投入中壓逆變饋能型再生能量吸收裝置后的回饋電量和牽引用電量數據見表3。由表3計算可得，平均節能率為14.29%，平均每座牽引變電所日節電約866.3 kWh。若地鐵電價按0.75元/kWh考慮，則每座牽引變電所每年可節省電費約23.7萬元，相應的裝置成本回收期約為10.5 a。可見，中壓逆變饋能型再生能量吸收裝置的技術經濟效益非常顯著。

表3 北京地鐵14號線東段中壓逆變饋能型再生能量吸收裝置工作情況表(2015年)

3 結語

中壓逆變饋能型再生能量利用技術具有很好的節能效果，其技術及設備制造工藝已成熟，目前是城市軌道交通領域的主要節能技術。

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