無錫地鐵能饋裝置分析

楊東來

摘 要：地鐵運行需要消耗大量的電能，因為城市內各地鐵站之間距離較短，所以列車啟動制動頻繁，這樣產生了大量制動能量，這些制動能量當中約有40%無法被回收，通常利用車廂內部的車載電阻來吸收列車的制動能量。浪費的能量會產生隧道內和車站內的溫升問題，同時還會使列車車體重量增加，從而導致更大的能源浪費，增加地鐵的建設、運行和維護成本等。而無錫地鐵所采用的能饋裝置，用來實現節能減排，增加效益，綠色出行的目標，同時也符合國家節能減排，可持續發展的基本國策。本文主要介紹了無錫地鐵能饋裝置的作用，簡述了此裝置的設計原理、效益評估、成本計算等。

關鍵詞：能饋裝置;能量吸收;節能效益

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會的不斷進步，人們更加注重綠色出行，因此更加希望擁有節能環保的交通系統，這也更符合我國的環保政策。相比于現在的城市交通系統來說，地鐵因其出行方便、節能環保、運量大、噪音小、價格低等優點，已成為更受人們歡迎的綠色出行方式。

地鐵列車是電力牽引的電動列車，受其自身的性質影響，列車自身的電力消耗約占整個系統損耗的一半，因此地鐵列車降低自身能源損耗，可以降低城市交通的運營成本，同時對環境保護也起到積極作用。

地鐵列車制動以電制動系統為主，以空氣制動系統作為補充。在列車制動時電制動系統啟動，制動能量通過電制動系統反饋給電網，如果電網不能將這部分制動能量全部吸收，那么剩余的制動能量就會被車載電阻吸收，車載電阻吸收的這部分能量做的是無用功從而造成大量能量浪費。同時車載電阻啟動時還會產生大量的熱能，導致隧道內和車站內溫度上升，給地鐵環控系統造成負擔，增加了地鐵的運營成本。城市地鐵系統具有站距短，列車啟動制動頻繁的特性，這也導致大大增加了制動能量產生。為解決這個問題，無錫地鐵加裝的能饋裝置，來達到節能減排的目的。

以下是對無錫地鐵安裝的能饋裝置的原理介紹，對能饋裝置節能效益進行評估。

1 能饋裝置的原理

當電客車制動時，牽引電機相當于發電機工作，將電客車的動能轉換為電能。這部分電能除了被電客車自身的逆變裝置等消耗外，其中一部分提供給電客車的輔助設備（如空調、通風機等），其余電能向接觸軌回饋提供給附近的其它列車作為牽引電能，或者被電客車的制動電阻消耗掉轉換為熱能。這部分車載電阻消耗的電能無法被回收再利用，而能饋裝置的作用就是吸收再利用這部分電能，減少電客車動能的浪費。

無錫地鐵安裝的能饋裝置有兩種，一種是安裝在堰橋牽混所的逆變回饋型，另一種是安裝在天一牽混所的儲能型。

1.1 逆變回饋型

電客車制動狀態下，制動系統將電客車的動能轉換為電能。這部分電能會導致接觸軌電壓上升，能饋裝置通過傳感器檢測接觸軌電壓，若接觸軌電壓超過整定值，則能饋裝置啟動。逆變回饋型能饋裝置通過交直流隔離變壓器和逆變器，將這部分直流電能轉換為交流電能反饋到AC35KV電網中，達到吸收再利用的目的。

1.2 儲能型

在電客車制動時，電客車產生制動能量將使接觸軌電壓上升，超級電容型能饋裝置啟動。超級電容型能饋裝置通過超級電容和DC/DC變流器將這部分制動能量儲存起來。待電客車啟動或運行時，列車的牽引電機相當于電動機工作，將接觸軌上的電能轉換成列車的動能，導致接觸軌電壓下降，此時超級電容儲存的電能將得到釋放形成良性循環，并有穩定接觸軌電壓的作用。

2 能饋裝置效益評估

2.1 實例概述

無錫地鐵在堰橋牽混所加裝能饋裝置，其主要包括一臺35 kV交流開關柜、一臺1 500 V直流開關柜、一臺逆變柜、一臺變壓器。新增的運行設備獨立于既有運行設備，當再生制動設備故障后，不會對既有的運行設備造成影響。

通過對裝置投運一個月回饋的電量收集計算出，一臺能饋變壓器的空載損耗3.5 kW，負載損耗12 kW;逆變柜的損耗30 kW。現以最大損耗計算，假設再生制動裝置每天工作1 h，即每天能饋變壓器損耗的電量為92.5 kWh（3.5*23+12），逆變柜每天損耗30 kWh。

2.2 能饋裝置不同電壓下啟動情況

先設定能饋裝置的啟動電壓整定值為1 740 V，電壓降低30 V后停止。在設備運行前15天統計能饋裝置的電能，每天回饋平均2 832 kWh。（詳見下圖）。

再設定能饋裝置的啟動電壓整定值為1 750 V，電壓降低30 V后停止。在設備運行后15天統計能饋裝置的電能，每天回饋平均2 689 kWh。（詳見下圖）

通過計算平均值，發現設備投運一個月后統計能饋裝置回饋電能大概82 830 kWh，能饋變壓器的損耗大概共2 775 kWh，逆變柜損耗900 kWh，損耗占4.49%，一套裝置節能效益評估為每個月節約電費大概6.3萬元（假設電費單價為0.8元）。

3 能饋裝置成本計算

預計安裝1套1 MW儲能裝置總費用（含接口柜、安裝等）需300萬元，假設按照平均每天節電1 000度考慮，商業用電電費單價約為0.8元，每年通過能饋裝置可節約電費約29萬元，需大概11年即可收回成本。預計安裝1套2 MW能饋裝置總費用（含接口柜、安裝等）需250萬元，按照平均每天節電1 800度考慮，每年節約電費約51萬元，需5年即可收回成本。

4 節能效益評估辦法需改進

由于對再生制動能饋裝置節能效益評估均建立在理論為前提的基礎上，上述再生制動能饋裝置也只是依靠電壓作為啟動判據，同時根據其他相關數據表明，再生制動能饋裝置會吸收“不該吸收的能量”，即有些可被鄰車吸收的列車制動回饋能量，卻被再生制動能饋裝置吸收了，因此如果單純依據裝置上的電能表作為評估裝置的節能效益顯然是不合理的。還需根據實測數據，綜合考慮各種因素才能得出準確的節能效益結論。

5 結論

綜上所述，通過上述統計再生制動設備回饋電能，對節能效益進行評估發現加裝能饋裝置后能夠在一定程度上實現節能效果。但是，由于能饋裝置會吸收“不該吸收的能量”，因此不能單純依據裝置上的電能表數據作為評估裝置的節能效益。本文也只是粗略的對加裝能饋裝置進行初步分析，具體帶來的節能效益還需綜合各種因素考慮，包括考慮能饋裝置成本，以及能饋裝置帶來的其他能量損耗等。

參考文獻：

[1]王彥崢，蘇鵬程.城市軌道交通再生能量回收技術方案的研究[J].電氣化鐵道.

[2]GBT37423-2019城市軌道交通再生制動能量吸收逆變裝置[S].