再生能量吸收裝置在軌道交通中的應用研究

裴琳

北京市地鐵運營有限公司，中國·北京 100016

1 引言

隨著軌道交通事業的發展壯大，科學技術也在不斷迭代發展，同時社會各界對節能減排的要求也不斷提高，傳統電阻消耗型再生能裝置已不能滿足新時代地鐵發展需要。這就要求地鐵不斷的創新發展，列車在再生制動模式下所產生的能量很可觀，如果能得到充分地利用將會帶來很大的經濟效益。隨著電子技術的飛速發展，逆變回饋型再生能裝置的技術已逐漸成熟，在新建線路和既有線路的后期工程中均有應用，通過對運營數據的分析，發現逆變回饋型再生能裝置帶來的經濟效益是非常大的，對建設節約型地鐵有重要意義。

2 概述

地鐵列車的制動方式以電制動（再生制動）為主，空氣制動（閘瓦制動）為輔。列車在運行到一定速度時一般先進行再生制動，減到一定速度時再進行空氣制動。當列車進行再生制動時，由于運行方式的轉變，電動機轉變成發電機，將多余的能量反饋給牽引網[1]。一般在非高峰時刻，列車的再生制動能量只有很少的一部分被其他車輛吸收，此時如果不加以限制將會造成網壓的升高，網壓升高影響了牽引站的供電質量，不利于地鐵的安全運行。地鐵列車運行模式如圖1所示。

圖1 地鐵列車運行模式

當列車在車站停站，乘客進行上下車作業時，負載平穩，網壓接近于空載狀態的電壓，當列車出站，并開始加速啟動時，牽引網壓處于下降區間，列車從最高速開始降低加速度時網壓處于回升階段，這兩個時間段網壓始終低于停止狀態電壓。當列車處于惰行狀態時，電動機轉變為發電機狀態，網壓快速升高，如果不加以限制，將嚴重影響電壓質量[2]。此時，如果設置了再生能量吸收裝置，那么當網壓達到整定值時，再生能量吸收裝置立刻投入使用，將多余的再生能量回收消耗或者再利用，同時達到降低網壓的目的。

3 再生能量吸收裝置

傳動列車制動能量除被其他車輛吸收利用一部分外，大部分都被車載電阻消耗掉，利用率很低。目前主流的做法是在牽引站設再生能量吸收裝置，電阻柜設置在單獨的房間內，通過集中設置再生能裝置來吸收剩余能量，可選擇通過電阻消耗掉或者逆變回饋給其他電壓等級負荷使用[3]。

3.1 安裝位置

再生能量吸收裝置設置在牽引站直流正負母線之間，正極斷路器與總閘分閘開關同排擺放并絕緣安裝，其他柜體單獨擺放。另外，電阻柜一般設置在單獨房間內，并配有通風設備。集中設置的好處就是降低列車自重，避免列車制動時車載電阻工作時引起隧道溫度升高，減少維護工作量，降低車輛成本[4]。

3.2 再生能量吸收利用方案

目前，北京地鐵所轄16 條線路主要有兩種類型再生能量吸收裝置：電阻消耗型和逆變回饋型，其中逆變回饋型又分為中壓逆變回饋和低壓逆變回饋。將制動能量轉換為交流電后向地鐵其他負荷供電，通過中壓系統向其他設備供電即為中壓逆變回饋型，向本站400V 系統供電，由其他低壓負荷吸收使用即為低壓逆變回饋型。

3.2.1 電阻消耗型

再生制動電阻消耗型裝置工作原理如圖2所示。

圖2 電阻消耗型裝置工作原理圖

當處于再生制動模式下的列車回饋的能量不能被其他車輛完全吸收時，電阻柜通過斬波器的控制，立刻投入工作，通過調整斬波器的導通比，從而達到調整電網電壓的目的，此時電阻柜將多余的能量轉換為熱能消耗掉[5]。

3.2.2 逆變回饋型

逆變回饋型再生能裝置有低壓回饋和中壓回饋兩種方式，如圖3、圖4所示。

圖3 逆變回饋型（低壓）

圖4 逆變回饋型（中壓）

逆變回饋型裝置主要由三部分組成，開關及濾波部分、逆變吸收部分、電阻吸收部分，由于10kV 系統吸收能力更強，所以中壓逆變型裝置不設電阻部分。當列車再生制動導致網壓升高達到動作值時，逆變器開始工作，吸收牽引網的電能，將其轉變為交流電反饋至中壓或低壓交流母線，逆變電能超過容量限制時，通過斬波器控制使電阻柜開始工作，進入電阻消耗模式。

3.3 再生制動裝置的應用

北京市地鐵運營有限公司各線路再生能配置情況如表1所示，其中1 號線、2 號線、13 號線未集中配置再生制動吸收裝置。

表1 各線路再生制動配置情況

4 逆變回饋型裝置在線路中的效果

北京地鐵9 號線和10 號線均采用逆變型回饋裝置，論文選取9 號線郭公莊站和10 號線十里河站、宋家莊站作為參考站，其中郭公莊站和宋家莊站為低壓逆變回饋型，十里河站為中壓逆變回饋型。通過采集2020年1月1日至1月5日三站日總牽引電量和日回饋電量來分析逆變型再生能裝置的應用效果。郭公莊站、宋家莊站、十里河站日回饋電量占比分別如表2、表3、表4所示。

表2 郭公莊站日回饋電量占比

從表2看出，不同線路受列車運行工況、牽引站設置、列車滿載率、上線列車數量等諸多因素影響，再生能回饋比率略有不同，平均回饋比率在10%左右。

從表3看出，相同線路不通類型的回饋裝置回饋比率相差很大，中壓逆變回饋型回饋比率是低壓逆變回饋型回饋比率的3 倍左右。

以表4進行估算，取中壓逆變回饋日回饋電量平均值5344 kW·h，取低壓逆變回饋日回饋電量平均值842 kW·h，電價按0.8 元/kW·h 計算，設10 號線全線各站運行工況一致，其中中壓逆變型回饋裝置共有14 套，低壓逆變型回饋裝置共有14 套，中壓逆變型回饋裝置每天可節約電費59852.8 元，全年節約2184.6 萬元，低壓逆變型回饋裝置每天可節約電費9430.4 元，全年節約344.2 萬元，合計節約2528.8 萬元。

表4 十里河站日回饋電量占比

通過以上分析可知，逆變回饋型再生能裝置具有廣闊的應用前景，尤其是中壓逆變回饋型再生能裝置，在不考慮設備成本的情況下，經濟效益遠超低壓逆變回饋型再生能裝置。

5 結語

逆變回饋型再生能裝置技術已逐漸成熟，新建線路或改造線路根據自身發展要求完全可以采用逆變回饋型再生能裝置，建議優先選用回饋至中壓網絡的裝置，它的節能效果要遠好于低壓逆變回饋型再生能裝置。隨著電力電子技術的發展，裝置的穩定性和設備性價比會越來越高，越早采用就能越早的受益[6]。

純電阻消耗型再生能裝置因為不具有節能效果，并且運營故障率較高，會逐漸被歷史所淘汰。目前，還有另一個發展分支儲能型再生能裝置，主要分為超級電容儲能和飛輪儲能兩種，兩種技術在國際上已經很成熟。中國已有多家公司著手研究，尚未大范圍應用，不過超級電容儲能型再生能裝置已經在北京地鐵8 號線德茂和瀛海兩站掛網運行，目前運行平穩，飛輪儲能還沒有應用實例，相信很快會有應用案例。從節能減排的角度來看，逆變回饋型再生能裝置和儲能型再生能裝置的本身出發點是一致的，只不過是兩個方向，未來哪個具有成本優勢、運行更穩定將會成為發展的主流。