蘇州軌道交通列車再生制動能量吸收裝置應(yīng)用情況分析

鄒文駿

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司，215101，蘇州∥工程師)

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，列車能耗約占地鐵總能耗的50%，列車的再生制動能量約為電客車耗電量的30%～40%。再生制動能量如能得到充分利用，可大大降低地鐵的運(yùn)營成本，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 列車再生制動能量吸收裝置分類

列車的再生制動能量若不被鄰近列車吸收將導(dǎo)致接觸網(wǎng)網(wǎng)壓升高，一般通過制動電阻消耗列車的再生制動能量。采用電容儲能型、能饋型再生能量回收技術(shù)，可吸收剩余的列車再生制動能量，減少列車機(jī)械制動磨損，提高運(yùn)營安全性、可靠性，節(jié)約電能，降低運(yùn)營成本。列車再生制動能量吸收裝置分類如圖1所示。

圖1 列車再生制動能量吸收裝置分類

1.1 電阻能耗型

電阻能耗型再生制動能量吸收裝置不僅無節(jié)能效果，而且導(dǎo)致能源浪費(fèi)并造成熱污染，因此不主張使用。

1.2 回饋型

回饋型再生制動能量吸收裝置包括逆變回饋裝置和雙向變流裝置。

逆變回饋裝置將列車再生制動產(chǎn)生的過多能量反饋到中壓環(huán)網(wǎng)供其它設(shè)備使用，如圖2所示。

圖2 中壓逆變能饋裝置運(yùn)行示意圖

如圖2所示，箭頭表示能量的流動方向，變電所內(nèi)原有的整流機(jī)組能量流動方向為：中壓環(huán)網(wǎng)交流通過整流機(jī)組變壓后變?yōu)镈C 1 500 V，該電流供列車牽引使用。有逆變回饋裝置的變電所的能量流動方向為：先將牽引網(wǎng)上過高電壓通過2臺變流柜及隔離變壓器變?yōu)?5 kV交流電返回到中壓環(huán)網(wǎng)上，該電流供其他設(shè)備使用，從此達(dá)到穩(wěn)定網(wǎng)壓及節(jié)能的目的。

目前，逆變回饋裝置技術(shù)成熟，且在國內(nèi)外已有非常廣泛的應(yīng)用，是城市軌道交通領(lǐng)域列車再生制動能量吸收的主要方式和發(fā)展方向之一。逆變回饋裝置又分為中壓回饋裝置和低壓回饋裝置兩種，其在國內(nèi)的應(yīng)用情況如下表1所示。

表1 逆變回饋型裝置在國內(nèi)軌道交通線路中的應(yīng)用情況

雙向變流裝置是為提高供電可靠性、實現(xiàn)整流器快速更換維護(hù)、穩(wěn)定網(wǎng)壓、節(jié)約能源而發(fā)展出來的雙向變流器技術(shù)。雙向變流裝置還可作為24脈波整流器的補(bǔ)充。最早使用該裝置的線路是日本首都圈新都市鐵道筑波快捷線。該裝置于2016年6月在長沙地鐵1號線全線投入運(yùn)行，于2019年在寧波地鐵2號線寧波大學(xué)站掛網(wǎng)運(yùn)行，而后在北京地鐵10號線掛網(wǎng)運(yùn)行。

1.3 儲能型

儲能型再生制動能量吸收裝置包括飛輪儲能和超級電容儲能兩種。兩者的節(jié)能效果相近，但飛輪儲能結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實際應(yīng)用，超級電容儲能則更易實現(xiàn)。

飛輪儲能的基本原理是：列車制動電能帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)移至飛速旋轉(zhuǎn)的飛輪內(nèi)；當(dāng)列車起動時，飛輪則將存儲的動能以電能的形式釋放出來。目前，該裝置在國外有部分應(yīng)用，比如里昂、巴黎、倫敦等城市的地鐵，只是一些示范性工程，無大范圍應(yīng)用。2019年，北京地鐵房山線廣陽城站安裝了1套飛輪儲能再生制動能量吸收裝置。

超級電容儲能的基本原理是：列車再生制動能量被吸收到超級電容中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車需取流時，該裝置將所儲存的電能釋放出去。超級電容儲能裝置有儲能和穩(wěn)定網(wǎng)壓兩種可以相互切換的工作模式。西門子和龐巴迪生產(chǎn)的超級電容儲能器已經(jīng)應(yīng)用于國外DC 750 V和DC 600 V的輕軌和地鐵線路。

儲能型再生制動能量吸收裝置在國內(nèi)的應(yīng)用雖然起步較晩，但發(fā)展很快。具體應(yīng)用情況如表2所示。

表2 儲能型再生制動能量吸收裝置在國內(nèi)的應(yīng)用情況

2 各類列車再生制動能量吸收裝置特點分析

35 kV中壓逆變回饋方式能滿足電能質(zhì)量要求，對電網(wǎng)電壓沖擊影響相對較小，且逆變回饋容量不受限制；再生制動能量利用率高，能夠滿足列車制動需求；可有效控制直流牽引網(wǎng)電壓，適用于中大運(yùn)量城市軌道交通工程。但低壓逆變回饋方式的逆變回饋裝置容量受車站動力變壓器容量的限制，適用于中小運(yùn)量城市軌道交通工程。

四種列車再生制動能量吸收裝置特點對比如表3所示。整流器+回饋變流器與雙向變流器的特點對比如表4所示。

表3 四種再生制動能量吸收裝置特點對比表

表4 整流器+回饋變流器與雙向變流器特點對比表

3 列車再生制動能量吸收裝置在蘇州軌道交通的應(yīng)用情況

目前，列車再生制動能量吸收裝置已在蘇州軌道交通2號線和4號線掛網(wǎng)應(yīng)用。2號線全長約42.0 km，列車采用5節(jié)編組(B型車)。4號線全長約52.8 km，其中主線42.0 km、支線10.8 km，列車采用6節(jié)編組(B型車)。

3.1 蘇州軌道交通2號線能饋裝置應(yīng)用情況

蘇州軌道交通2號線徐圖港站安裝的是中壓逆變回饋系統(tǒng)，桐涇公園站安裝的是超級電容儲能系統(tǒng)。

3.1.1 徐圖港站中壓逆變回饋裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站中壓逆變回饋系統(tǒng)包含4臺柜體，分別為1臺主控柜、2臺變流器柜及1臺變壓器柜。該裝置柜體間電氣接線圖如圖3所示。

圖3 徐圖港站中壓逆變能饋裝置電氣連接圖

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：徐圖港站中壓逆變能饋裝置主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 徐圖港站中壓逆變能饋裝置主要技術(shù)參數(shù)

3) 裝置容量：根據(jù)2號線線路參數(shù)和供電系統(tǒng)參數(shù)，對騎河站至勞動路站區(qū)段共3個供電分區(qū)的高峰期、平峰期列車再生制動能量回收量進(jìn)行估算。列車編組為3動2拖，車輛為B型。根據(jù)車輛參數(shù)對列車運(yùn)行過程中牽引制動功率曲線進(jìn)行估算，再將計算結(jié)果代入牽引供電仿真模型中，結(jié)果如圖4所示。

圖4 徐圖港站逆變回饋裝置仿真計算結(jié)果

根據(jù)圖4仿真計算結(jié)果，作為科研項目，在徐圖港站安裝了額定功率2 MW逆變回饋裝置，于2019年1月投入運(yùn)行。后因廠家原因設(shè)備停運(yùn)。

3.1.2 桐涇公園站超級電容儲能裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站超級電容儲能系統(tǒng)包含5臺柜體，分別為1臺控制柜、2臺變流器柜和2臺超級電容柜，另外在變電所DC 1 500 V饋線柜中并入1臺儲能系統(tǒng)用直流饋線柜。該裝置柜體間電氣接線圖如圖5所示。

圖5 桐涇公園站超級電容儲能裝置電氣連接圖

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：桐涇公園站超級電容儲能裝置主要技術(shù)參數(shù)如表6所示。

表6 桐涇公園站超級電容儲能裝置主要技術(shù)參數(shù)表

3) 裝置容量：根據(jù)2號線線路參數(shù)和供電系統(tǒng)參數(shù)，對山塘街站至寶帶橋南站區(qū)段共3個供電分區(qū)的高峰期、平峰期列車再生制動能量回收量進(jìn)行估算。列車編組為3動2拖，車輛為B型。根據(jù)車輛參數(shù)對列車運(yùn)行過程中牽引制動功率曲線進(jìn)行估算，再將計算結(jié)果代入牽引供電仿真模型中，結(jié)果如圖6所示。

圖6 桐涇公園站電容儲能裝置仿真計算結(jié)果

根據(jù)圖6仿真計算結(jié)果，作為科研項目，在桐涇公園站安裝了額定功率1 MW的超級電容儲能裝置，于2019年1月投入運(yùn)行。

4) 裝置節(jié)能效果：桐涇公園站超級電容儲能裝置運(yùn)行穩(wěn)定。該設(shè)置的充電閾值為1 740～1 750 V，放電閾值為1 610～1 620 V，設(shè)備投運(yùn)至今已實現(xiàn)正向節(jié)電35.7萬kWh，平均每天節(jié)電量約為1 000 kWh。

3.2 蘇州軌道交通4號線能饋裝置應(yīng)用情況

蘇州軌道交通4號線支線蘇州灣北站安裝的是中壓逆變回饋型裝置，主線蘇州灣東站安裝的是雙向變流型能饋裝置。

3.2.1 蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站中壓逆變回饋裝置額定功率為2 MW，整套系統(tǒng)主要包括DC 1 500 V直流柜、逆變柜、隔離變壓器、交流開關(guān)柜及配套電纜。其核心設(shè)備是采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計的逆變柜，有利于減小網(wǎng)側(cè)電流諧波。該裝置逆變模塊主電路拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置逆變模塊主電路拓?fù)鋱D

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置主要技術(shù)參數(shù)如表7所示。

表7 蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置主要技術(shù)參數(shù)

3) 裝置節(jié)能效果：蘇州灣北站中壓逆變回饋型裝置2018年10月投運(yùn)，運(yùn)行期間進(jìn)行了不同回饋閥值下的回饋電量研究。目前該裝置再生制動設(shè)備的啟動值設(shè)置為1 750 V，滯環(huán)電壓為30 V，平均每天節(jié)電量約1 750 kWh。

3.2.2 蘇州灣東站雙向變流回饋裝置應(yīng)用情況

1) 裝置構(gòu)成及主接線：該站雙向變流回饋裝置裝機(jī)額定功率為1.6 MW，整套系統(tǒng)主要包括直流開關(guān)柜、控制柜、逆變柜、隔離變壓器、交流開關(guān)柜及配套電纜。其核心設(shè)備同樣是采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計的逆變柜。該裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，柜體電氣連接示意圖如圖9所示。

圖8 蘇州灣東站雙向變流再生能饋裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.8 Structured flowchart of bidirectional converter regenerative energy feeding device in Suzhouwan East Station

圖9 蘇州灣東站雙向變流裝置柜體電氣連接圖

2) 裝置主要技術(shù)參數(shù)：蘇州灣東站雙向變流裝置主要技術(shù)參數(shù)如表8所示。

表8 蘇州灣東站雙向變流裝置主要技術(shù)參數(shù)

3) 裝置節(jié)能效果：蘇州灣東站雙向變流裝置2020年7月投運(yùn)，運(yùn)行期間進(jìn)行了不同回饋閥值下的回饋電量、整流功能試驗和波形測試等功能研究。目前該裝置再生制動設(shè)備的啟動值設(shè)置為1 760 V，滯環(huán)電壓為30 V，平均每天節(jié)電量約1 600 kWh。該裝置可實現(xiàn)整流功能，但由于受裝置容量限制，當(dāng)列車起動加速度較大時，該裝置電流會大于最大工作電流，功率會超過其最大功率。

4 結(jié)語

根據(jù)蘇州軌道交通掛網(wǎng)應(yīng)用的能饋裝置運(yùn)行及節(jié)能情況：飛輪儲能型能饋裝置故障率高、技術(shù)不成熟；超級電容儲能型裝置容量有限，需多套并聯(lián)，壽命短，節(jié)能效果不佳；雙向變流裝置整流功能容量小、帶載能力差，成本較逆變回饋裝置高；中壓逆變回饋型裝置技術(shù)成熟、故障率低，節(jié)能效果顯著。

根據(jù)蘇州軌道交通后續(xù)線路列車再生能量吸收裝置節(jié)能降耗模擬計算結(jié)果，蘇州軌道交通6號線、S1號線上將采用中壓逆變回饋型再生制動能量吸收裝置。