城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)再生能量吸收技術(shù)的發(fā)展與選擇

李志慧

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 300240， 天津//高級工程師)

在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中設(shè)置再生能量吸收裝置，可對列車制動所產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行吸收、儲存和再利用。這已成為城市軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展的方向。

再生能量吸收裝置一般可設(shè)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(dāng)列車制動產(chǎn)生的能量不能完全被用電設(shè)備吸收時，牽引網(wǎng)電壓將很快上升；網(wǎng)壓上升到一定程度后，牽引變電所中設(shè)置的再生能量吸收裝置投入工作，使車輛再生制動持續(xù)穩(wěn)定，以最大限度地發(fā)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(nèi)，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(shù)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(wěn)定可靠的優(yōu)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(shù)發(fā)展迅速。國內(nèi)已生產(chǎn)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(dá)到10 a以上)，節(jié)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(chǎn)品進(jìn)行掛網(wǎng)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(chǎn)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(nèi)正處于發(fā)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(wěn)定且節(jié)能效果良好。在2014年之后，國內(nèi)很多城市的新建城市軌道交通工程開始重點關(guān)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(tǒng)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(shù)的發(fā)展方向。目前，國內(nèi)中壓逆變饋能裝置的技術(shù)及設(shè)備制造工藝成熟，且應(yīng)用效果良好。電容儲能裝置和飛輪儲能裝置仍需進(jìn)行技術(shù)研發(fā)、工程實施和運行驗證，并結(jié)合運營實測數(shù)據(jù)進(jìn)行完善。因此，目前，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)以采用中壓逆變饋能裝置為主流方向。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益實例分析

2.1 中壓逆變饋能裝置的構(gòu)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(cè)與牽引變電所中的直流母線相聯(lián)，交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上。當(dāng)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(wǎng)。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(tǒng)

北京地鐵14號線東段牽引供電系統(tǒng)采用10 kV開閉所供電方式，共設(shè)置了7座牽引變電所。牽引網(wǎng)采用DC 1 500 V接觸網(wǎng)供電，直流側(cè)空載電壓為DC 1 664 V，直流系統(tǒng)長期工作電壓波動范圍為DC 1 000～1 800 V。根據(jù)仿真計算結(jié)果，整個東段工程7個牽引變電所各設(shè)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(guān)柜、DC 1 500 V開關(guān)柜及負(fù)極隔離開關(guān)柜共同構(gòu)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(shè)備。10 kV開關(guān)柜、1 500 V開關(guān)柜及負(fù)極隔離開關(guān)柜為交直流電網(wǎng)的接口，起保護(hù)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(tǒng)計

對北京地鐵14號線東段再生饋能裝置回收電能進(jìn)行統(tǒng)計。2015年1—3月，按車站統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)見表3。由表3計算可得，平均節(jié)能率為14.29%，平均每座牽引變電所日節(jié)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(jié)省電費約23.7萬元，相應(yīng)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(jié)語

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

[1] 陳哲.北京地鐵10號線中壓饋能型再生制動電能利用裝置[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通, 2015(1): 5.

[2] 王彥崢，蘇鵬程. 城市軌道交通再生電能的吸收與利用分析[J].城市軌道交通研究, 2007(6): 42.

[3] 張云太. 利用車輛再生電能建設(shè)持續(xù)發(fā)展地鐵[J]. 交通世界, 2011(16): 154.

[4] 陳琪，孫才勤，嚴(yán)長輝. 長沙地鐵1號線雙向變流型再生電能吸收裝置網(wǎng)驗證[J]. 電氣化鐵道, 2017(3): 21.

[5] 白青林. 北京地鐵14號線中壓饋能裝置現(xiàn)場試驗方案[J].科技與創(chuàng)新,2016(11)： 123.