再生能量吸收裝置在軌道交通中的應(yīng)用研究

裴琳

北京市地鐵運(yùn)營有限公司，中國·北京 100016

1 引言

隨著軌道交通事業(yè)的發(fā)展壯大，科學(xué)技術(shù)也在不斷迭代發(fā)展，同時(shí)社會各界對節(jié)能減排的要求也不斷提高，傳統(tǒng)電阻消耗型再生能裝置已不能滿足新時(shí)代地鐵發(fā)展需要。這就要求地鐵不斷的創(chuàng)新發(fā)展，列車在再生制動模式下所產(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，逆變回饋型再生能裝置的技術(shù)已逐漸成熟，在新建線路和既有線路的后期工程中均有應(yīng)用，通過對運(yùn)營數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)逆變回饋型再生能裝置帶來的經(jīng)濟(jì)效益是非常大的，對建設(shè)節(jié)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(yùn)行到一定速度時(shí)一般先進(jìn)行再生制動，減到一定速度時(shí)再進(jìn)行空氣制動。當(dāng)列車進(jìn)行再生制動時(shí)，由于運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)變，電動機(jī)轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)，將多余的能量反饋給牽引網(wǎng)[1]。一般在非高峰時(shí)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(shí)如果不加以限制將會造成網(wǎng)壓的升高，網(wǎng)壓升高影響了牽引站的供電質(zhì)量，不利于地鐵的安全運(yùn)行。地鐵列車運(yùn)行模式如圖1所示。

圖1 地鐵列車運(yùn)行模式

當(dāng)列車在車站停站，乘客進(jìn)行上下車作業(yè)時(shí)，負(fù)載平穩(wěn)，網(wǎng)壓接近于空載狀態(tài)的電壓，當(dāng)列車出站，并開始加速啟動時(shí)，牽引網(wǎng)壓處于下降區(qū)間，列車從最高速開始降低加速度時(shí)網(wǎng)壓處于回升階段，這兩個(gè)時(shí)間段網(wǎng)壓始終低于停止?fàn)顟B(tài)電壓。當(dāng)列車處于惰行狀態(tài)時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，網(wǎng)壓快速升高，如果不加以限制，將嚴(yán)重影響電壓質(zhì)量[2]。此時(shí)，如果設(shè)置了再生能量吸收裝置，那么當(dāng)網(wǎng)壓達(dá)到整定值時(shí)，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(shí)達(dá)到降低網(wǎng)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(shè)再生能量吸收裝置，電阻柜設(shè)置在單獨(dú)的房間內(nèi)，通過集中設(shè)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(fù)荷使用[3]。

3.1 安裝位置

再生能量吸收裝置設(shè)置在牽引站直流正負(fù)母線之間，正極斷路器與總閘分閘開關(guān)同排擺放并絕緣安裝，其他柜體單獨(dú)擺放。另外，電阻柜一般設(shè)置在單獨(dú)房間內(nèi)，并配有通風(fēng)設(shè)備。集中設(shè)置的好處就是降低列車自重，避免列車制動時(shí)車載電阻工作時(shí)引起隧道溫度升高，減少維護(hù)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(zhuǎn)換為交流電后向地鐵其他負(fù)荷供電，通過中壓系統(tǒng)向其他設(shè)備供電即為中壓逆變回饋型，向本站400V 系統(tǒng)供電，由其他低壓負(fù)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(dāng)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(shí)，電阻柜通過斬波器的控制，立刻投入工作，通過調(diào)整斬波器的導(dǎo)通比，從而達(dá)到調(diào)整電網(wǎng)電壓的目的，此時(shí)電阻柜將多余的能量轉(zhuǎn)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(guān)及濾波部分、逆變吸收部分、電阻吸收部分，由于10kV 系統(tǒng)吸收能力更強(qiáng)，所以中壓逆變型裝置不設(shè)電阻部分。當(dāng)列車再生制動導(dǎo)致網(wǎng)壓升高達(dá)到動作值時(shí)，逆變器開始工作，吸收牽引網(wǎng)的電能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姺答佒林袎夯虻蛪航涣髂妇€，逆變電能超過容量限制時(shí)，通過斬波器控制使電阻柜開始工作，進(jìn)入電阻消耗模式。

3.3 再生制動裝置的應(yīng)用

北京市地鐵運(yùn)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(yīng)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(yùn)行工況、牽引站設(shè)置、列車滿載率、上線列車數(shù)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(jìn)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(jià)按0.8 元/kW·h 計(jì)算，設(shè)10 號線全線各站運(yùn)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(jié)約電費(fèi)59852.8 元，全年節(jié)約2184.6 萬元，低壓逆變型回饋裝置每天可節(jié)約電費(fèi)9430.4 元，全年節(jié)約344.2 萬元，合計(jì)節(jié)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(yīng)用前景，尤其是中壓逆變回饋型再生能裝置，在不考慮設(shè)備成本的情況下，經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)超低壓逆變回饋型再生能裝置。

5 結(jié)語

逆變回饋型再生能裝置技術(shù)已逐漸成熟，新建線路或改造線路根據(jù)自身發(fā)展要求完全可以采用逆變回饋型再生能裝置，建議優(yōu)先選用回饋至中壓網(wǎng)絡(luò)的裝置，它的節(jié)能效果要遠(yuǎn)好于低壓逆變回饋型再生能裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，裝置的穩(wěn)定性和設(shè)備性價(jià)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?yàn)椴痪哂泄?jié)能效果，并且運(yùn)營故障率較高，會逐漸被歷史所淘汰。目前，還有另一個(gè)發(fā)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(shù)在國際上已經(jīng)很成熟。中國已有多家公司著手研究，尚未大范圍應(yīng)用，不過超級電容儲能型再生能裝置已經(jīng)在北京地鐵8 號線德茂和瀛海兩站掛網(wǎng)運(yùn)行，目前運(yùn)行平穩(wěn)，飛輪儲能還沒有應(yīng)用實(shí)例，相信很快會有應(yīng)用案例。從節(jié)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(fā)點(diǎn)是一致的，只不過是兩個(gè)方向，未來哪個(gè)具有成本優(yōu)勢、運(yùn)行更穩(wěn)定將會成為發(fā)展的主流。