隨著國內(nèi)軌道交通行業(yè)迅速發(fā)展，綠色、節(jié)能的地鐵運(yùn)營模式被越來越多的城市重視，列車制動(dòng)能量再利用成為軌道交通節(jié)能的重要研究課題。再生制動(dòng)能饋裝置在高運(yùn)量、短距離的軌道交通行業(yè)中的作用日益顯著，低排放、高效率的能源結(jié)構(gòu)模式也逐漸成為地鐵建設(shè)和運(yùn)營的發(fā)展方向。

目前地鐵列車制動(dòng)能量利用主要有4種方式，即電阻吸收、電容儲(chǔ)能吸收、飛輪儲(chǔ)能吸收及逆變吸收。純電阻吸收方式造成能源浪費(fèi)，電容和飛輪儲(chǔ)能方式造價(jià)高，目前未被廣泛應(yīng)用。中壓逆變吸收方式因能有效回饋制動(dòng)能量、抑制網(wǎng)壓波動(dòng)、減少直流電壓波紋和諧波含量，并且與車載制動(dòng)電阻配合好，前期投資相對合理，在國內(nèi)軌道交通行業(yè)普遍應(yīng)用。

1 研究背景

1.1 能饋裝置原理

地鐵列車在進(jìn)站制動(dòng)時(shí)，機(jī)械能大部分轉(zhuǎn)化為電能，其中一部分被線路上其他正常行駛和起動(dòng)的列車吸收，一部分被列車制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能消耗，還有一部分通過牽引所內(nèi)的能饋裝置回饋到中壓網(wǎng)絡(luò)（制動(dòng)能量分配過程如圖1所示）。據(jù)測算，列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量可達(dá)牽引能耗的20%～50%，利用制動(dòng)能量將有效節(jié)約電能。

在未設(shè)置能饋裝置的線路上，制動(dòng)電阻消耗的再生能量會(huì)增加，制動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)電壓也會(huì)相應(yīng)升高，帶來車體及隧道升溫、區(qū)間散熱風(fēng)機(jī)能耗增大、牽引網(wǎng)電壓超限等問題，浪費(fèi)能量的同時(shí)增加后期費(fèi)用。

圖1 制動(dòng)能量分配

1.2 能饋裝置應(yīng)用情況

某地鐵1號線、3號線均采用電阻-中壓逆變吸收方式，列車采用變壓變頻（variable voltage and variable frequency, VVVF）牽引制動(dòng)系統(tǒng)，通過直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，制動(dòng)電阻安裝在車體底架下方，中壓逆變裝置（以下簡稱能饋裝置）設(shè)置在正線牽引所。

1號線正線共9座牽引變電所，每站安裝1套中壓能饋裝置，起動(dòng)電壓為1700V。設(shè)計(jì)時(shí)估算單站每日制動(dòng)回饋能量約為1000～1500kW?h，但設(shè)備上線后，大部分站點(diǎn)回饋能量僅為200～500kW?h，少數(shù)站點(diǎn)回饋能量超過2000kW?h（見表1），總體來看，1號線能饋裝置利用率不足50%，并且站間差別較大。

為發(fā)揮能饋裝置的效能，節(jié)約初期投資，本文對某后續(xù)線路全線安裝或隔站設(shè)置能饋裝置進(jìn)行研究，通過模擬不同工況下能饋吸收效果，以找到合理的設(shè)置方案，節(jié)約投資費(fèi)用。

表1 1號線日回饋電量

2 某新線基本情況

后續(xù)某線全長約40多km，設(shè)置34座地下車站，正線共24個(gè)牽引所，區(qū)間長度見表2。車輛為6編組A型車，最高運(yùn)行速度80km/h，牽引供電制式為直流1500V剛性接觸網(wǎng)。線路初期、近期采用大小交路套跑方式運(yùn)營，根據(jù)客運(yùn)時(shí)段不同，每日上線列車6對至27對。

表2 區(qū)間長度（單位: km）

3 能饋裝置分站設(shè)置仿真

結(jié)合某新建線路總體設(shè)計(jì)文件，在區(qū)間長度、坡度、運(yùn)行圖、行車密度基本確定的情況下，選擇牽引所全部設(shè)置、每隔一處牽引所設(shè)置一套、每隔兩處牽引所取消一套能饋裝置3種情況，對6、8、12、15、20、27對列車上線運(yùn)行工況（行車密度分別為10min、7.5min、5min、4min、3min、2.5min）進(jìn)行模擬仿真。

列車運(yùn)行仿真模擬是根據(jù)設(shè)計(jì)線路縱斷面、列車牽引特性、供電特性、列車阻力特性、牽引網(wǎng)電壓以及運(yùn)營組織要求等各種資料仿真各個(gè)運(yùn)營階段列車全線運(yùn)行狀態(tài)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為運(yùn)行圖模擬和供電節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模擬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1 仿真計(jì)算

根據(jù)既有列車技術(shù)參數(shù)、區(qū)間長度、運(yùn)行圖、行車密度、線路各變電所數(shù)量，對不同運(yùn)行圖下多輛列車在正線模擬工況仿真計(jì)算。

3.2 列車制動(dòng)能量利用率

根據(jù)軟件仿真及3.1節(jié)中公式計(jì)算，列車在全線一次折返的牽引能耗為1989.5kW?h，輔助用電能耗為385kW?h，再生制動(dòng)能量為◆1156.8kW?h，由此可得全線運(yùn)營中列車制動(dòng)產(chǎn)生的能量與列車由牽引網(wǎng)獲取的電能的比值約為49%。

從表3仿真結(jié)果看，相鄰車輛間互相吸收的再生能量所占比例占總牽引電量的32%～45%，列車制動(dòng)能量利用率約為66%～90%，在不考慮加裝再生能饋裝置前提下，制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量約10%～33%轉(zhuǎn)化為熱能消耗。

表3 不同列車密度牽引負(fù)荷計(jì)算值對比表

3.3 某線路仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1）能饋裝置輸出功率仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果（如圖2—圖4所示）可以看出，當(dāng)列車上線對數(shù)不同時(shí)，全線24座牽引所單套再生能饋裝置輸出功率呈無規(guī)律變化，但總體看上線列車較少時(shí)能饋裝置的輸出功率較大。

參考表3的數(shù)據(jù)，線上列車較多時(shí)，相鄰車輛間相互吸收的再生能量比例相對增大，線上列車對數(shù)較少時(shí)，相鄰車輛間相互吸收的再生能量下降，相當(dāng)一部分能量通過制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗。因能饋裝置輸出功率在不同運(yùn)行圖下變化較大，設(shè)備選型時(shí)需要考慮滿載及短時(shí)過載狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備容量，減少設(shè)備購置費(fèi)用。

圖2 牽引所全部設(shè)置時(shí)的能饋裝置功率

圖3 每隔一處牽引所設(shè)置時(shí)的能饋裝置功率

圖4 每隔兩處牽引所取消一套時(shí)的能饋裝置功率

2）能饋裝置能量吸收仿真結(jié)果

以初期運(yùn)營組織提供的不同時(shí)間段發(fā)車間隔為例，不同分站設(shè)置方案下24個(gè)牽引所每天吸收的再生制動(dòng)能量如圖5所示。

圖5 能饋裝置能量吸收情況

經(jīng)模擬計(jì)算，正線牽引變電所均設(shè)置能饋裝置全天吸收電能約為27100kW?h；隔兩座牽引變電所取消一套時(shí)全天吸收電能約為25200kW?h，占全部設(shè)置方案吸收總量的93%；隔一座牽引變電所取消一套時(shí)全天吸收電能約為23400kW?h，占全部設(shè)置方案吸收總量的86%。

因線路采用直流1500V接觸網(wǎng)供電方式，其供電電壓等級及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼軌電位限值決定了牽引變電所設(shè)置的距離，若繼續(xù)取消能饋裝置，車輛再生制動(dòng)能量傳輸?shù)木嚯x增加，能饋裝置吸收的效果反而大幅降低。

3）設(shè)備選型

根據(jù)仿真結(jié)果，牽引所全部設(shè)置的能饋裝置功率為800～2500kW，每隔一處牽引所設(shè)置的能饋裝置功率為1500～3600kW，每隔兩處牽引所取消一套的能饋裝置功率為1400～3300kW。

當(dāng)再生能饋裝置達(dá)到滿載工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，無法吸收的再生能量由就近牽引所能饋裝置吸收，結(jié)合運(yùn)營期管理情況，能饋裝置容量選型不宜超過3種。3種分站設(shè)置方案情況下的設(shè)備推薦選型見表4。

表4 能饋裝置選型

4）經(jīng)濟(jì)性分析及方案選擇

國內(nèi)中壓能饋裝置大多數(shù)由絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）元件高速通斷實(shí)現(xiàn)再生能量吸收控制，使用壽命按20年計(jì)算，3種方案中所有牽引所均預(yù)留能饋裝置房間，配套設(shè)置中只含配套交直流開關(guān)柜及環(huán)控氣滅。根據(jù)表4中設(shè)備容量選型及分站設(shè)置方案，計(jì)算出設(shè)備、土建投資及電費(fèi)節(jié)約金額見表5。

表5 投資及收益估算

從表5可看出，每隔一處牽引所設(shè)置1套的方案裝置及配套設(shè)施投資最少，20年凈收益最多。

4 結(jié)論

從經(jīng)濟(jì)性和后期運(yùn)營維保便利性分析，后續(xù)線路推薦采用每隔一處牽引所設(shè)置一套能饋裝置方案。由于新建線路區(qū)間構(gòu)造、列車制式、運(yùn)行圖有所不同，后續(xù)新線均建議進(jìn)行仿真計(jì)算，以獲得合理的再生制動(dòng)設(shè)計(jì)方案。此外，中壓逆變能饋裝置不僅適用于地鐵項(xiàng)目，在中高行車密度的有軌電車、輕軌等項(xiàng)目中也有廣泛應(yīng)用。電容式能量吸收裝置在未來科學(xué)技術(shù)不斷突破下，也有較好的應(yīng)用前景。

隨著大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，更多的軌道交通模型將被建立，再生能量仿真系統(tǒng)也將日趨完善，合理設(shè)計(jì)設(shè)備配置不僅能夠節(jié)約投資，更是為設(shè)備系統(tǒng)在功能性、經(jīng)濟(jì)性、安全性三者之間找到平衡點(diǎn)提供實(shí)際應(yīng)用支撐。