再生能量吸收装置在城市轨道交通应用的技术经济分析

黄玉坚

（佛山市铁路投资建设集团有限公司广东佛山528000）

摘要：城市轨道交通是城市公用事业中的耗能大户，城轨列车的制动模式能量的浪费问题突出。本文介绍中压逆变型再生能量吸收装置的方案，对再生能量吸收装置进行技术经济分析，探讨再生能量吸收装置在城市轨道交通供电系统上的应用前景。

关键词：城市轨道交通再生能量吸收装置节能减排

1.引言

随着科技的进步和社会的发展，人们在节能减排、环境保护方面意识逐渐增强，在城市轨道交通系统中，对有效利用城市轨道列车再生制动所产生的电能以减少城市轨道交通运营的用电量，同时改善城市轨道交通公共场所的环境是非常重要的。在牵引供电系统中对再生制动所产生的电能进行吸收、储存和再利用越来越受到人们的重视，也具有很大的意义。

2.再生能量吸收装置的产生及发展趋势

2.1目前列车制动的现状

在城市轨道交通系统中，公交化的运输模式决定了城市轨道交通具有列车运行密度大、站间距小、起停频繁的特点，列车的制动模式大多采用电气制动（再生制动/电阻制动）+空气制动（盘形制动/轮对踏面制动）互补的形式，即在列车正常运行过程中以电气制动为主，辅之以空气制动。因此，当列车在进站制动或在长大下坡道上运行时，其所产生的再生制动能量将通过传动装置、变压变频装置而回馈到直流接触网。当再生制动能量不能完全被相邻列车吸收而使网压提升时，车辆启动电阻制动装置，将电能转化为热能并散发出去。通过调研发现，地铁机车制动能量可达到牵引能量的30%以上，不能被吸收的部分占制动能量的40%左右，此部分只能白白消耗掉。这不仅会带来隧道或站区的温升问题和空气质量的恶化问题，也额外增加了环控系统的负荷，导致地铁建设投资和运营成本的增加、能量的浪费。

2.2再生能量吸收装置发展趋势

能量消耗型是指利用电阻吸收装置，将列车的再生制动能量消耗掉，从而抑制接触网网压的飙升。

能量储存型主要包括电容储能吸收装置和飞轮储能吸收装置。电容储能吸收装置是用超级电容将列车制动能量存储起来，并在列车牵引时释放，起到节能和稳定网压的作用[2]。

能量逆变型是利用电力电子变流器，将列车制动能量逆变为交流电能回馈到交流电网，供其他设备再利用。根据交流交流电网的电压等级，能量逆变又分为中压逆变型(35kV)和低压逆变型（400V）[3]。

2010年-2011年期间，逆变400V的再生电能吸收方案在重庆、北京等地相继完成了挂网运行。

2010年，中压能馈型逆变装置国内相关厂家完成了相关的检验工作，2011年国内厂家陆续完成了相关设备的挂网项目阶段工作，但刚开始只是在车辆段试验设备的各项功能。

2011年之后，国内北京、广州、苏州、宁波、郑州、南宁、南京、厦门、乌鲁木齐等城市新建地铁工程均将中压能馈作为再生电能吸收的首选方案。

逆变回馈型再生能量吸收利用方式可有效利用再生能量，且国内相关技术较为成熟，具备应用条件，同时考虑到单座车站400V低压动照需用负荷有限，回馈的能量并不能被本站400V系统完全利用，此外400V系统容量较小，系统电能质量的敏感性要高于35kV系统，因此，近几年除了既有采用了向400V系统逆变回馈的城市之外，国内新建地铁项目几乎将向35kV系统逆变回馈技术方案作为首选，该技术占据主导地位，代表了再生电能吸收利用的发展趋势，成为了各地地铁节能减排的主要手段和发展方向。

3.中压逆变型再生能量吸收利用方案

该类型再生能量吸收装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上；当再生能量吸收装置使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。该类型装置利用了35kV系统较大的供电系统负荷容量为支撑，从而更加便利地利用列车再生制动能量，提高再生电能的利用率，节能效果好。

中压能馈式再生能量吸收装置主要双向变流器的系统构成主要包括变压器、交流低压开关柜、双向变流器柜、直流接触器柜等其设备组成图如图1所示。

目前国内该类型装置处于应用发展阶段，主要生产厂家有北京千驷驭、株洲时代、湖南恒信等。

在2011年3月，该类型装置于广州地铁四号线新造车辆段进行了对系统影响测试、功能验证等科研实验。

同时在2012年底北京地铁10号线二期和14号线各选取了2座牵引变电所进行示范性应用，2014年底，北京15号线西段、14号线东段开通，分别有4套和9套中压逆变型装置投运，截止目前，设备节能效果比较明显，运行情况良好,北京地铁的在建线路开始全面推进中压能馈方案

随后长沙地铁1号线在9座车站内设置中压能馈型再生制动装置，在此过程中，中压能馈型再生电能利用装置在正线与车辆开展了一系列的配合试验、回馈试验，也积累了丰富的运行经验。该装置自投运至今，现场应用效果良好，节能效果明显。

该装置的优点：充分利用了列车再生制动能量，提高了再生制动能量的利用率，节能效果好；其能量直接回馈到中压环网，将制动能量分配到网络中其它用电设备，不需要配置储能元件，不受系统容量限制，再生制动能量利用率高；对环境温度影响小；技术方案相对成熟，利于国产化。

该装置的缺点：由于输出接至交流供电网，因此电力部门对逆变器的输出质量要求较高。逆变至中压环网技术虽在国内部分线路上应用，但大规模工程应用及运营维护经验需要进一步研究。

3.2再生能量吸收装置设置原则

出于经济性及设备投资回收周期考虑，容量选取过程中，供电系统按正常运行方式考虑，不考虑单机组或一座牵引变电所解列等故障工况。

考虑到实际运营时，运行图会有一定的变化，以及其他不可控因素，此时若再生制动装置无法满足需求，则需车辆制动电阻甚至机械制动投入，完成车辆制动。

4.再生能量吸收装置经济性分析

经济性分析如下：

考虑电费为0.70元/度，经测算一个站再生装置年回收电费约50万元。

再生装置单套设备的初始投资为：

1）单套2.0MW中压能馈逆变装置价格约为250万元；

2）增设交、直流开关柜各一面，其中：

交流开关柜：26万元／面；

直流开关柜：28万元／面；

3）每座正线车站牵引所增加土建投资约60平方米

每平米按增加1万元考虑。

则全线再生能量吸收装置初始投资约为：364万元。

全线再生装置资金回收年限约为7.28年。

5.结语

在全球低碳经济发展和国家节能减排的新形势下，国家鼓励发展节能减排型新技术、新装置。再生能量吸收装置具有能量利用率高特性，特别适合城市轨道交通列车运行密度大、站间距小、起停频繁的运行特点，能产生良好的经济效益和环保效益。可以预料，未来再生能量吸收装置在城市轨道交通供电系统的应用前景看好。

参与文献

[1]张钢.城市轨道交通能馈式牵引供电变流系统关键技术研究[D]-北京交通大学,2010.

[2]于松伟,杨兴山，韩连祥等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]-西南交通大学出版社2008.

[3]陈德胜，刘志刚，张钢.能馈式牵引供电装置在轨道交通领域的应用[J]-都市快轨交通2014（01）.

作者简介

黄玉坚，男，本科，工程师，佛山市铁路投资建设集团有限公司，职务，供电工程师。