城市軌道交通再生電能回收技術方案的研究

摘要：如果采用車輛吸收電阻吸收地鐵列車運行過程中的再生能量，則將帶來隧道和站臺內的溫升問題，同時也增加了站內環控系統的負擔， 造成大量的能源浪費并使地鐵的建設費用和運行費用增加。為了降低隧道洞體和車站內溫度并提高洞內空氣質量，應當進行再生能量吸收的相關技術系統研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置。
關鍵詞：城市軌道交通；再生；吸收；技術方案

1 引言
在城市軌道交通工程中，直-交變壓變頻的傳動方式已經普遍采用。車輛在運行過程中， 由于站間距一般較短， 列車起制動頻繁， 因此要求起動加速度和制動減速度大，制動平穩并具有良好的起動和制動性能。從能量相互轉換的角度看， 制動能量是相當可觀的。雖然電動車組在其直流回路設有電阻耗能裝置， 但是受機車空間所限， 不可能設置足以完全吸收這部分動能的裝置，剩余能量只能由機械制動補充。由于軌道交通整流設備采用的是二極管整流器，只能單向供電。當列車制動時， 再生回饋能量通過機車變頻裝置向直流電網充電，使直流電網電壓升高，當直流電壓大于整流器輸出電壓時， 二極管整流器被反向阻斷。由于地鐵系統的特點是區間距離短、列車運行密度高， 這樣列車在全線運行過程中必將有頻繁的啟動、制動過程。根據經驗，地鐵再生制動產生的反饋能量一般為牽引能量的30%甚至更多。而這些再生能量除了按一定比例（一般為20%～80%， 根據列車運行密度和區間距離的不同而異） 被其它相鄰列車吸收利用外，剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。據考察北京地鐵750 V 直流供電電壓在機車進站制動時可能升到1 000 V 以上，這是由于列車再生制動能量在直流電網上不能被相鄰列車完全吸收造成的。當列車發車密度較低時，再生能量被其它車輛吸收的概率將大大降低。有資料表明，當列車發車的間隔大于10 min 時，再生制動能量被吸收的概率幾乎為零，這樣，絕大部分制動能量將被車輛吸收電阻所吸收， 變成熱能并向四外散發。由于列車的制動主要發生在運行過程中，如果再生能量由車輛吸收電阻吸收， 必將帶來隧道和站臺內的溫升問題， 同時也增加了站內環控系統的負擔，造成大量的能源浪費并使地鐵的建設費用和運行費用增加。在國內的部分地鐵線路（如北京地鐵） 上已經反映出溫升問題相當嚴重。因此， 對再生能量吸收的相關技術進行系統研究并在地鐵工程中使用成熟的再生能量回收裝置，將會降低隧道洞體和車站內溫度并改善洞內空氣質量。同時， 合理的配置再生能量回收裝置還能減少車載設備（車輛制動電阻），減少車輛的運營維護工作量，降低車輛成本，減少車輛自重，從而降低列車能耗， 提高車輛加減速性能， 并有可能在一定程度上降低電機的配置容量。
目前，我國在城市軌道交通中應用再生能量回收技術尚屬起步階段， 可借鑒加拿大、日本等國的成功經驗。若在國內城市軌道交通系統中廣泛應用此項技術，必將產生巨大的社會和經濟效益。
2 可采用的相關技術
軌道交通車輛所采用的電制動方式一般包括再生制動和電阻制動兩種方式，再生制動的最大優點是節能，但再生電能并不是都能被其它牽引車輛吸收，剩余部分則消耗在車輛制動電阻上并轉變為熱能散發到空氣中。車輛采用電阻制動方式吸收電能比較穩定， 但制動能量消耗在電阻上， 既不能加以利用，又因在車輛上裝設大容量制動電阻而導致車下設備的總體布置困難，車體重量和列車牽引耗電增加，同時還加大了對環境的污染。
為了減少制動能量在列車制動電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內溫度的升高和減少車載設備，國外一般在牽引變電所的直流母線上設置再生制動能量吸收裝置，所采用的吸收方案主要包括電阻耗能型、電容儲能型、飛輪儲能型和逆變回饋型四種方式。當處于再生制動工況下的列車產生的制動電流不能完全被其他車輛和本車的用電設備吸收時，線路上設置的再生制動能量吸收裝置立即投入工作，吸收多余的再生電流，使車輛再生電流持續穩定，以最大限度地發揮電制動性能。如日本多摩、沖繩、東京、大阪的輕軌和地鐵線路， 加拿大多倫多輕軌及意大利米蘭3 號線等地鐵均采用了再生制動能量吸收裝置。
電阻耗能型再生制動能量吸收裝置主要采用多相IGBT 斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據再生制動時直流母線電壓的變化狀態調節斬波器的導通比， 從而改變吸收功率， 將直流電壓恒定在某一設定值的范圍內，并將制動能量消耗在吸收電阻上。該吸收裝置的電氣系統主要由IGBT 斬波器、吸收電阻、續流二極管、濾波裝置（濾波電容和濾波電抗器）、直流快速斷路器、電動隔離開關、避雷器、電磁接觸器、傳感器和微機控制單元等組成。該裝置的優點是控制簡單， 其主要缺點是再生制動能量消耗在吸收電阻上，未加以利用；而且電阻散熱也導致環境溫度上升，因此當該裝置設置在地下變電所內時， 電阻柜需單獨放置， 而且該房間需采取措施保證有足夠的通風量，需要相應的通風動力裝置，也增加了相應的電能消耗。
電容儲能型或飛輪儲能型再生制動能量吸收裝置主要采用IGBT 逆變器將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機中，當供電區間內有列車起動或加速需要取流時，該裝置將所儲存的電能釋放出去并進行再利用。該類吸收裝置的電氣系統主要包括儲能電容器組或飛輪電機、IGBT 斬波器、直流快速斷路器、電動隔離開關、傳感器和微機控制單元等。該裝置充分利用了列車再生制動能量， 節能效果好， 并可減少列車制動電阻的容量。其主要缺點是要設置體積龐大的電容器組和轉動機械飛輪裝置作為儲能部件，因此應用實例較少。
逆變回饋型再生制動能量吸收裝置主要采用電力電子器件構成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側與牽引變電所中的整流器直流母線相聯， 其交流進線接到交流電網上。當再生制動使直流電壓超過規定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網。該吸收裝置的電氣系統主要包括晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流快速斷路器、電動隔離開關、直流電壓變換器和調節控制柜等。該裝置充分利用了列車再生制動能量， 提高了再生能量的利用率， 節能效果好，并可減少列車制動電阻的容量。其能量直接回饋到電網，既不要配置儲能元件，又不要配置吸收電阻，因此對環境溫度影響小，在大功率室內安裝的情況下多采用此方案。
3 技術方案的研究與比較
3.1 有關系統的仿真模擬計算
仿真模擬是較為先進的研究方法之一，事實證明，這樣的研究方法是可取的、科學的、可靠的。許多重大項目都要經過各種仿真模擬計算后才能夠進入實施階段，開發研究階段的有關模擬分析參數的選擇和確定將有可能影響到整個工程的方案決策、運行效果以及工程投資和系統的經濟合理性。因此，在項目的設計階段進行大量的、準確的仿真模擬是非常必要的。多年來中鐵電氣化勘測設計研究院已經在各條城市軌道交通的供電系統設計中多次運用這種方法。因此， 為了得到更為準確可靠的研究結果，在本課題的研究過程中對相關的系統進行了大量的模擬分析與比較。所應用到的主要模擬技術和分析流程見圖1。

3.1.1 列車運行模擬
列車運行的模擬仿真是整個方案研究最基礎的數據平臺和依據，它的正確性和科學性將直接影響后續模擬計算的準確性和方案的可靠性。因此必須對與此相關的各個系統進行充分調查、分析與研究。主要包括車輛特性、車輛阻力、車輛運行工況的分析與研究，線路資料和有關運營資料的分析與整理，從而獲得準確的全線列車運行數據。
3.1.2 不同運行圖模擬
一般來說，在固定的列車追蹤間隔運行狀態下，列車的牽引用電負荷反映到牽引變電所是相對持續穩定的，不會因運行圖上下行鋪畫的時間交錯產生較大的波動變化。因此， 中鐵電氣化勘測設計研究院一般在設計牽引供電系統方案和容量的時候，只需對典型的高峰小時運行圖進行模擬就可以滿足要求。而再生能量回饋電流則是短時的、不穩定的，由于其他列車的運行狀態直接影響到再生電流的吸收比例，所以在作回饋電流的模擬分析時，應該充分考慮運行圖上下行鋪畫的不同時間交錯情況下的回饋電流特性。在進行運行圖模擬時，增加了以追蹤間隔為周期，以2 s 為步長的多圖模擬模型，為下一步的供電系統模擬提供更具廣泛性的數據基礎。
3.1.3 供電系統模擬
供電系統模擬是基于全線牽引供電網絡數學模型之上，根據有限元分析的基本思想對全線網絡模型進行一定間隔的切割，并對各個切割斷面進行數據抽象，同時根據運行圖數據對全線列車的運行狀態掃描后進行全線的牽引供電網絡分析，從而計算出供電網絡各個切割斷面的瞬態電氣參數，并進行統計輸出。本文在原有的模擬模型基礎上， 加入了電能回饋吸收裝置的簡化數學模型（見圖2）， 使模擬的數據結果更加準確，為回饋吸收系統方案的建立和容量的選擇提供可靠的依據。由于在進行系統模擬分析的過程中，主要研究目標為能量的流動過程， 因此為了簡化算法，提高運行速度，將回饋裝置在數學模型上簡化為可調電阻，設定回饋裝置的電壓投入條件，通過調節可調電阻的大小來適應回饋功率的變化。通過各種運營狀態下的模擬分析、統計，獲得回饋功率的變化特點。

圖2 回饋吸收裝置的簡化模型示意圖
3.2 仿真模擬結果分析
考慮到再生回饋電能的負荷特點（短時性和隨機性），對不同運行階段的列車運行、不同運行圖和供電網絡進行大量的模擬分析和比較。以某牽引變電所為例的圖3 可以看出，在相同的列車運行追蹤密度下，再生回饋功率因不同的運行圖鋪畫而差異很大。而在未來的實際運行中， 運行圖可能會出現各種隨機性變化。

圖3 某變電所遠期高峰小時-平均回饋功率曲線
3.3 再生吸收裝置的分布方案與容量選擇
因為當前沒有相應設計原則可依照，根據再生回饋負荷的特點、大量模擬計算和數據分析并考慮到大部分再生電流回饋沖擊都在20 s 以內，所以可認為各變電所回饋裝置的容量是按照以下原則確定：（1）按照不同運營條件、不同運行圖下的20 s 平均最大負荷確定；（2） 用不同運營條件、不同運行圖下的短時最大負荷進行容量校核。
3.4 再生回饋／吸收電能的統計分析
通過對某地鐵線路的模擬計算和統計分析，在不同追蹤間隔條件下，全線的不同運行圖平均回饋功率統計。在各種追蹤間隔條件下的不同運行圖平均回饋功率波動曲線見圖4。在不同追蹤間隔的條件下， 不同運行圖的平均回饋功率波動不大， 回饋功率的大小與追蹤間隔沒有直接的關系。因此認為可以對各種運行條件下的回饋功率進行平均并作為全線全天回饋能量統計的基礎。

圖4 不同追蹤間隔下的回饋功率波動曲線
按照每年365 天，每天運營時間18 h 計算，某地鐵全線全年回饋吸收電能總量為ERe。ERe=365×18×1 331=8 744 670（kW·h）。
4 經濟技術效果
通過以上對某地鐵線路的技術分析，按照每度電價0.5 元計算，每年僅節省電費就達到470 萬元。全線牽引所的回收裝置設備費暫按照飛輪儲能裝置估計約4 000 萬元。這樣僅從供電系統的角度考慮，預計8～10 年就能夠收回全部設備費用。另外，再生能量回收裝置的安裝將對地鐵其他系統帶來巨大的社會和經濟效益，比如：大大降低隧道溫升，從而降低隧道通風設備容量和相關投資；減少列車制動電阻容量， 從而使車體更輕、更節能、成本更低。由于篇幅所限， 本文不再對其他系統進行詳細分析比較。