地铁再生制动能馈装置分站设置研究

济南轨道交通集团有限公司的研究人员潘雷、荀浩，在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文，分析某地铁再生制动能馈装置的使用情况，指出部分线路能馈装置投资高、利用率低、与原设计相比偏差较大的问题，引出后续线路能馈装置在正线牵引变电所的配置方案。

通过模拟仿真牵引整流机组、能馈装置在不同行车密度下多辆列车制动、运行、起动的工况，分析车辆制动能量回馈吸收及消耗情况，比较不同设置方案下能馈装置的功率及节能效果，为能馈系统的设备选型、分站布置提供设计依据，指导后续新线设备招标采购，节省土建、设备安装等初期投资及运营费用。

随着国内轨道交通行业迅速发展，绿色、节能的地铁运营模式被越来越多的城市重视，列车制动能量再利用成为轨道交通节能的重要研究课题。再生制动能馈装置在高运量、短距离的轨道交通行业中的作用日益显著，低排放、高效率的能源结构模式也逐渐成为地铁建设和运营的发展方向。

目前地铁列车制动能量利用主要有4种方式，即电阻吸收、电容储能吸收、飞轮储能吸收及逆变吸收。纯电阻吸收方式造成能源浪费，电容和飞轮储能方式造价高，目前未被广泛应用。中压逆变吸收方式因能有效回馈制动能量、抑制网压波动、减少直流电压波纹和谐波含量，并且与车载制动电阻配合好，前期投资相对合理，在国内轨道交通行业普遍应用。

1  研究背景

1.1  能馈装置原理

地铁列车在进站制动时，机械能大部分转化为电能，其中一部分被线路上其他正常行驶和起动的列车吸收，一部分被列车制动电阻转化为热能消耗，还有一部分通过牵引所内的能馈装置回馈到中压网络（制动能量分配过程如图1所示）。据测算，列车制动时产生的能量可达牵引能耗的20%～50%，利用制动能量将有效节约电能。

在未设置能馈装置的线路上，制动电阻消耗的再生能量会增加，制动时牵引网电压也会相应升高，带来车体及隧道升温、区间散热风机能耗增大、牵引网电压超限等问题，浪费能量的同时增加后期费用。

图1  制动能量分配

1.2  能馈装置应用情况

某地铁1号线、3号线均采用电阻-中压逆变吸收方式，列车采用变压变频（variable voltage and variable frequency, VVVF）牵引制动系统，通过直线电机驱动车辆，制动电阻安装在车体底架下方，中压逆变装置（以下简称能馈装置）设置在正线牵引所。

1号线正线共9座牵引变电所，每站安装1套中压能馈装置，起动电压为1700V。设计时估算单站每日制动回馈能量约为1000～1500kW·h，但设备上线后，大部分站点回馈能量仅为200～500kW·h，少数站点回馈能量超过2000kW·h（见表1），总体来看，1号线能馈装置利用率不足50%，并且站间差别较大。

为发挥能馈装置的效能，节约初期投资，本文对某后续线路全线安装或隔站设置能馈装置进行研究，通过模拟不同工况下能馈吸收效果，以找到合理的设置方案，节约投资费用。

表1  1号线日回馈电量

2  某新线基本情况

后续某线全长约40多km，设置34座地下车站，正线共24个牵引所，区间长度见表2。车辆为6编组A型车，最高运行速度80km/h，牵引供电制式为直流1500V刚性接触网。线路初期、近期采用大小交路套跑方式运营，根据客运时段不同，每日上线列车6对至27对。

表2  区间长度（单位: km）

3  能馈装置分站设置仿真

结合某新建线路总体设计文件，在区间长度、坡度、运行图、行车密度基本确定的情况下，选择牵引所全部设置、每隔一处牵引所设置一套、每隔两处牵引所取消一套能馈装置3种情况，对6、8、12、15、20、27对列车上线运行工况（行车密度分别为10min、7.5min、5min、4min、3min、2.5min）进行模拟仿真。

列车运行仿真模拟是根据设计线路纵断面、列车牵引特性、供电特性、列车阻力特性、牵引网电压以及运营组织要求等各种资料仿真各个运营阶段列车全线运行状态，其产生的数据作为运行图模拟和供电节点网络模拟的数据基础。

3.1  仿真计算

根据既有列车技术参数、区间长度、运行图、行车密度、线路各变电所数量，对不同运行图下多辆列车在正线模拟工况仿真计算。

3.2  列车制动能量利用率

根据软件仿真及3.1节中公式计算，列车在全线一次折返的牵引能耗为1989.5kW·h，辅助用电能耗为385kW·h，再生制动能量为1156.8kW·h，由此可得全线运营中列车制动产生的能量与列车由牵引网获取的电能的比值约为49%。

从表3仿真结果看，相邻车辆间互相吸收的再生能量所占比例占总牵引电量的32%～45%，列车制动能量利用率约为66%～90%，在不考虑加装再生能馈装置前提下，制动产生的再生能量约10%～33%转化为热能消耗。

表3  不同列车密度牵引负荷计算值对比表

3.3  某线路仿真结果及数据分析

1）能馈装置输出功率仿真结果

从仿真结果（如图2—图4所示）可以看出，当列车上线对数不同时，全线24座牵引所单套再生能馈装置输出功率呈无规律变化，但总体看上线列车较少时能馈装置的输出功率较大。

参考表3的数据，线上列车较多时，相邻车辆间相互吸收的再生能量比例相对增大，线上列车对数较少时，相邻车辆间相互吸收的再生能量下降，相当一部分能量通过制动电阻发热消耗。因能馈装置输出功率在不同运行图下变化较大，设备选型时需要考虑满载及短时过载状态，选择适当的设备容量，减少设备购置费用。 

图2  牵引所全部设置时的能馈装置功率

图3  每隔一处牵引所设置时的能馈装置功率

图4  每隔两处牵引所取消一套时的能馈装置功率

 

2）能馈装置能量吸收仿真结果

以初期运营组织提供的不同时间段发车间隔为例，不同分站设置方案下24个牵引所每天吸收的再生制动能量如图5所示。

图5  能馈装置能量吸收情况

经模拟计算，正线牵引变电所均设置能馈装置全天吸收电能约为27100kW·h；隔两座牵引变电所取消一套时全天吸收电能约为25200kW·h，占全部设置方案吸收总量的93%；隔一座牵引变电所取消一套时全天吸收电能约为23400kW·h，占全部设置方案吸收总量的86%。

因线路采用直流1500V接触网供电方式，其供电电压等级及设计标准中规定的钢轨电位限值决定了牵引变电所设置的距离，若继续取消能馈装置，车辆再生制动能量传输的距离增加，能馈装置吸收的效果反而大幅降低。

3）设备选型

根据仿真结果，牵引所全部设置的能馈装置功率为800～2500kW，每隔一处牵引所设置的能馈装置功率为1500～3600kW，每隔两处牵引所取消一套的能馈装置功率为1400～3300kW。

当再生能馈装置达到满载工作状态时，系统不会长时间超负荷运行，无法吸收的再生能量由就近牵引所能馈装置吸收，结合运营期管理情况，能馈装置容量选型不宜超过3种。3种分站设置方案情况下的设备推荐选型见表4。

表4  能馈装置选型

4）经济性分析及方案选择

国内中压能馈装置大多数由绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）元件高速通断实现再生能量吸收控制，使用寿命按20年计算，3种方案中所有牵引所均预留能馈装置房间，配套设置中只含配套交直流开关柜及环控气灭。根据表4中设备容量选型及分站设置方案，计算出设备、土建投资及电费节约金额见表5。

表5  投资及收益估算

从表5可看出，每隔一处牵引所设置1套的方案装置及配套设施投资最少，20年净收益最多。

4  结论

从经济性和后期运营维保便利性分析，后续线路推荐采用每隔一处牵引所设置一套能馈装置方案。由于新建线路区间构造、列车制式、运行图有所不同，后续新线均建议进行仿真计算，以获得合理的再生制动设计方案。此外，中压逆变能馈装置不仅适用于地铁项目，在中高行车密度的有轨电车、轻轨等项目中也有广泛应用。电容式能量吸收装置在未来科学技术不断突破下，也有较好的应用前景。

随着大数据的不断发展，更多的轨道交通模型将被建立，再生能量仿真系统也将日趋完善，合理设计设备配置不仅能够节约投资，更是为设备系统在功能性、经济性、安全性三者之间找到平衡点提供实际应用支撑。