城市轨道交通再生电能回收技术方案研究

城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究

摘要：如果采用车辆吸收电阻吸收地铁列车运行过程中的再生能量，则将带来隧道和站台内的温升问题，同时也增加了站内环控系统的负担， 造成大量的能源浪费并使地铁的建设费用和运行费用增加。为了降低隧道洞体和车站内温度并提高洞内空气质量，应当进行再生能量吸收的相关技术系统研究并在地铁工程中使用成熟的再生能量回收装置。
关键词：城市轨道交通；再生；吸收；技术方案

1 引言
在城市轨道交通工程中，直-交变压变频的传动方式已经普遍采用。车辆在运行过程中， 由于站间距一般较短， 列车起制动频繁， 因此要求起动加速度和制动减速度大，制动平稳并具有良好的起动和制动性能。从能量相互转换的角度看， 制动能量是相当可观的。虽然电动车组在其直流回路设有电阻耗能装置， 但是受机车空间所限， 不可能设置足以完全吸收这部分动能的装置，剩余能量只能由机械制动补充。由于轨道交通整流设备采用的是二极管整流器，只能单向供电。当列车制动时， 再生回馈能量通过机车变频装置向直流电网充电，使直流电网电压升高，当直流电压大于整流器输出电压时， 二极管整流器被反向阻断。由于地铁系统的特点是区间距离短、列车运行密度高， 这样列车在全线运行过程中必将有频繁的启动、制动过程。根据经验，地铁再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的30%甚至更多。而这些再生能量除了按一定比例（一般为20%～80%， 根据列车运行密度和区间距离的不同而异） 被其它相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。据考察北京地铁750 V 直流供电电压在机车进站制动时可能升到1 000 V 以上，这是由于列车再生制动能量在直流电网上不能被相邻列车完全吸收造成的。当列车发车密度较低时，再生能量被其它车辆吸收的概率将大大降低。有资料表明，当列车发车的间隔大于10 min 时，再生制动能量被吸收的概率几乎为零，这样，绝大部分制动能量将被车辆吸收电阻所吸收， 变成热能并向四外散发。由于列车的制动主要发生在运行过程中，如果再生能量由车辆吸收电阻吸收， 必将带来隧道和站台内的温升问题， 同时也增加了站内环控系统的负担，造成大量的能源浪费并使地铁的建设费用和运行费用增加。在国内的部分地铁线路（如北京地铁） 上已经反映出温升问题相当严重。因此， 对再生能量吸收的相关技术进行系统研究并在地铁工程中使用成熟的再生能量回收装置，将会降低隧道洞体和车站内温度并改善洞内空气质量。同时， 合理的配置再生能量回收装置还能减少车载设备（车辆制动电阻），减少车辆的运营维护工作量，降低车辆成本，减少车辆自重，从而降低列车能耗， 提高车辆加减速性能， 并有可能在一定程度上降低电机的配置容量。
目前，我国在城市轨道交通中应用再生能量回收技术尚属起步阶段， 可借鉴加拿大、日本等国的成功经验。若在国内城市轨道交通系统中广泛应用此项技术，必将产生巨大的社会和经济效益。
2 可采用的相关技术
轨道交通车辆所采用的电制动方式一般包括再生制动和电阻制动两种方式，再生制动的最大优点是节能，但再生电能并不是都能被其它牵引车辆吸收，剩余部分则消耗在车辆制动电阻上并转变为热能散发到空气中。车辆采用电阻制动方式吸收电能比较稳定， 但制动能量消耗在电阻上， 既不能加以利用，又因在车辆上装设大容量制动电阻而导致车下设备的总体布置困难，车体重量和列车牵引耗电增加，同时还加大了对环境的污染。
为了减少制动能量在列车制动电阻上的耗散，抑制地铁隧道内温度的升高和减少车载设备，国外一般在牵引变电所的直流母线上设置再生制动能量吸收装置，所采用的吸收方案主要包括电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。当处于再生制动工况下的列车产生的制动电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备吸收时，线路上设置的再生制动能量吸收装置立即投入工作，吸收多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥电制动性能。如日本多摩、冲绳、东京、大阪的轻轨和地铁线路， 加拿大多伦多轻轨及意大利米兰3 号线等地铁均采用了再生制动能量吸收装置。
电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要采用多相IGBT 斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比， 从而改变吸收功率， 将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。该吸收装置的电气系统主要由IGBT 斩波器、吸收电阻、续流二极管、滤波装置（滤波电容和滤波电抗器）、直流快速断路器、电动隔离开关、避雷器、电磁接触器、传感器和微机控制单元等组成。该装置的优点是控制简单， 其主要缺点是再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用；而且电阻散热也导致环境温度上升，因此当该装置设置在地下变电所内时， 电阻柜需单独放置， 而且该房间需采取措施保证有足够的通风量，需要相应的通风动力装置，也增加了相应的电能消耗。
电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸收装置主要采用IGBT 逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组或飞轮电机中，当供电区间内有列车起动或加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。该类吸收装置的电气系统主要包括储能电容器组或飞轮电机、IGBT 斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等。该装置充分利用了列车再生制动能量， 节能效果好， 并可减少列车制动电阻的容量。其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，因此应用实例较少。
逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器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。当再生制动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。该吸收装置的电气系统主要包括晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流快速断路器、电动隔离开关、直流电压变换器和调节控制柜等。该装置充分利用了列车再生制动能量， 提高了再生能量的利用率， 节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量。其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，又不要配置吸收电阻，因此对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用此方案。
3 技术方案的研究与比较
3.1 有关系统的仿真模拟计算
仿真模拟是较为先进的研究方法之一，事实证明，这样的研究方法是可取的、科学的、可靠的。许多重大项目都要经过各种仿真模拟计算后才能够进入实施阶段，开发研究阶段的有关模拟分析参数的选择和确定将有可能影响到整个工程的方案决策、运行效果以及工程投资和系统的经济合理性。因此，在项目的设计阶段进行大量的、准确的仿真模拟是非常必要的。多年来中铁电气化勘测设计研究院已经在各条城市轨道交通的供电系统设计中多次运用这种方法。因此， 为了得到更为准确可靠的研究结果，在本课题的研究过程中对相关的系统进行了大量的模拟分析与比较。所应用到的主要模拟技术和分析流程见图1。

3.1.1 列车运行模拟
列车运行的模拟仿真是整个方案研究最基础的数据平台和依据，它的正确性和科学性将直接影响后续模拟计算的准确性和方案的可靠性。因此必须对与此相关的各个系统进行充分调查、分析与研究。主要包括车辆特性、车辆阻力、车辆运行工况的分析与研究，线路资料和有关运营资料的分析与整理，从而获得准确的全线列车运行数据。
3.1.2 不同运行图模拟
一般来说，在固定的列车追踪间隔运行状态下，列车的牵引用电负荷反映到牵引变电所是相对持续稳定的，不会因运行图上下行铺画的时间交错产生较大的波动变化。因此， 中铁电气化勘测设计研究院一般在设计牵引供电系统方案和容量的时候，只需对典型的高峰小时运行图进行模拟就可以满足要求。而再生能量回馈电流则是短时的、不稳定的，由于其他列车的运行状态直接影响到再生电流的吸收比例，所以在作回馈电流的模拟分析时，应该充分考虑运行图上下行铺画的不同时间交错情况下的回馈电流特性。在进行运行图模拟时，增加了以追踪间隔为周期，以2 s 为步长的多图模拟模型，为下一步的供电系统模拟提供更具广泛性的数据基础。
3.1.3 供电系统模拟
供电系统模拟是基于全线牵引供电网络数学模型之上，根据有限元分析的基本思想对全线网络模型进行一定间隔的切割，并对各个切割断面进行数据抽象，同时根据运行图数据对全线列车的运行状态扫描后进行全线的牵引供电网络分析，从而计算出供电网络各个切割断面的瞬态电气参数，并进行统计输出。本文在原有的模拟模型基础上， 加入了电能回馈吸收装置的简化数学模型（见图2）， 使模拟的数据结果更加准确，为回馈吸收系统方案的建立和容量的选择提供可靠的依据。由于在进行系统模拟分析的过程中，主要研究目标为能量的流动过程， 因此为了简化算法，提高运行速度，将回馈装置在数学模型上简化为可调电阻，设定回馈装置的电压投入条件，通过调节可调电阻的大小来适应回馈功率的变化。通过各种运营状态下的模拟分析、统计，获得回馈功率的变化特点。

图2 回馈吸收装置的简化模型示意图
3.2 仿真模拟结果分析
考虑到再生回馈电能的负荷特点（短时性和随机性），对不同运行阶段的列车运行、不同运行图和供电网络进行大量的模拟分析和比较。以某牵引变电所为例的图3 可以看出，在相同的列车运行追踪密度下，再生回馈功率因不同的运行图铺画而差异很大。而在未来的实际运行中， 运行图可能会出现各种随机性变化。

图3 某变电所远期高峰小时-平均回馈功率曲线
3.3 再生吸收装置的分布方案与容量选择
因为当前没有相应设计原则可依照，根据再生回馈负荷的特点、大量模拟计算和数据分析并考虑到大部分再生电流回馈冲击都在20 s 以内，所以可认为各变电所回馈装置的容量是按照以下原则确定：（1）按照不同运营条件、不同运行图下的20 s 平均最大负荷确定；（2） 用不同运营条件、不同运行图下的短时最大负荷进行容量校核。
3.4 再生回馈／吸收电能的统计分析
通过对某地铁线路的模拟计算和统计分析，在不同追踪间隔条件下，全线的不同运行图平均回馈功率统计。在各种追踪间隔条件下的不同运行图平均回馈功率波动曲线见图4。在不同追踪间隔的条件下， 不同运行图的平均回馈功率波动不大， 回馈功率的大小与追踪间隔没有直接的关系。因此认为可以对各种运行条件下的回馈功率进行平均并作为全线全天回馈能量统计的基础。

图4 不同追踪间隔下的回馈功率波动曲线
按照每年365 天，每天运营时间18 h 计算，某地铁全线全年回馈吸收电能总量为ERe。ERe=365×18×1 331=8 744 670（kW·h）。
4 经济技术效果
通过以上对某地铁线路的技术分析，按照每度电价0.5 元计算，每年仅节省电费就达到470 万元。全线牵引所的回收装置设备费暂按照飞轮储能装置估计约4 000 万元。这样仅从供电系统的角度考虑，预计8～10 年就能够收回全部设备费用。另外，再生能量回收装置的安装将对地铁其他系统带来巨大的社会和经济效益，比如：大大降低隧道温升，从而降低隧道通风设备容量和相关投资；减少列车制动电阻容量， 从而使车体更轻、更节能、成本更低。由于篇幅所限， 本文不再对其他系统进行详细分析比较。