基于全寿命周期的地铁再生能量利用效益分析

曲尚开

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，710043，西安∥高级工程师)

节能减排为我国的基本国策。地铁在为市民提供便利交通的同时，也消耗着大量的电能资源。为节约能源，除加强管理、尽量减少能源消耗外，还应加强对地铁再生能源的利用。对地铁系统而言，车辆再生制动产生的反馈能量十分可观，这些再生能量除被列车自用电消耗一部分外，还有一定比例被其他相邻取流列车吸收利用，其余再生能量如果能被合理利用，其经济效益是相当可观的。

本文以西安某地铁线路为例，进行地铁再生能量效益分析。该地铁线线路全长35.2 km，均为地下线路，共设车站28座。正线设置13座牵引变电所，车辆段和停车场分别设置1座牵引变电所。接触网采用DC 1 500 V架空刚性悬挂方式。

1 再生能量与列车运行的关系

1.1 地铁列车制动过程

当列车进站前开始制动时，列车停止从接触网受电，牵引电动机转变为发电机工况，将列车惯性运行的动能转换为电能，发电机制动力使列车减速，此时列车向接触网反馈电能(如图1所示)。若邻近无列车吸收再生能量，会造成接触网电压升高，在使用车载电阻情况下，控制回路自动接通制动电阻消耗回路，以降低网压。制动电阻安装在车体底架上的牵引逆变箱外，制动电阻由不会被磁化的镍铬合金制成。在使用电阻制动时会产生大量的热量，制动电阻通过一个1 500 W三相风机进行强迫风冷。

图1 再生制动过程示意图

1.2 再生能量与列车运行的关系

为比较准确地论证再生能量消耗过程，结合西安某地铁线路，对再生能量与列车行车追踪间隔关系、再生能量大小等问题进行分析。该线路采用B型车，最高运营速度80 km/h，编组形式为4动2拖。当列车实施电制动时，有反向电流向接触网馈出。利用列车仿真软件模拟该线路列车运行情况(以1个区间为例)，仿真列车运行工况～速度曲线见图2。

图2 列车运行工况与速度曲线

由图2可知，列车开始制动的初始速度一般在60～70 km/h，计算时取中间值65 km/h。查阅机车牵引电机制动电流曲线可知，这一速度对应的制动电流为3 600 A。根据列车运行仿真结果，本线旅行速度为41 km/h。该线路正线均为地下线路，按刚性悬挂接触网计算，其接触网阻抗为0.014 3 Ω/km;正线按60 kg钢轨考虑，其阻抗为0.028 Ω/km。

根据供电仿真计算结果，列车正常运行时，接触网平均电压为1 450 V左右，一般列车由再生制动转入电阻制动的网压为1 800 V，两者差值为350 V。若要再生能量不被自身车载电阻消耗，列车的邻近必须要有其他列车取流，并且其所处位置应在由再生电流产生接触网纵向压降不超过350 V的位置;若超出此范围，则因制动列车附近无取流列车拉低电压，再生制动则转入电阻消耗能量的制动状态。

根据以上数据，可以计算出，当列车开始制动时，保证临近有运行列车吸收再生能量的交路，该交路排布需满足的最大追踪间隔为:

式中:

U差——电压差;

Z网——接触网电阻;

v旅——列车的旅行速度。

也就是说，在理想情况下，若列车行车追踪间隔大于9.95 min，列车制动所产生的再生能量将无法被临近运行的列车吸收，只能接通制动电阻进行消耗。该线路初期的列车行车追踪间隔为5 min，近期的追踪间隔为4 min，远期的追踪间隔为4 min。根据追踪间隔推算，在理想状态下，列车运行中所产生的再生制动能量能够被临近的列车吸收，但地铁线路区间长短不一，最理想的运行图并不易得到，实际吸收效果达不到理论计算结果。

2 再生能量利用分析

在地铁线路的运营初期，列车再生能量被本线其它列车吸收的概率是相当可观的。但在地铁线路的试运营期间，由于行车密度比较稀疏，追踪间隔一般在10 min以上，列车再生能量基本要靠电阻消耗。以下对各运营期间电阻消耗电量的情况进行分析。

2.1 试运营期间电阻消耗电量及折算电费

根据列车仿真计算结果，该线路1列列车上下行方向耗电量为1 826 kWh，再生制动能量为585 kWh，再生制动能量约占牵引耗电量的31%。假设试运营期间列车全天运行10 h，列车追踪间隔为12 min，全日发车量为50对列车。由于试运营期间列车的追踪间隔远大于9.95 min，可以认为列车的再生制动能量全部需要车载电阻消耗，因此全年电阻消耗的电量为:Q=N×Q电阻×365=10 676 250 kWh(N为列车对数;Q电阻为电阻消耗的电量)。若按电费收取标准1 kWh为0.7元计算，其全年消耗电的费用为7 473 375元。

2.2 初、近、远期电阻消耗电量及折算电费

根据广州、上海等地的实际测试数据，在追踪间隔相对紧密的情况下，制动电阻所消耗的能量约占整个再生制动能量的4% ～8%，取中间值6%，可计算得出消耗在制动电阻上的能量约为35 kWh。根据该线路的行车资料，运营初期全日发车量为150对，全年电阻消耗电量为:Q=N×Q电阻×365=1 916 250 kWh。若按电费收取标准1 kWh为0.7元计算，则初期全年消耗电的费用为1 341 375元。运营近期全日发车量为204对，全年电阻消耗的电量为:Q=N×Q电阻×365=2 606 100 kWh。运营近期全年消耗的电的费用为1 824 270元。运营远期全日发车量为246对，全年电阻消耗的电量为:Q=N×Q电阻×365=2 555 000 kWh。运营远期全年电阻消耗电费为1 788 500元。

2.3 车载制动电阻和散热风机的辅助能耗及折算电费

每辆动车自重约35 t，拖车自重约30 t，按额定载客1 440人，每人60 kg计算，一列车在额定载客情况下的总重约为286 t。结合前述1列列车上下行耗电量可计算得出:列车单趟上下行折返消耗能量约为7 kWh/t。

每辆动车安装有1组制动电阻及相应的轴流冷却风机，其质量约为400 kg，4辆动车相应的制动电阻设备质量约为1.6 t，据此可计算出由制动电阻设备引起的牵引能耗为10 kWh。结合全日行车对数可计算出相应的年耗电量。车载电阻大都采用强迫风冷，风机功率约1.4 kW。根据该线路牵引模拟计算结果，单列车上下行1个折返投入制动电阻消耗的累积时间约15 min，可以认为与风机运行时间相同。这样，可计算得出各运营期间因车载电阻质量及风机所增加的电耗及费用(见表1)。

表1 各运营期间由车载电阻所引起的费用

2.4 车载制动电阻购置费用

每辆动车的电阻器及其斩波控制器的费用约为15万元，每列车按4动2拖计算，若列车取消车载制动电阻，则每列车可节约采购费用约为60万元。具体按各运营期间根据行车配属列车数量计算，可节约列车采购费用见表2。

表2 取消车载制动电阻可减少的列车购置费用

2.5 再生利用装置采购费用

目前再生能量利用装置形式主要有混合逆变型、电容储能型、飞轮储能型、蓄电池储能型等形式。就国内产品而言，混合逆变型产品已在某些城市地铁线路采用，技术相对较成熟，故本文以混合逆变型为例进行投资分析。该线路共设置15座牵引变电所，按每座牵引变电所均设置再生利用装置考虑，其投资费用见表3。

表3 再生利用装置采购费用

2.6 牵引变电所设置再生利用装置所增加的房屋建筑费用

牵引变电所安装混合逆变型再生装置，需增加约70 m2的面积安装相关设备，由此引起的土建费用见表4。

表4 牵引所设置再生利用装置所增加的房屋建筑费用

2.7 环控投资影响

若将混合逆变装置中的电阻设置于地面，虽在一定程度上可以降低环控投资，但电阻所散发的热量、强迫风冷风机所产生的噪声，将对周边居住人群产生不良影响，故而按设置于牵引变电所内部考虑。无论采用车载还是在牵引变电所设置混合逆变装置，均有电阻发热。车载电阻造成隧道内温度升高，而混合逆变型设备将造成牵引变电所设备房屋温度升高，均需增加适当的环控设备，或者提高其容量。并且相应的这部分环控设备需要消耗电能，综合考虑其费用见表5。由表5可以看出，两种方式对环控系统而言，费用基本相当。

表5 环控费用

3 全寿命周期费用比较

按一般电气设备寿命计算，车载电阻、环控设备、混合逆变装置寿命均按25年考虑，则设备安装至近期运行年度结束正好为25年，此期间设备不用更换。地铁工程为百年工程，假设其使用期限为100年，进入远期运营后，将有75年的运营时间，此期间设备需更换3次。混合逆变装置出于保护逆变电子器件的目的，其控制对短时大功率回馈电流接通电阻消耗，据统计，逆变转换能量能达到再生回馈能量的70%。综合考虑这些因素，综合投资及效益比较见表6。

表6 不同再生能量转换方式下全寿命周期投资效益表

从表6的数据可以看出:若采用牵引所内设置混合逆变装置的方式，至初期运营结束，其投资效益还未体现出来;但从近期开始，其投资效益明显体现;至近期运营结束，相对车载制动电阻的方式，可产生7 894万元的效益;至整个工程结束时，可产生79 693万元经济效益。

4 结语

在牵引变电所安装再生能量利用装置、取消车载制动电阻的运营方式，从初期投资来看，增加了地铁建设的投资，但从地铁工程全寿命周期成本的角度来看，其效益是非常显著的。

［1］陈穗九.地铁列车制动电阻设置的探讨［J］.都市快轨交通，2009，22(2):47.

［2］杨峰.地铁车辆制动系统浅析［J］.现代城市轨道交通，2009(4):29.

［3］刘宝林.地铁列车能耗分析［J］.电力机车与城轨车辆，2007，30(4):65.

［4］连鹏飞.深圳地铁2号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究［J］.铁道工程学报，2007(6):85.

［5］湘潭市恒信电气有限公司.HXXS－NB/380V型电阻－逆变混合再生制动吸收装置介绍［R］.湘潭:湘潭市恒信电气有限公司，2007.

［6］曾建军，林知明，张建德.地铁制动能量分析及再生技术研究［J］.电气化铁道，2006(6):33.

［7］韩豫，胡继军，查申森，等.变电站全寿命周期设计的理论及应用［J］.中国电力，2011，44(3):23.

［8］李娜，杨俭，方宇，等.城市轨道交通车辆制动能量回收系统的储能装置与辅助电源控制研究［J］.城市轨道交通，2011(2):64.