地铁牵引供电系统再生能量方案分析

摘 要：文章介绍了目前国内地铁牵引供电系统再生能量装置采用的主要技术方案，分析了各种方案的优缺点；新建对地铁线路的再生能量方案提出了建议。

关键词：地铁牵引；供电系统；再生能量

引言

近年来，我国城市轨道交通发展迅速。目前国内轨道交通车辆普遍采用先进的VVVF调速技术，地铁车辆在运行过程中，由于站间距一般较短，车辆启制动性能较高，从能量相互转换的角度来看，制动能量是相当可观的。但是，在采用电阻耗散方案的再生能量系统中，多余的能源被电阻消耗掉，不但不能节能，反而增加了城市轨道交通线路通风散热系统的负担，因此研究城市轨道交通再生制动能量利用技术，提高再生制动能量利用率，对节能减排和可持续发展具有很重要的意义和实用价值。

1 地铁牵引供电系统组成

在地铁牵引供电系统中，电能从10kV（或35kV）交流母线经牵引降压变压所、馈电线、接触网输送给轨道交通车辆，产生的电流从轨道交通车辆行驶的钢轨和回流线流回变电所。由馈电线、接触网、钢轨和回流线组成的供电网络称为牵引网。

地铁牵引供电系统由牵引降压变电所和牵引网组成，其中牵引降压变电所和接触网是牵引供电系统的主要组成部分。地铁牵引供电系统组成如图1所示。

图1 地铁牵引供电系统示意图

地铁车辆的制动方式为电制动（再生制动）和空气制动，运行中以电制动为主，空气制动为辅。根据经验，地铁再生制动产生的能量除了一定比例（一般为20%～80%）被其他相邻列车吸收利用外，剩余部分将主要被列车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。当列车发车密度较低时，再生能量被其他车辆吸收的概率将大大降低。

2 天津地铁1号线再生能方案

天津地铁1号线为改善既有线西站至新华路早期建设区段的隧道温度，刘园至双林全线采用电阻耗能型再生能量吸收装置。其主要工作原理是：当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。该方案的示意图2所示。

图2 电阻能耗型方案示意图

该方案的优点：控制简单和直观，可以取消（或减少）列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能；能够降低隧道温度、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗和闸瓦制动粉尘、净化隧道环境，而且国内有比较成熟产品制造，价格较低。

该方案的缺点：该装置设置在地下变电所内，再生制动能量在吸收电阻上集中发热消耗，导致放置电阻柜的设备房间环境温度上升，还需采取措施保证足够的通风量。该装置在1号线使用过程中并没有将再生能量进行有效利用，未达到节能效果。制动电阻柜放置在地面上与风亭合建或者做成护栏形式，虽然能够保证热量的及时发散，但是涉及拆迁、环评、规划等事宜，难度较大。从节能的角度，电阻能耗型设备不代表再生能量吸收技术的发展方向。

3 低压逆变方案（逆变至400V）

能馈式再生制动能量吸收方式是通过逆变装置将能量回馈至交流电网供其它用电设备使用，可以节约机车制动电阻，减少地铁洞体温升并减少通风设备的能耗，是节约能源的一种再生制动能量吸收利用方式，这里的交流电网可以是低压400V母线，也可以是变电所10kV（或35kV）交流电网。低压逆变方案的原理如下图所示。

图3 低压逆变方案示意图

该方案的优点：根据国内已正常通车的线路运营效果可以看出逆变装置与电阻装置间吸收能量之比约8：2，电阻装置发热量将明显降低，可选用2面电阻柜，比电阻耗能型制动电阻装置减少一面电阻柜。

该方案的缺点：受制于逆变电压等级（0.4kV）与IGBT元器件生产工艺，目前低压逆变装置750V系统最大容量650kW，1500V系统最大容量为1200kW，因此低压逆变方案仍需配备2面电阻柜，系统结构复杂。低压逆变方案在国内多条地铁线路里采用，如重庆1号线一期、重庆轻轨3号线、重庆地铁6号线一期、北京9号线等。

2007年底，天津地铁1号线对低压逆变方案进行了挂网运行试验，逆变装置运行比较平稳，但从回馈的电度表上显示的吸收电量不理想，未能全线推广应用。

4 中压逆变回馈型方案

中压逆变回馈型再生制动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，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。中压逆变型装置目前基本功率单元为1000kW，若设备容量需求高于1000kW，可采取并联模块的方式来实现。因此，中压逆变装置通常不设置电阻。

中压能馈型再生制动装置目前已在北京地铁10号线二期工程等线路示范应用，运营情况良好且节能效果顯著。

该方案的优点：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；其能量直接回馈到中压环网不需要配置储能元件；对环境温度影响小，适合大功率室内安装的情况。

该方案的缺点：该方案已在国内个别城市的线路中挂网运行，但是缺少长期运营维护经验。

5 新线建设中再生能量系统方案的建议

电阻耗能型再生能量消耗装置技术已成熟，在国内也有大量运行经验，但其没有节能效果，不推荐采用。

中压能馈型装置代表了再生电能利用技术的最新发展方向，目前在北京地铁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节能效果良好，推荐采用。

参考文献

[1]王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生能量回收技术方案的研究[J].电气化铁道，2004（2）：37-39.

[2]孙延焕.再生制动吸收设备的应用介绍[J].电气化铁道，2005（3）：40-41.

[3]郑瞳炽，张明锐.城市轨道交通牵引供电系统[M].北京：中国铁道出版社， 2003.

作者简介：陈怀军，男，工程师，就职于天津市地下铁道运营有限公司