双向变流型再生能量回馈系统的应用效益研究

张灵芝

双向变流型再生能量回馈系统的应用效益研究

张灵芝

城市轨道交通系统中再生制动能量回馈系统的推广应用将大大减少车辆采购成本和地铁运营成本、降低碳排放，从而推动我国城市轨道交通向绿色环保方向快速迈进。以双向变流型再生电能吸收利用系统为具体对象，研究该系统在城市轨道交通中的应用效果，以某地铁线路的具体线路条件参数为分析依据，分析该系统在具体线路中能获得的经济效益和社会效益。

城市轨道交通；再生制动；效益研究

随着城市轨道交通网络的快速发展，人们逐渐意识到轨道交通的效益和节能的重要性。城市轨道交通运营过程中必然需要频繁启动和制动，传统供电系统中列车制动时产生的能量都被浪费，再生制动能量若能加以合理利用必能产生良好的效益。目前，列车再生能量吸收装置主要包括电阻耗能型、储能型和逆变回馈型。电阻再生能量吸收装置能量消耗较大，目前新建地铁线路中很少采用。储能型再生能量吸收装置占地较大，设备难以采购，国内应用较少。逆变型再生能量吸收装置由于设备可控，效率较高，目前各新建地铁线路中主要采用逆变型。本文以逆变型新的解决方案——双向变流型再生电能吸收利用系统为具体对象，参考北京地铁14号线运行情况，以国内某新建地铁线路应用双向变流型再生电能利用系统运行时具体数据为分析条件，研究该系统在城市轨道交通中的应用效果。

1 系统介绍

双向变流型再生能量回馈系统的特点是为了尽量减少再生电能吸收利用装置对既有线路运行的影响，将该装置的整流/逆变通路与既有的牵引变电所整流通路分离，采用其整流/逆变支路与二极管整流牵引机组并列布置方式，再生电能吸收利用系统直流侧通过直流馈线柜和直流柜接直流牵引网，交流侧通过40.5 kV开关柜接站内35 kV母线，在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流电网。该系统能够抑制直流网压的大范围波动，减小直流电压纹波，提高供电质量，达到避免列车再生制动能量在能耗电阻上的白白消耗、节约电能的目的。

双向变流型再生电能吸收利用系统中的装置主要包括变压器、双向变流柜及直流柜。变压器低压侧4个绕组分别与双向变流柜的4重模块相连，而双向变流柜的直流负极引入直流柜，其直流正极直接引入直流1 500 V开关柜。其中直流柜完成双向变流型再生电能吸收利用装置与直流母线负极的隔离、滤波功能及网络通信等功能；双向变流柜则实现电能在直流侧与交流侧的双向流动，同时完成系统级功能、系统级保护等功能；变压器则将电压在高压与低压之间转换及隔离。系统结构图如图1所示。在仿真实验过程中，整套装置额定工况下输出功率因数大于0.98，额定工况下整套设备效率超过95%。

图1 双向变流型再生电能吸收利用装置系统结构框图

2 经济效益研究

城市轨道交通供电系统采用双向变流型再生电能吸收利用系统后，将对车辆、供电系统、通风空调系统的初期投资和长期运行成本产生非常明显的经济效益。为便于表述，本文分析中将双向变流型再生电能吸收利用系统的相关设备用再生能量回馈装置进行统称。

再生能量回馈装置的运行效果除了与本身装置的技术方案及其选型有关外，还与车辆参数以及整个供电系统的设计密切相关。在进行经济效益分析时，选取某地铁试验段线路参数为模板，分析选取的线路条件如下。

（1）线路长22.8 km，设10个牵引变电所。

（2）车辆采用由中国南车株洲电力机车厂生产的B型车，4动2拖，最高运行速度80 km/h，AW2工况下（牵引重量335 t）且不考虑辅助系统用电情况下运行能耗为0.047 25 kW・h/ (t・km)。

（3）按照某地铁运营规划，列车配备：初期（规划至2017年）14对/h，近期（规划至2024年）20对/h，远期（规划至2039年）26对/h，远景规划达到30对/h。线路按每日运行18 h计算。

2.1 对车辆投资及能耗优化分析

设置再生能量回馈装置对车辆的影响主要体现在初期投资成本和运行成本减少两方面。

2.1.1 减少车辆投资

该线路上设置再生能量回馈装置，取消车载制动电阻。每列车将减少4辆动车上的制动电阻及其控制设备的投资。根据目前的价格水平，每列车（4动2拖）将减少投资为60万～70万元，按最高预期计算，初期14对（28列）车将节约投资 1 960万元，到2024年增购6对（12列）时将再次节约投资840万元。

2.1.2 节约运行成本

运行成本节约体现在车辆减重带来的节能收益以及相应的电阻强迫通风设备节能收益。

车载制动电阻取消后整车减轻重量约为1.5 t，运营初期就会带来减重节约能耗131.65万kW・h/年，近期为169.87万kW・h/年，远期则达到210.92万kW・h/年。电费的综合单价取1.1元/（kW・h），减重节约能耗乘以电费单价则可得出节约运行成本，分别为：初期144.82万元/年，近期为186.86万元/年，远期则达到232.01万元/年。

此外，取消车载制动电阻，直接减少了列车在隧道内的发热，降低隧道内平均温升0.5～1 ℃，将减少车载通风的运行成本。参考北京地铁14号线的实际运行数据进行初步估算，隧道温度的降低可减少列车运行过程中车载通风成本15～25万元/年。初期在线运行车辆总数相对较少，节约车载通风运行成本取下限值15万元/年，近、远期在线运行车辆总数相对较多，节约车载通风运行成本取上限值25万元/年。

2.2 对牵引供电系统的能耗优化分析

设置再生能量回馈装置对牵引供电系统的影响主要体现在2个方面：一是增加了初期投资，主要是设备及其设备用房的初期投资；二是运行中利用再生能量回馈装置所节约的电能。2个结果相减就是采用再生能量回馈装置所实现的经济效益。

在本分析中，该线路共设置10座牵引降压混合变电所（其中正线8座，车辆段、停车场各1座）。目前再生能量回馈装置约为500万元/套，则10座牵引变电所设备增加投资5 000万元。牵引变电所设备用房总增加面积约为50 m2，地下建筑设施平均造价为1万元/m2，则10座牵引变电所设备用房增加投资500万元。每个牵引变电所能量回馈装置每年平均运行维护费用约为35万元。

参考北京地铁14号线已有运行数据，在取消车载电阻的情况下，发现列车再生制动能量占牵引能耗40%～80%，在投运初期或行车对数较少时，甚至超过80%，远期由于运行成本上升和设备老化，效率较低，综合节能率为40%左右。而同样条件下，采用电阻再生制动能量占牵引能耗的比率一般为35%～58%。

对照北京地铁14号线运行数据，分析该地铁线路采用回馈式再生电能利用装置从5月16日到7月8日进行了54天的实际测试，结果显示，在测试期间，该地铁线路全线日平均总回馈电能31 269 kW·h，全线日平均牵引能耗38 771 kW·h，回馈电能占牵引能耗比例80.65%，符合线路运营初期的预计目标。

参考北京地铁用电取费标准，采用1.1元/（kW・h）的单价，如果所有电能均被地铁设备消耗，则全线每个月（按30天计）节约电费高达103.19万元，1年（365天）节约电费1 255.45万元。当然这只是初期取较高值时测算。在本分析中，列车再生制动能量占牵引能耗的比率按照初期80%、近期60%、远期40%来取值。牵引变电所设置能量回馈装置对牵引供电系统影响的经济分析详见表1。

表1 设置再生能量回馈装置对牵引供电系统影响的经济分析

2.3 投资回收期分析

再生能量回馈装置与常规的供电系统设备一样，其使用寿命为30年，综合考虑牵引变电所能量回馈装置自身及其对车辆、土建投资和车站环控系统初期投资和运行成本影响，采用再生能量回馈装置增加的投资包括设备投资5 000万元和设备用房土建投资500万元，共5 500万元，减去车载电阻投资1 960万元后，实际增加了3 540万元。按2.1.2节及表1中运行初期阶段计算结果可知，取消车载制动电阻后，每年由于车辆减重节约运行成本144.82万元，因取消车载制动电阻减少了列车在隧道内发热，每年节约车载通风空调运行成本15万元，牵引变电所设置能量回馈装置每年可节约牵引供电系统运行成本905.45万元，这3项每年共节约运行成本1 065.27万元。因此，按此计算得出，安装再生能量回馈装置，在设备运行的初期阶段4年内就能够收回投资成本并有收益，整个全生命周期30年内的投资收益可观，经济效益显著。

3 社会效益研究

节能环保、可持续发展要求城轨建设引入新的绿色节能产品，以便促使城市轨道交通良性发展。然而，目前我国地铁、轻轨的车辆再生制动产生的能量除了一定比例被其他相邻运行的列车吸收利用外，剩余部分主要被装在列车上的吸收电阻或被装设在地面上的吸收装置以发热的方式消耗掉，使得隧道和站内的环境温度升高，增加了环控系统的工作负荷，这不仅浪费能量，而且也增加了站内空调通风装置的负担，并使城轨建设费用和运行费用增加。再生制动能量回馈产品的推广应用将大大减少车辆采购成本和地铁运营成本，降低碳排放，从而推动我国城市轨道交通朝绿色环保方向快速迈进。

从城市轨道交通供电系统技术发展来看，国外已有多家公司在城轨供电系统进行了类似项目的研究，而且取得了一些成功业绩，但其核心技术仍为国外公司所持有。对于地铁建设和运营单位而言，全部设备进口既不符合国家的产业政策，也与其尽快回收投资成本的想法相矛盾，同时国外产品昂贵的配件价格和售后服务费用也使其成为运营单位负担。双向变流型再生能量回馈系统的研发和推广正是解决这一局面的有效手段之一，该系统由株洲南车时代电气股份有限公司研发并已获得专利，目前该系统已经在北京地铁14号线和长沙地铁2号线采用。因此，双向变流型再生能量回馈系统的推广将极大提升我国城市轨道交通供用电系统能量利用和管理水平，同时形成符合我国国情的、具有完全自主知识产权的城轨直流供电系统新型再生制动回馈节能技术体系，推进我国城轨交通的技术进步和可持续发展。

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责任编辑 冒一平

Study on Cost Effectiveness of Application of Two Way Variable Flow Regeneration Energy Feedback System

Zhang Lingzhi

Taking the two way variable flow regeneration energy feedback system as focus, the paper studies the cost effectiveness of application of the system in urban rail transit. The economic and social benefi ts of the system can be obtained by using the parameters of specifi c track conditions of a metro line.

transit, regenerative braking, cost effective study

U231.8∶U260.35+9

2015-05-25

张灵芝：湖南铁路科技职业技术学院电子电气系，讲师，湖南株洲 412000

湖南省教育厅科学研究项目（12C1144）