城市轨道交通牵引供电系统再生能量吸收技术的发展与选择

李志慧

(天津铁道职业技术学院， 300240， 天津//高级工程师)

在城市轨道交通牵引供电系统中设置再生能量吸收装置，可对列车制动所产生的再生能量进行吸收、储存和再利用。这已成为城市轨道交通节能技术发展的方向。

再生能量吸收装置一般可设置在牵引变电所的直流母线上。再生能量吸收装置可划分为耗能型(电阻耗能型)、储能型(电容储能型、飞轮储能型)和馈能型(低压逆变+电阻耗能型、中压逆变型)。当列车制动产生的能量不能完全被用电设备吸收时，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，使车辆再生制动持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。

在国外，日本多摩、冲绳、东京及大阪等城市的轻轨和地铁线路，加拿大多伦多轻轨及意大利米兰地铁3号线等线路均采用了再生能量吸收装置。

在国内，北京首都机场线，北京地铁5、6、7、8、9、14、15、16号线，重庆轻轨线，天津地铁1号线，郑州地铁1号线，长沙地铁1号线等线路已采用了再生能量吸收装置。北京、广州、长沙、厦门、郑州、南宁、昆明、乌鲁木齐、苏州、宁波和徐州等城市的新建地铁工程均已将中压逆变回馈技术作为再生能量吸收的首选方案。

1 各类型再生能量吸收装置比较

电阻耗能型装置具有控制简单、价格低廉、工作稳定可靠的优点。但是由于再生能量不能被利用，极大降低了能量综合使用效率，已基本被淘汰。

电容储能型装置的技术发展迅速。国内已生产出具有快速充放电功能的超级电容器。其寿命相对较长(可达到10 a以上)，节能效果好，基本能够满足城市轨道交通再生能量吸收的需要。目前，部分厂商已有产品进行挂网试验。但该装置的投资高，性价比不高。

飞轮储能型装置单体容量较小，投资过高，且目前无DC 1 500 V产品，故不建议使用。

由于城市轨道交通的再生能量大，低压逆变馈能型装置不能将再生能量充分利用，需要加装电阻耗能型装置，目前已不推荐使用。

中压逆变馈能型装置在国内正处于发展高峰期。从北京、长沙等城市的地铁线路的实际运营效果来看，该类装置性能稳定且节能效果良好。在2014年之后，国内很多城市的新建城市轨道交通工程开始重点关注中压逆变馈能装置，并将其作为再生能量吸收的首选方案。在城市轨道交通牵引供电系统中，各类再生能量吸收装置的比较见表1。

表1 各类再生能量吸收装置的技术经济比较

综上所述，储能型装置和中压逆变馈能型代表了城市轨道交通再生能量吸收利用技术的发展方向。目前，国内中压逆变馈能装置的技术及设备制造工艺成熟，且应用效果良好。电容储能装置和飞轮储能装置仍需进行技术研发、工程实施和运行验证，并结合运营实测数据进行完善。因此，目前，城市轨道交通牵引供电系统以采用中压逆变馈能装置为主流方向。

2 技术经济效益实例分析

2.1 中压逆变馈能装置的构成及其工作原理

中压逆变馈能型再生能量吸收装置的主要元器件为大功率三相逆变器。该逆变器的直流侧与牵引变电所中的直流母线相联，交流进线接到交流电网上。当再生制动馈能使直流电压超过定值时，逆变器启动，并从直流母线吸收再生电能，将再生直流电流逆变成工频交流电回馈至交流电网。中压逆变馈能装置的工作原理示意图如图1所示。

2.2 北京地铁14号线东段牵引供电系统

北京地铁14号线东段牵引供电系统采用10 kV开闭所供电方式，共设置了7座牵引变电所。牵引网采用DC 1 500 V接触网供电，直流侧空载电压为DC 1 664 V，直流系统长期工作电压波动范围为DC 1 000～1 800 V。根据仿真计算结果，整个东段工程7个牵引变电所各设置了1台2 MW的中压逆变型馈能装置。

北京地铁14号线东段再生馈能装置电路图见图2。中压馈能变压器(NTr)、 馈能直流柜(NAK)及馈能逆变柜(NNB)组成1个24脉波回馈装置，与10 kV开关柜、DC 1 500 V开关柜及负极隔离开关柜共同构成再生能量利用装置。其中，馈能变压器、馈能低压柜及逆变柜为再生能量利用装置的核心设备。10 kV开关柜、1 500 V开关柜及负极隔离开关柜为交直流电网的接口，起保护和方便维修的作用。

图1 中压逆变馈能型能量吸收装置的原理图

图2 北京地铁14号线中压馈能装置电路示意图

2.3 再生馈能装置吸收电能统计

对北京地铁14号线东段再生馈能装置回收电能进行统计。2015年1—3月，按车站统计的再生馈能装置日均馈能如表2所示。

表2 北京地铁14号线东段2015年1—3月再生馈能装置馈能统计 kWh

由牵引变电所记录，2015年1—3月，北京地铁14号线东段工程投入中压逆变馈能型再生能量吸收装置后的回馈电量和牵引用电量数据见表3。由表3计算可得，平均节能率为14.29%，平均每座牵引变电所日节电约866.3 kWh。若地铁电价按0.75元/kWh考虑，则每座牵引变电所每年可节省电费约23.7万元，相应的装置成本回收期约为10.5 a。可见，中压逆变馈能型再生能量吸收装置的技术经济效益非常显著。

表3 北京地铁14号线东段中压逆变馈能型再生能量吸收装置工作情况表(2015年)

3 结语

中压逆变馈能型再生能量利用技术具有很好的节能效果，其技术及设备制造工艺已成熟，目前是城市轨道交通领域的主要节能技术。

[1] 陈哲.北京地铁10号线中压馈能型再生制动电能利用装置[J]. 现代城市轨道交通, 2015(1): 5.

[2] 王彦峥，苏鹏程. 城市轨道交通再生电能的吸收与利用分析[J].城市轨道交通研究, 2007(6): 42.

[3] 张云太. 利用车辆再生电能建设持续发展地铁[J]. 交通世界, 2011(16): 154.

[4] 陈琪，孙才勤，严长辉. 长沙地铁1号线双向变流型再生电能吸收装置网验证[J]. 电气化铁道, 2017(3): 21.

[5] 白青林. 北京地铁14号线中压馈能装置现场试验方案[J].科技与创新,2016(11)： 123.