悬挂式单轨车辆再生能量特性研究

许龙

摘 要：悬挂式单轨工程由于车辆不设置车载电阻，其制动时产生的再生能量依靠设置于变电所的再生能量吸收装置吸收。目前国内悬挂式单轨工程供电系统再生能量吸收装置的设计方案，大多照搬地铁或有轨电车惯用做法，并未对该制式的再生能量特性进行细化研究。文章以国内某城市实际工程为研究对象，建立单列车和不同行车密度运行时仿真模型，研究各牵引变电所再生能量吸收装置吸收峰值功率、能量值、吸收范围和吸收趋势，总结悬挂式单轨车辆再生能量特性，研究结论对悬挂式单轨工程再生能量吸收装置的选型及布置方案设计有一定的借鉴和指导意义。

关键词：悬挂式单轨;车辆;供电系统;再生能量;特性研究

中图分类号：U260.13

当轨道交通车辆制动时，如果线路上无其它牵引列车或牵引列车不足以全部吸收其产生的再生能量时，再生能量将向直流电网充电。而变电所内整流设备的二极管整流器被反向阻断，再生能量向直流电网的充电将导致直流电网电压升高[1-3]。为了吸收这部分再生能量，大部分城市轨道交通车辆都采用车载电阻方式[4-5]。而悬挂式单轨车辆由于车体重量、车载设备空间等因素的限制，取消了车载电阻的设置，因此其制动时所产生的再生能量必须依靠牵引变电所设置的再生能量吸收装置进行吸收[6-7]。由于悬挂式单轨系统在国内尚处于起步发展阶段，其供电系统设计相关研究较少，涉及到再生能量吸收装置的设计大多照搬地铁或有轨电车惯用做法，缺乏对其再生能量特性的深入研究。

本文基于车辆建模及仿真计算，对悬挂式单轨工程车辆制动时产生的再生能量特性进行分析研究，以期对悬挂式单轨工程再生能量吸收装置的选型及布置方案设计有一定的借鉴和指导意义。

1 车辆建模参数

本文以3编组悬挂式单轨列车为例进行仿真建模。其车辆主要参数如下。

（1）采用轨道梁内部刚性接触轨供电，负极回流轨回流。

（2）车辆额定电压为DC 750 V，电压波动范围为500～900V。

（3）车辆设计最高速度为80 km/h。

（4）车辆重量参数见表1。

（5）车辆阻力Fw为Fw = [（13.0 + 0.0425V）×W + 0.0022V 2]×9.8×10-3 ×α

（1）式（1）中，Fw為列车基本阻力，kN;W为列车总重量，t;V为列车速度，km/h;α为阻力系数（ 牵引时取1.0，制动时取0.8）。

（6）车辆牵引力/制动力特性曲线如图1所示。

（7）车辆牵引/制动取流特性曲线如图2所示。

2 仿真实例工程设置

本文将国内某城市实际工程作为本次仿真研究的对象工程。仿真线路全长13.257km，设站13 座，平均站间距1.105km。全线设牵引变电所7座，平均所间距2.21km。仿真工程车站及牵引变电所设置方案如表2所示。牵引整流机组空载电压为DC825V，再生能量吸收装置投入电压设置为DC850V。本次仿真在全线各个牵引变电所均设置再生能量吸收装置。

3 单列车运行仿真

基于上述仿真设置参数，利用SINANET供电系统仿真软件进行仿真。首先对线路上单列车运行情况进行仿真。

3.1 再生能量吸收装置吸收峰值功率及能量值

当线路上只有单列车运行时，车辆所产生的再生能量完全依靠牵引变电所内再生能量吸收装置进行吸收。全线各个牵引变电所的再生能量吸收装置吸收能量及峰值功率仿真数据如表3所示。

由表3仿真数据可以看出，全线各牵引变电所再生能量吸收装置吸收的峰值功率相对比较平均，波动范围在490～550kW。各牵引变电所再生能量吸收装置所吸收的再生能量值总体呈现出线路中间牵引变电所再生能量吸收装置吸收多，线路两端牵引变电所再生能量吸收装置吸收少的特点。

将悬挂式单轨车辆与常规的地铁及有轨电车关于再生能量相关数据进行对比（表4）[8-10]可知，地铁由于单车重量大，一般采用大编组形式，因此单列车制动时所产生的再生能量及峰值功率均较大;而悬挂式单轨车辆单车重量偏小，一般采用小编组形式，因此制动时所产生的再生能量峰值功率及能量值偏小，与相应编组的有轨电车相当。

3.2 再生能量吸收装置能量吸收范围

当车辆制动时，产生的再生能量主要由距离其最近的牵引变电所再生能量吸收装置吸收，剩余的能量将被一定范围内的相邻牵引变电所再生能量吸收装置吸收。以设置里程位于AK11+376的牵引变电所SS04为例，该牵引变电所的再生能量吸收装置吸收再生能量峰值功率与列车行驶里程关系如图3所示。

由图3可知，SS04牵引变电所内的再生能量吸收装置可对该牵引变电所里程约3 km范围内的再生能量进行不同程度的吸收，且列车在SS04牵引变电所里程制动时其再生能量吸收装置吸收峰值功率达到最大。

4 不同行车密度下的运行仿真

在各行车密度下（10对/h、15对/h、20对/h、30对/h），全线各个牵引变电所再生能量吸收装置吸收峰值功率曲线如图4所示，吸收能量曲线如图5所示，吸收峰值功率平均值及吸收能量平均值见表5。（注：在实际的运营组织中，悬挂式单轨工程高峰小时行车密度很难达到30对/h，该行车密度在本文仅作为仿真研究用） 。

由以上仿真结果可知，在15对/h行车密度下，各牵引变电所的再生能量吸收装置吸收能量及峰值功率达到最大;在20对/h及30对/h的行车密度下，其吸收能量及峰值功率均有不同程度的降低，甚至个别再生能量吸收装置出现未投入吸收的情况。这是因为随着行车密度的增加，列车制动时产生的再生能量直接被线路上临近的取流车辆吸收，不通过牵引变电所内再生能量吸收装置吸收。

5 再生能量特性通过对仿真计算结果进行分析总结，本文认为悬挂式单轨系统的车辆制动再生能量主要有如下特点。

（1）单列车制动所产生的再生能量峰值功率及能量值均较小。因此，在对悬挂式单轨工程再生能量吸收装置的选型设计中，应选择适用于小容量吸收功率的再生能量吸收装置。基于该结论，考虑到目前国内小容量储能型再生能量吸收装置技术日益成熟、价格逐步回落以及国家目前对轨道交通节能减排的高度重视，建议悬挂式单轨工程优先选择储能型再生能量吸收装置。

（2）悬挂式单轨工程牵引变电所再生能量吸收装置的吸收范围在2～3km。因此，对于悬挂式单轨工程的再生能量吸收装置的布点方案，不应简单地在每座牵引变电所都设置，其设置位置及安装容量应根据实际工程的线站位方案及行车组织进行仿真计算后得出。

（3）随着行车密度的增大，设置于各牵引变电所的再生能量吸收装置吸收的能量及峰值功率呈先升后降趋势，在某一个行车密度下达到最大值。该特点与其他轨道交通形式一致。

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收稿日期 2019-11-18

责任编辑 宗仁莉