从列车运行能耗角度探讨逆变回馈装置节能效果

李由，张浩，卜立峰，刘炜，张戬，吴拓剑

从列车运行能耗角度探讨逆变回馈装置节能效果

李由1，张浩1，卜立峰2，刘炜1，张戬1，吴拓剑1

(1. 西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 611756；2. 广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000)

针对逆变回馈装置节能效果的评估问题，对安装有逆变回馈装置的广州地铁21号线进行测试，记录列车运行相关数据。分析不同逆变回馈装置启动电压下，在不同运行时段内车载制动电阻能耗占总再生制动能量的比例。从列车运行能耗的角度提出列车运行总节能量及系统级节能评估指标——再生制动能量利用变化率，评估指标只需要测量列车数据。研究结果表明：投入逆变回馈装置后，投入区间的再生制动能量利用率提高了45.45%，全线再生制动能量利用率提高了16.00%，全线全天列车运行节省电量可达5 952.114 kWh，逆变回馈装置的节能效果较为显著。逆变回馈装置的启动电压对系统的节能效果也有较大影响，启动电压为1 720 V与1 770 V时，全线再生制动能量利用变化率相差14.11%。

城市轨道交通；逆变回馈；再生制动；车载制动电阻；节能指标

中国城市化进程加速，目前已有36个城市开通运营城市轨道交通线路，运营路线总长度达5 400多km[1]。能馈型再生能量利用装置已经在国内得到了推广应用[2]。提高再生制动能量利用率，降低牵引能耗，从而满足节能减排的要求，是未来再生制动能量利用装置系统设计的主流趋势[3-4]。许伶俐等[5]通过实测分析出单列车的再生制动能量占牵引能量的35%~56%，证明了再生制动能量的数目十分可观。张焕等[6]结合线路信息分析列车能耗的影响因素，但未考虑再生能量利用装置对系统节能效果的影响。TIAN等[7]分析了逆变回馈装置相对于超级电容、飞轮等再生制动利用装置在安装空间、成本、可靠性和使用寿命等方面的优势。徐彦等[8]通过对列车运行回馈进行实测，得出牵引所逆变装置反馈能量效果明显的结论，并给出适当减少或取消车载制动电阻的建议。逆变回馈装置可以通过将直流侧列车的制动能量反馈至交流侧的方式替代车载制动电阻消耗剩余的再生制动能量，但能否全部取消车载制动电阻仍需讨论[9-11]。目前对逆变回馈装置节能效果的评估较多着眼于装置本身的反馈能量，而从整条线路出发，对逆变回馈装置投入后系统能源节约程度的研究尚且不足[12]。Álvaro等[13]考虑了全日发车计划，从供电系统日耗电量角度定义了逆变回馈装置系统级节能指标，但由于参考系统中主所全日能耗每天都在变化，因此，从该角度提出的系统级节能指标不够准确。基于以上现状，以广州地铁21号线为例，对列车运行能耗进行测试。研究不投入与投入逆变回馈装置的情况下，不同运行时段内车载制动电阻能耗占总再生制动能量的比例，探讨车载制动电阻的启动情况；从列车运行能耗的角度出发，推导列车运行总节能量并提出系统级节能评估指标；对不同启动电压下，逆变回馈装置的节能效果进行了评估。

1 测试方案

广州地铁21号线为一条东西向线路，线路开通段长度为26 km，采用6辆编组B型车，4动2拖，列车最高运行速度为120 km/h，列车额定载重291.8 t。供电系统设有向西主变电所和象岭主变电所两座主变电所，覆盖镇龙西站、镇龙站、中新站、坑贝站、凤岗站、朱村站、山田站、钟岗站和增城广场站9座牵引降压混合所(牵混所)，朱山区间所和山钟区间所2个区间所以及1个停车场，该线路整流机组空载电压在1 680 V左右。主变电所二次侧交流母线电压等级为33 kV，分别向各个牵混所供电。广州地铁21号线供电系统简图如图1所示。

图1 广州地铁21号线供电系统简图

列车在电机、车载制动电阻箱等处安装有电压、电流传感器[14]。以24 h为测试周期，通过城市轨道电能质量监测仪记录车载制动电阻箱的电压、电流并通过式(1)计算车载制动电阻能耗。

列车从发车时刻0经运行时段的车载制动能耗表达式如式(1)所示。

对逆变回馈装置选取不同的启动电压，重复测试过程。

2 逆变回馈装置节能效果的评估指标

本文从列车运行能耗的角度提出了逆变回馈装置系统级节能效果评估指标，包括车载制动电阻能耗占比1，列车运行能耗角度的系统节省电量及系统再生制动能量利用变化率2。

假设Case1为未投入逆变回馈装置的直流牵引供电系统，Case2为投入了逆变回馈装置的系统。在不考虑网损等损耗的情况下，Case1的能量流向示意图如图2所示。

图2 Case1系统能量流向示意图

T为全线牵混所的总牵引能耗，trac为全线列车的总能耗，包括列车的动力负荷k，辅助用电aux和总制动能耗reg。在相同的线路条件与行车组织下，trac与reg不变。reg-trac为相邻牵引列车实际吸收的再生制动能量总和，res为全线列车车载制动电阻消耗的总能量。由图2可以得到Case1的能量关系如式(2)所示。

定义车载制动电阻能耗占比1如式(3)所示。

Case2的能量流向示意图如图3所示。

F为全线逆变回馈装置从直流侧反馈回交流侧的总电量。由图3可以得到Case2的能量关系如式(4)所示。

从列车运行能耗的角度推导，投入逆变回馈装置后，列车运行总节能量如式(5)所示。

通过式(5)可以看出，投入逆变回馈装置后，列车能耗的节能量与列车车载制动电阻能耗的减少量相等。相比于传统的计算方法，式(5)从列车运行能耗的角度给出了仅通过测量列车运行数据来评估逆变回馈装置节能效果的可行性，不需要在每个牵引所的逆变回馈装置安装处对装置的各项数据进行测量从而得到逆变回馈装置的节能量。

为了进一步评估投入逆变回馈装置对系统的节能效果，定义了再生制动能量利用变化率2如式(6)所示。

3 测试结果分析

3.1 车载制动电阻能耗占比分析

广州地铁21号线的测试结果分别如图4与图5所示，其数据分别统计了在早晚收发车时段(早发车：上行5:30~6:00，下行6:04~6:34，晚收车：上行21:55~22:25，下行22:28~22:58)与其他时段(上行8:40~9:10，下行9:14~9:44)4种情况下全线各区间的车载制动电阻能耗的占比情况。4种情况分别为：1 720，1 750和1 770 V启动电压下投入逆变回馈装置以及不投入逆变回馈装置。

由图4可以得出如下结论：早发车与晚收车时段多数区间内，在不投入逆变回馈装置时，车载制动电阻能耗的占比1要高于投入逆变回馈装置时的1；在不投入逆变回馈装置时，1较高，如中新至凤岗区间，早晚收发车时段不投逆变回馈装置时，1最高可达60%以上，即列车60%以上的再生制动能量没有得到有效利用。在投入逆变回馈装置时，1随逆变回馈装置启动电压的升高而增大。

图4 早晚收发车时段逆变回馈装置不同启动电压下全线各区间η1

图5 平常时段逆变回馈装置不同启动电压下全线各区间η1

由图5可以得出：与早晚收发车时段类似，不投入逆变回馈装置时，1整体偏高；在投入逆变回馈装置时，1随逆变回馈装置启动电压的升高而增大。相比于早晚收发车时段，除线路两端以外的各区间内，平常时段的1均降低。这是因为与早晚收发车时段相比，平常时段内，线路上列车密度较高，当有列车制动时，线路上有更多与其相邻的牵引列车吸收其再生制动能量，从而稳定网压，减少车载制动电阻的启动。

统计得到早晚收发车时段全线的车载制动电阻能耗占比情况如表1所示。

表1 早晚收发车时段全线η1

由表1可得如下结论：从全线角度来看，当系统中未投入逆变回馈装置时，1最大，本可以由逆变回馈装置反馈回中压网络再利用的制动能量被车载制动电阻消耗，从而造成了电能的浪费。当设置逆变装置启动电压为1 720 V时，逆变回馈装置控制牵引网网压在较低水平，区间内车载制动电阻启动较少；但当调高了逆变回馈装置启动电压后，整体网压水平变高，车载制动电阻启动增多。在相同的线路条件与行车组织下，reg不变，因此1增大。

统计得到平常时段全线车载制动电阻能耗占比情况如表2所示。

表2 平常时段全线η1

由表2可以看出，平常时段与早晚收发车时段统计得到的全线1情况规律一致，但1整体偏低。

综合上述统计结果可以得出如下结论：

1) 线路上与制动列车相邻的牵引列车以及逆变回馈装置的投入均能够在一定程度上吸收线路上制动列车的再生制动能量，从而抑制牵引网压进一步抬升，并避免大量制动能量消耗在车载制动电阻上；

2) 不投入逆变回馈装置时，1整体偏高，投入逆变回馈装置之后，可以使更多制动能量得到有效利用；

3) 当线路上列车密度较低时(如早晚收发车时段)，1整体偏高，是否投入逆变回馈装置对车载制动电阻能耗的影响更大，从而对节能效果产生更大的影响；

4) 逆变回馈装置的启动电压对装置的节能效果具有一定的影响，投入逆变回馈装置时，1随逆变回馈装置启动电压的升高而增大；

5) 出于经济性的考虑，逆变回馈装置的容量及安装位置有限，而且不同行车组织下线路中列车位置分布与能量分布情况存在一定差异，因此仅依靠逆变回馈装置与相邻牵引列车将线路上的再生制动能量完全吸收是较为困难的，此时，车载制动电阻介入吸收线路上剩余的制动能量，防止牵引网压进一步升高，避免列车电制动失效。

3.2 逆变回馈装置节能效果分析

根据广州地铁21号线实际的行车计划，测试期间全天共上行发车120次、下行发车120次，对全部行车结果进行测量与统计。

由于投入的逆变回馈装置数量较少，为了评估逆变回馈装置的节能效果，本文选择两端均投入了逆变回馈装置的钟岗−增城广场区间以及全线的数据进行分析，根据式(5)和式(6)计算得到逆变回馈装置在不同启动电压下钟岗−增城广场区段以及全线全天列车运行总节能量与再生制动能量利用变化率2，统计结果分别如表3与表4所示。

表3 钟岗-增城广场区间W及η2

由表3与表4可以看出，在投入了逆变回馈装置的情况下，系统利用了更多的再生制动能量，从而节省了列车运行的耗电量。逆变回馈装置具有一定的节能效果。不同启动电压下，逆变回馈装置的节能效果不同。

表4 全线全天W及η2

综合上述统计结果分析，可以得出如下结论：

1) 对于整条线路而言，从列车运行能耗的角度评估可知，逆变回馈装置具有一定的节能效果；

2) 城市轨道牵引供电系统目前广泛使用电缆供电，供电系统接入点处的电压偏高，导致直流牵引网网压也会较高。在线路空载电压较高的情况下，随着逆变回馈装置启动电压的升高，虽然邻车吸收的可能性增多，但1增大，与2均降低，节能效果变差；

3) 结合图3与式(6)可以看出，当逆变回馈装置的启动电压升高时，车载制动电阻能耗占比1增大。由于在相同的线路条件与行车组织下，列车总牵引能耗trac，总制动能量reg相当，因此当车载制动电阻能耗res增加时，能被系统有效利用的再生制动能量减少，导致系统的节能效果变差，这与分析实测结果所得到的上述结论一致。

4 结论

1) 牵引供电系统投入逆变回馈装置后，列车能耗的总节能量即为列车车载制动电阻能耗的总减少量。本文基于此提出的逆变回馈装置节能效果评估指标只需要列车运行数据。

2) 逆变回馈装置对牵引供电系统的节能具有一定效果，当供电系统中未投入逆变回馈装置时，本可以由逆变回馈装置所反馈的电量被车载制动电阻消耗，造成了电能的浪费。

3) 在早发车、晚收车等时段，线路中列车分布较为稀疏，相邻牵引列车吸收制动列车的制动能量较少，因此存在较多未被利用的再生制动能量。此时，是否投入逆变回馈装置对车载制动电阻的启动情况具有更大的影响；同时，车载制动电阻的介入能够在一定程度上避免列车电制动失效。

4) 逆变回馈装置的启动电压会对其节能效果产生影响，空载电压较高时，随着逆变回馈装置启动电压的升高，装置对系统的节能效果会降低。因此可以通过本文的实测及分析方法，针对具体线路选取合适的启动电压，从而获得良好的节能效果。

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Discussion of the energy-saving effect of inverter feedback devices from energy consumption of traveling trains

LI You1, ZHANG Hao1, BU Lifeng2, LIU Wei1, ZHANG Jian1, WU Tuojian1

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China;2. Guangzhou Metro Co., Ltd., Guangzhou 510000, China)

To evaluate the energy-saving effect of inverter feedback device, this paper tested Guangzhou metro line 21 which installed the inverter feedback devices, and recorded the data of the traveling trains; this paper analyzed the ratio of the energy consumption of vehicle braking resistance to the total regenerative braking energy during different periods when the starting voltage of the inverter feedback devices are different. An evaluation index of the system from the energy consumption of the travelling trains, change rate of regenerative braking energy utilization was also established, which only needs to test the data of the trains. The results showed that rate of regenerative braking energy utilization can increase 45.45% within the range where installed the inverter feedback devices. The energy saving rate across the whole line can increase 16.00%. The whole line could save 5 952.114 kWh of power a day, and the energy-saving effect of inverter feedback devices is remarkable. The starting voltage of inverter feedback devices also has a great influence on the system energy saving effect. when starting voltage are under 1 720 V and 1 770 V, the difference of the change rate of regenerative braking energy utilization can reach 14.11%.

urban rail transit; inverter feedback; regenerative brake; vehicle braking resistance; index of energy saving

U239.5

A

1672 − 7029(2020)09 − 2381 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u. T20191128

2019−12−13

国家自然科学基金资助项目(51607148)

刘炜(1982−)，男，湖南益阳人，副教授，从事牵引供电系统设计仿真，再生制动能量利用，杂散电流研究；E−mail：liuwei_8208@swjtu.cn

(编辑 蒋学东)