电气化铁路再生电能利用研究

董志杰，杨振龙，林 晨，尚国旭

0 引言

电气化铁路是以电能作为驱动力的运输方式，随着重载、高速铁路快速发展，对电能需求越来越大。电能消耗是铁路运营成本中的重要部分，降低电能损耗是牵引供电系统设计中一个重要环节。随着国内交直交牵引动车组和电力机车大规模应用，在制动过程中不可避免产生再生电能，电气化铁路采用交流系统，再生电能一部分被同行的机车吸收，剩余部分将返送至电网，提高再生电能利用率也是提高电能利用率的一种途径[1，2]。

国内城市轨道交通再生能利用应用广泛，对再生电能特性掌握比较深入，在设备参数选择方面有成熟经验可以借鉴[3]。但交流电气化铁路运输工况不同，再生制动的特性也不尽相同，需针对不同再生制动特性，设计合理的技术方案。如何在牵引供电系统内部进一步提升再生制动电能的利用率，改善牵引网功率潮流特性，对我国电气化铁路的节能高效运行具有重要意义。

1 再生电能产生原理

当交流机车再生制动时，牵引电机作为发电机通过逆变器将三相交流电压整流输出直流电压，而四象限脉冲整流器则工作在逆变状态，将直流电逆变为单相交流电。

再生制动时，通过控制为牵引电机供电的变频调速装置，即交直交传动系统，使牵引电机转子的旋转频率高于定子的电压频率，使交流牵引电机运行在发电状态，发出的电能与牵引工况时反向，电能经原先的逆变器（此时工作在整流状态）变换为直流电，再经中间直流环节及原先的整流器（此时工作在逆变状态），使电能转换为与电网同频率、同相位的电能，并反馈到电网中再生循环使用。

对于运行过程中的列车，有C=F-W，其中C为列车合力，F为列车额定牵引力，W为列车阻力。当列车从运行速度减速到停站的过程中需要制动时，F为负值，进入再生制动模式；当列车在大坡道下坡运行时，受限制列车超速影响，C尽可能为零，受列车自身重力加速度的影响，需要列车启动再生制动，如图1所示。

图1 再生能量流动示意图

2 再生电能特性分析

2.1 再生电能测试仿真数据

电气化铁路属于大宗用电负荷，是电网的最大单体负荷用户。随着交直交机车大规模应用，牵引负荷不仅可以从电网吸收能量，还可以在再生制动工况下将动能转化为电能。对于客运专线，再生电能主要存在于大型车站，再生电能占比较大；对于重载铁路，由于存在重车下坡制动过程（图2），其再生电能占比也较大。表1为典型几座牵引变电所再生电能所占牵引用电量比例，其中的再生电能为每座牵引变电所同行列车吸收后剩余可以利用电量。

图2 货运列车运行仿真曲线

表1 不同线路再生电能占比

从表1中数据可以看出，每个所的再生电能比例差异较大。

客运专线与货运铁路的再生制动电能在变电所的分布不尽相同，客运专线主要存在大型车站或坡度较大区段，而对于货运铁路基本上处在坡度较大区段。

2.2 再生电能数据分析

表2、表3为南京南牵引变电所再生电能数据。由表2、表3可以看出，牵引变电所左右两供电臂再生电能的比例不尽相同，再生电量分配也不尽相同，这些数据差异是由于运输工况造成。

表2 南京南牵引所再生电能占比

表3 南京南牵引所再生能电量构成 kW·h

2.3 再生电能分布特性

2.3.1 幅值特性

选取再生制动时间较长一段测试数据，见图3。可以看出，再生电能幅值较大，如果将这段再生电能进行储存，若为1 MW的储能装置，则可储存电能14.1 kW·h。

图3 再生电能与功率对应关系

2.3.2 分布特性

对南京南牵引变电所测试数据进行分析，根据再生功率峰值进行划分，按照小于2 MW，2～4 MW，4～6 MW，6～8 MW，大于8 MW进行统计，统计结果见表4。通过分析这些数据可以为再生电能利用技术方案提供指导。

表4 南京南牵引变电所再生电能统计

从表4中数据可以看出，大多数的再生功率大于8 MW。京沪高速铁路上运行的16列编组动车组偏多，再生制动功率大，造成大功率的数据偏多。

3 再生电能利用方案分析

3.1 再生电能利用方案

不同运输组织和不同运输工况产生的再生电能分布不同，停车产生的再生电能具有时间短、峰值大、周期性强的特点，坡道产生的再生电能具有时间长、持续时间长等特点。牵引所供电臂内再生能受供电范围内车站分布、线路坡度等影响，产生的再生能也存在差异，主要是对牵引变电所范围内剩余再生能进行利用。对于牵引变电所来说，一种方案是相邻2座牵引变电所之间进行再生电能利用，需要变电所间再生与牵引时间重叠的运输工况；另一种方案是利用储能技术改变再生电能时间，通过技术手段实现再生电能与牵引电能时间重叠，储存电能还能向配电系统进行反馈，反馈的电能非常平缓，可以为配电用户供电。再生能利用方案原理详见图4。

图4 再生能利用方案原理

3.2 再生能利用效益分析

3.2.1 实施利用及储能利用电能数据

以南京南牵引变电所为例，根据实测数据得到能量利用装置不同容量下的再生电能数据，如表5所示。

表5 不同安装容量下再生电能数值

3.2.2 直接效益

装置的直接效益如表6所示。

对于采用储能装置的方案，由于储能装置目前投资较大，例如1 MW飞轮储能装置的价格约为450万元，将会延长成本回收时间。

表6 经济性相关数据统计

3.2.3 间接效益

再生电能利用装置的间接效益包括：

（1）稳定接触网供电电压，提高供电质量；

（2）削低牵引变电所负荷峰值，减少最大需量计费基本电费。

4 结论

（1）再生电能的产生受线路坡度、列车停站、运量等诸多因素影响，不同牵引变电所的再生电能数量差异很大。

（2）选择再生电能产生量大且就近可消纳该电能的牵引变电所或分区所设置再生电能利用装置，能够获得较好的经济效益。

（3）采用储能装置能改变（延迟）再生能输出的时间，利用效率更高，但是投资会大幅增加，致回收期延长。