济南轨道交通再生能量吸收装置的应用

陈海辉

0 引言

我国的城市轨道交通建设已进入了快速发展期，截至2020年4月，我国共有44个城市（包含港澳台）开通了城市轨道交通线路，运营线路共计198条，总长度达6 548.76 km。同时，随着社会的发展和科技的进步，人们的节能减排和环保意识也在逐渐增强，提高再生制动能量利用率，降低牵引能耗，是未来再生制动能量利用装置系统设计的主流趋势。文献[1]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。有效利用城市轨道交通车辆再生制动所产生的电能，减少运营用电量，对于节能降耗具有积极的意义。

国内北京、上海、广州、天津、南京、重庆、青岛、郑州等城市轨道交通线路均已设置再生能量吸收装置。中压能馈型再生能量吸收装置因具有技术成熟度高、系统容量高、再生能量利用率高等特点[3]，近期新建线路将该方案作为首选方案。

本文不对再生装置类型进行比选[4]，而是基于现状，以济南轨道交通采用的中压能馈型再生装置为例，详细分析再生能量吸收装置的设置方案及节能效果，并通过实测数据进行验证。

1 列车再生制动能量计算

1.1 列车运行阻力

列车运行阻力可分为基本阻力和附加阻力，基本阻力是在列车运行的任何情况下都存在的阻力，附加阻力是在列车运行的个别条件下才产生的阻力。这里只考虑列车运行的基本阻力。

基本阻力通常由轴承阻力、滚动阻力、滑动阻力、冲击和震动阻力以及空气阻力5部分组成，这5部分阻力之和为

式中：a、b、c为综合阻力系数；v为车辆的运行速度，km/h。

各种车辆的基本阻力系数可以通过试验获得，一般B型车辆的基本阻力为

1.2 车辆制动能量

车辆的运行阻力为FW，制动初速度为v，列车总质量为m，则产生的制动能量为

式中：E为产生的制动能量；S为车辆的制动距离。

根据既有工程经验，不同的初速度条件下制动所对应的制动时间、制动距离、车辆总动能以及产生的制动能量等具体数据详见表1。

表1 计算所得的车辆制动能量

由表1可以看出，车辆制动初速度越大，所产生的制动能量越大，同时制动距离和制动时间也越大，这一规律完全与能量守恒定律相符。

2 再生制动设置方案及节能分析

2.1 工程概况

济南轨道交通1号线线路全长26.27 km，共设11座车站，其中地下站4座，高架站7座。正线设置9座牵引变电所，平均牵引间距3.22 km。初期、近期车辆为4B编组，远期为6B编组。

2.2 装置原理

2.2.1 电路拓扑

再生能量回馈装置采用全控型IGBT器件和PWM四象限控制技术，具备逆变回馈、牵引整流和无功补偿功能。装置的电路拓扑如图1所示，包括直流侧母线电容、IGBT逆变模块、滤波器等。

图1 装置的电路拓扑示意图

2.2.2 控制原理

PWM变流器采用四象限运行，主要作用于并网电流的控制，即I的控制，如图2所示。实际运行中，通过电流环控制PWM整流器的并网电流，从而实现功率因数控制。在进行电流内环的PWM控制时，采用基于同步旋转坐标系的电流控制方案，将交流电流从三相对称静止坐标系变换到与该交流矢量同步旋转的dq两相坐标系，将电流解耦为有功分量和无功分量，d轴电流id相当于有功功率的电流，q轴电流iq相当于无功功率的电流，因此通过控制有功、无功2个直流分量易于实现有功和无功的独立控制，实现功率因数可控。

图2 PW M变流器交流侧稳态矢量关系

2.2.3 闭环控制策略

采用全控型电力电子器件IGBT，实现能量流向的灵活控制。控制上采用电流内环电压外环的双环控制模式，使变流器具备双向能量变换能力。

图3 电压电流双闭环控制框图

图3中外环为电压环，内环为电流环。通过软锁相技术测得电网电压相位，并基于该相位控制并网电流相位来实现有功、无功输出；通过dq旋转变换实现有功、无功解耦独立可控；采用先进的空间矢量调制技术，有效提高直流母线电压利用率，最终生成PWM控制脉冲。

2.3 再生制动能量吸收范围说明

再生制动能量吸收装置不仅可以更好地吸收邻近车站的车辆制动能量，也可以吸收较远距离车辆制动能量，理论上可以吸收全线各车站的部分制动能量。现结合基本原理P=UI，按启动电压1 720 V，车载电阻启动1 770 V，两者相差50 V，对吸收距离和功率的关系进行简单核算，数据见表2。

综上，再生制动能量吸收装置吸收能量范围虽然很大，但是距离越远，吸收能力越弱。因此，进行再生能量吸收装置方案设计时应适当考虑间距，避免间距过大引起车辆制动能量得不到很好的吸收效果，造成再生制动失效率的提高[2]。

表2 再生装置吸收范围数据 kW

2.4 设置方案及节能效果分析

济南轨道交通1号线为市域快线，站间距大且车辆运行速度高，且由仿真计算可知，每座车站在不同的行车对数下吸收的再生电能为不规律的，故在每座牵引所内均设置一套再生能量吸收装置，以便更好地吸收全线的再生能量。

2.4.1 车站反馈功率仿真（1 h）

车站反馈功率仿真（1 h）如图4所示。

由图4可知，在不同行车对数下，每座车站的短时（10 s）反馈功率大多数情况在1 500～2 000 kW范围内，瞬时功率则更大，综合考虑吸收效果和造价，本工程设备容量设置为2 MW。

图4 车站反馈功率（10 s有效值）仿真

2.4.2 节能效果分析

各站再生反馈电能仿真数据见表3。由表3可以得出一定规律：当列车行车密度较低时，列车再生制动能量不能被邻车很好地吸收，装置回馈能量效率较高，吸收效果较好；当发车密度增加到13对/h左右时，列车再生制动能量可被邻车很好地吸收，装置回馈能量效率最低；当继续增加发车密度时，装置回馈能量效率逐渐上升；当发车密度增加到20对/h左右时，虽然再生制动吸收装置回馈能量效率不是最高，但其回馈总能量最大。由此可知，发车密度对再生制动能量吸收装置回馈能量效率有较大影响，不能单一考虑高峰时期的回馈能量，应以全日回馈能量情况作为节能效果评估指标[2]。不同线路、车辆、站间距、发车密度的工程，仿真数据结果存在差异，具体工程在进行再生能量吸收装置方案设计时均应以基于本工程实际数据进行的仿真数据为准。

表3 各站仿真再生反馈电能数据（1 h） kW·h

根据表3数据对初、近、远期折算可知，初期吸收电能约为16 592.7 kW·h/天，近期吸收电能约为19 373.8 kW·h/天，远期吸收电能约为29 354.2 kW·h/天。通过计算得出年用电量和电费，初期为605.6万kW·h、357.9万元，近期为707.1万kW·h、417.9万元，远期为1 071.4万kW·h、633.2万元（电费单价按0.591元/kW·h计算）。设备全寿命周期内节约电量和电费如表4所示。

表4 设备全寿命周期内节约电量和电费

再生制动吸收装置采用的主要器件（如IGBT、电容器等）均为电子器件，其寿命按照15年考虑，中压能馈型装置按200万/套计算，则中压能馈型再生设备一次建设资金约1 800万元，按年利率6%计算，15年资金时间价值约为1 620万元。装置全寿命周期内可获得7 303 - 1 800 - 1 620 = 3 883万元效益。从表4数据还可以看出，初期由于行车密度小，节能效益偏小，远期节能效益较大。

3 实测数据对比及分析

3.1 实测数据

根据最新实测客流预测以及上线列车数和行车间隔，运营部门重新编制行车计划，实施行车计划见表5。

表5 实施行车计划

对装置电能表进行为期5天（4月1—5日）的数据统计，如图5所示。

图5 实测各站再生回馈电能数据

3.2 对比分析

根据实测数据可知，全线再生装置吸收车辆制动电能约为7 300～8 200 kW·h/天，而理论仿真初期吸收电能约为16 592.7 kW·h/天，两者数据相差较大。经过分析有2个主要影响因素：

（1）理论初期每天运行18 h，发车164对，而实际运营每天运行15.5 h，发车108对，发车密度仅为理论计算的0.66倍。列车制动能量与行车密度成正比关系，故由于运行时间和行车密度，再生装置吸收电能约打折0.66。

（2）定员载客按照6人/m2，乘客人均重量按60 kg/人进行仿真，一列车辆总重199.6 t，而根据运营初步估计1个月总客流量约为100万，约每天3.3万人，折合一列车辆总重141 t，约为理论计算的0.71倍。列车制动能量与质量成正比关系，故由于客流量再生装置吸收电能约打折0.71。

综合上述原因，对仿真所得再生装置吸收车辆制动电能进行校正，即16 592.7×0.66×0.71 =7 775.3 kW·h/天，校正后数据与实测数据较为吻合，证明仿真数据合理。

结合线网情况，济南轨道交通1号线由于为济南市单独运营线路，未形成网络化运营，故在2号线开通后，客流会有明显增长，再生装置吸收能量将会有较大增幅，为验证数据的准确性，需持续跟进运营数据进行核对。

4 注意问题

4.1 启动值设定

当再生能量吸收装置电压启动值过低时，本该被邻车吸收的再生制动能量会被再生能量吸收装置回馈至电网，这并非真正意义上的节能。但如果再生能量吸收装置启动值设置过高，列车制动所在位置的牵引网电压过高，会导致列车再生制动失效[2]。合理的启动值应该是邻近车辆优先利用再生制动能量，再生制动能量大部分被邻车吸收，剩余部分被再生能量吸收装置回馈至电网。

直流系统牵引网空载电压为1 650 V，根据运营实测数据不大于1 700 V，考虑一定裕量将再生装置启动值设置为1 720 V，为邻车再生能量吸收留出50 V空间，保证邻车吸收优先。但考虑本工程为集中供电，夜间停运后轨道交通负荷降低造成电网电压抬升及不明原因的电网波动，本工程经研究分析配置如下启动值方案：

启动值包括固定值、自适应值，以两者较高的作为实际启动值。固定值为1 720 V，通过本地触摸屏界面直接设置；自适应值根据实时采样的交流电压（900 V侧）折算出直流空载电压，再加上50 V，自适应值可避免直流空载网压偏高时再生能馈装置误投入。

4.2 环流情况分析

装置启动后，有2种工作状态：待机和回馈。当满足直流侧电压和直流回馈电流判定条件时，装置运行于回馈工作状态；直流侧电压和电流任一条件不满足时，装置待机运行。

装置待机时，车辆处于加速或惰行工况，整流器处于导通状态，此时装置内的IGBT处于封锁脉冲状态，无能量变换，不会出现从直流侧到交流侧的电流，因此不会与整流器产生环流。

装置处于回馈运行状态时，车辆处于制动工态。车辆的动能转化为电能回馈至直流牵引网，使得直流正负极的电压必定高于整流器的空载电压，此时整流器截止。当直流牵引网电压达到装置启动值且回馈电流大于0时，装置开始运行于回馈工况，将直流侧能量回馈至交流侧，由于此时整流器处于截止状态，装置的输出能量只能通过逆变变压器返回到35 kV环网侧。因此，装置在回馈状态下不会与整流器产生环流。

综上分析，无论装置在待机还是回馈状态，应均不会发生与整流器产生环流的情况。

4.3 无功补偿

在城市轨道交通线路运营初期，由于感性负荷较小，35 kV电缆产生的容性无功无法被中和，以致被返送至电力系统。通过再生装置补偿电缆无功倒送的容性无功，可提高功率因数，并可减轻上级SVG负载，从而有效降低房间温度和设备运行噪音。需要注意的是，无功补偿功能涉及核心器件IGBT负荷会相应增加，故设备招标阶段应明确是否需要该项功能及明确无功补偿的容量，并设计相应散热结构或措施，否则将会影响元器件使用寿命及增加故障率。

工程应根据实际情况核算环网电缆容性无功容量及负荷功率因数，选择定时、定量无功补偿方案，在夜间列车停运期间进行补偿，也可采用自动无功补偿，最终实现提高系统功率因数[8]。

5 结语

随着我国地铁运营里程的不断增加，用电量也在逐渐增加，地铁再生制动能量利用显得越来越重要。再生制动能量吸收装置将是发展趋势，装置设置方案也逐渐精细化和完善，具体工程应根据实际线路基础资料进行仿真计算及定性分析，综合考虑装置投资回报周期、节能优化效果等确定最佳优化配置方案，可结合城市客流、线路、行车等特点采用部分牵引所设置再生装置的方案，但需与车辆部门进行周密配合，解决再生制动失效问题。装置整流功能需进一步验证其成熟度和设备可靠性后可适当考虑开放。