城市轨道交通供电系统再生制动能量回收装置节能影响因素分析

安 秋 颖

(大连地铁运营有限公司 供电中心，辽宁 大连 116021)

城市轨道交通作为一种大运量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色。地铁具有站间运行距离短、运行速度较高、启动及制动频繁等特点。目前城市轨道交通地铁车辆普遍采用车载电阻制动的方式，当列车电制动产生的再生制动能量不能被线网中的负载吸收导致线网电压过高时，可通过使用车载电阻制动将多余的再生制动能量消耗。一般城市轨道交通再生制动能量可达到供电系统中牵引用电的30%～40%，可有效回收利用的再生制动能量占城市轨道交通供电系统牵引用电的15%左右。

在城市轨道交通线路沿线的供电系统中设置合理类型和功率的再生制动能量回收装置，不但可以回收再生制动能量，产生较高的经济价值，还可以间接解决单纯使用车载制动产生的上述问题，提高供电系统电网的稳定性，延长供电系统设备的使用寿命。

1 再生制动能量回收装置简介

目前应用在供电系统中的再生制动能量回收装置主要有以下3类：(1)能量存储型再生制动能量回收装置(以下简称“储能型装置”)；(2)能量回馈型再生制动能量回收装置(以下简称“能馈型装置”)；(3)基于储能型装置和能馈型装置的混合型再生制动能量回收装置(以下简称“混合型装置”)。

1.1 储能型装置

储能型装置没有直流变交流的逆变环节，将再生制动能量在供电系统的直流侧内部完成回收和利用，从而避免了向城市电网返送电能的问题，因此具有独特的优势。图1为储能型装置的工作原理。

图1 储能型装置工作原理

储能型装置包括飞轮储能型装置、超级电容储能型装置、电池储能型装置3种[1]，目前超级电容储能型装置应用较多。

飞轮储能型装置的储能单元采用飞轮形式，有再生制动能量需要吸收时，飞轮加速转动，以机械能形式储存能量；当需要输出能量时，飞轮转速降低，再将机械能转化为电能向接触网反馈。目前该装置在北京地铁房山线有应用。

电池储能型装置与超级电容储能型装置一致，通过双向DC/DC变换器吸收能量时，双向DC/DC变换器从接触网上吸收电能并将其转换存储到电池或超级电容器中。其中电池储能型装置是将电能转化为化学能，超级电容储能型装置不存在不同能量之间的转换，仅有不同电势的变换。当需要输出能量时，双向DC/DC变换器再将电池或超级电容器中存储的能量变换成电压，输出至供电系统接触网中。电池储能型装置在日本、韩国有应用，国内北京地铁八通线也有试点应用。由于电池储能型装置能量存储环节多使用锂电池，在供电系统维护使用方面不如双电层超级电容器安全便捷，目前在国内尚未推广应用。超级电容储能型装置在国内的北京地铁8号线、香港机场线已批量配置，并已稳定运营。此外，在北京、青岛、苏州、无锡、广州等多个城市的地铁供电系统中也有试点应用。除了传统的双电层超级电容器用作储能元件外，青岛地铁8号线使用电池型超级电容器作为其能量存储环节，该类型超级电容器性能介于锂电池和双电层超级电容器之间，在轨道交通中的应用尚属首次。

1.2 能馈型装置

能馈型装置主要采用电力电子器件IGBT构成DC/AC三相逆变器，并配置变压器。逆变器的直流侧与牵引变电所中的直流母线相连，其交流侧接至变压器，通过变压器接到供电系统的交流电网上[2]。根据接入供电系统交流电网电压制式的区别，能馈型装置分为低压400 V能馈型装置和中压能馈型装置。其中低压400 V能馈型装置由于容量、功率受限于当前变电所的用电功耗，在国内未得到推广使用。而中压能馈型装置因其价格适中，装置功率没有储能环节限制，瞬时功率大，在国内已得到推广应用。

能馈型装置再生制动能量回收的原理为：当车辆的再生制动能量导致供电系统线网电压超过能馈型装置的启动值时，DC/AC三相逆变器启动并从直流线网吸收电能，将直流电能逆变成工频交流电回馈至供电系统的交流电网中，由供电系统电网中动力照明用电消耗或由同段母线中其他变电所的整流机组用电消耗。当某时刻供电系统中电能回馈总功率大于用电总负荷时，会有回馈电能被返送至城市电网的现象。在分散供电的供电系统中，中压能馈型装置的返送电比例可达30%，会对城市电网造成一定的冲击。中压能馈型装置的工作原理见图2。

图2 中压能馈型装置的工作原理

能馈型装置与供电系统中的交直流电网均有接口，与储能型装置相比，其应用时涉及到交流电网的继电保护，相对复杂；能馈型装置与交流电网并网时，会产生一定的谐波注入到既有的交流电网中，可能会影响中压电网乃至城市电网的供电质量，而储能型装置仅与直流电网存在电气关联，对外部电网没有影响；能馈型装置的节能去向难以统计，而储能型装置的节能去向明确，为车辆的牵引或辅助用电。

1.3 混合型装置

混合型装置主要包含2种混合方式，一是单套设备内集成储能型装置和能馈型装置，可同时实现能量存储和能量回馈；二是在整条地铁线路的不同站点分别布置储能型装置和能馈型装置，并加以协同控制。

单套设备内集成储能型装置和能馈型装置的混合型装置目前尚未见应用。而在整条地铁线路的不同站点分别布置储能型装置和能馈型装置可以有效地解决能馈型装置返送电以及储能型装置成本高、体积大的问题，能以较为经济的方式实现再生制动能量的回收利用。目前在无锡地铁1号线、苏州地铁2号线、青岛地铁8号线、北京地铁8号线等线路均有试点应用。

2 再生制动能量回收装置节能影响因素分析

在应用过程中，影响其再生制动能量回收装置节能效果的因素较多，包括线路条件、车辆载荷、发车密度、装置容量、气候因素、再生制动能量回收装置的特性及混合型装置的配置。

下文将从车辆运行图、季节因素、装置的启动阈值及装置的容量等方面对比分析不同因素对再生制动能量回收装置节电量的影响，并从潮流仿真计算角度分析验证能馈型装置和储能型装置结合应用的优势。

2.1 运行图因素影响分析

经过运营数据统计，发现通过合理的规划运行图，调整合适的发车间隔，同一供电区段内在某车制动时让邻车处于牵引状态，可大幅减少此区间需回收的再生制动能量。

以青岛地铁3号线为例，自2017年4月27日与5月6日起分别对工作日和周末高峰期的发车间隔进行了调整，增加了高峰期的发车对数，高峰期发车间隔由6 min 45 s调整为6 min 15 s，调整前后对比见图3。

图3 青岛地铁3号线高峰期发车间隔调整前后对比图

由图3(a)可以看出，在原运行图发车间隔下，在延安三路地铁站周边供电区间内的江西路站、太平角公园站及人民会堂站存在多车同时制动的情况，在此工况下列车可回收的再生制动能量较多。由图3(b)可以看出，发车间隔调整为6 min 15 s后，当延安三路站有车辆制动时，在江西路站、中山公园站存在多车同时牵引的情况，在此工况下邻车吸收再生制动能量效果较好，再生制动能量回收装置可回收的再生制动能量较少。据统计，在运行图调整前超级电容储能型装置日均节电量为1 100 kW·h，运行图调整后日均节电量仅约600 kW·h，可回收再生制动能量减少约50%。

2.2 季节因素影响分析

经过运营数据统计，在相同运行图下同一地铁线路不同季节也可引起再生制动能量回收装置节电量的较大变化。其中夏季列车空调的开启会引起线网中可回收利用的再生制动能量减少，列车辅助功率的大小也会影响线路再生制动能量回收装置的节电量。

以无锡地铁为例，研究季节因素对再生制动能量回收装置节电量的影响。图4为2019年无锡地铁天一地铁站的储能型装置日均节电量数据。

图4 2019年无锡地铁天一站储能型装置日均节电量

根据图4中的数据发现，2019年第3季度储能型装置的日均节电量比其他季度明显减少，分析原因为夏季列车空调开启，列车辅助功率大，线路邻车之间吸收再生制动能量的效果明显增强，导致线网区间可回收的再生制动能量减少。

2.3 装置启动阈值对节能影响分析

合理调整再生制动能量回收装置的启动阈值，可以有效地延长装置可回收再生制动能量的距离，进而提高装置的节电量及使用率。图5为无锡地铁天一站储能型装置在充电启动阈值分别为1 750 V、1 770 V、1 780 V、1 790 V时日均节电量图(放电启动值均为1 610 V)。

图5 不同启动阈值时储能型装置日均节电量

通过研究分析无锡地铁天一站储能型装置在相同运行图、不同启动阈值时的节电量变化，可以发现，启动阈值位于1 770～1 790 V时，阈值下调后装置节电量明显得到提升，其中阈值每下调10 V，装置的日均节电量可提升100 kW·h。据计算分析，启动阈值每下调10 V，可增加有效回收再生制动能量距离约1.73 km。对于配置再生制动能量回收装置较少的线路，可以使用该方式增加线路总体再生制动能量回收量。

2.4 装置容量对节能影响分析

图6为超级电容储能型装置的工作状态。

图6 超级电容储能型装置的工作状态

从图6超级电容储能型装置吸收再生制动能量的过程曲线可以看出，当电容电压上升至最高电压后，装置的充放电电流被迫降至0，超出装置可存储容量部分的再生制动能量无法进行回收利用。

储能型装置由于能量存储单元容量有限，导致不能持续长时间吸收再生制动能量。超级电容型装置在超级电容器电压达到最大工作电压后无法再吸收能量，同时超级电容器电压较低时也无法输出最大功率，因此同等功率的中压能馈型装置和超级电容储能型装置在同一供电区间投运时，超级电容储能型装置的节电量往往低于中压能馈型装置。

因此，在城市轨道交通供电系统中装配超级电容储能型装置时，应充分考虑近期、远期各种可能的运营条件，进行科学的供电系统能量潮流仿真计算，综合选定装置的容量，并尽可能在同一地铁线路中同时装配能馈型装置弥补储能型装置容量不足的缺点，以避免频繁出现再生制动能量无法回收的情况。

在使用混合型装置时，应使用潮流仿真计算软件，通过合理的仿真计算来配置再生制动能量回收装置的类型、容量及选址。这样可充分发挥能馈型装置和储能型装置相结合的优点，既能充分回收利用再生制动能量，又能避免能馈型装置出现返送电的现象，还能减少线路上装置容量的过度配置。

以青岛地铁11号线为例，在全线配置13套3 MW能馈型装置的情况下，从潮流仿真计算软件分析计算结果可以看出，中国海洋大学主变电所Ⅰ段和皋虞主变电所Ⅰ段均有返送电情况(图7)。据统计，2个主变电所每日共返送电量1 336.87 kW·h。

图7 青岛地铁11号线能馈型装置配置方案变电所用电情况

将再生制动能量回收装置配置方案调整为7套3 MW能馈型装置和6套1.5 MW储能型装置后，中国海洋大学主变电所Ⅰ段和皋虞主变电所Ⅰ段的返送电现象消失，如图8所示。且经过仿真计算发现，线路日均总节电量差异不大。因此通过合理使用潮流仿真计算，可以在线路设计规划阶段优化系统的配置及选型，充分发挥能馈型和储能型两装置的优点。

3 总结

目前国内中压能馈型装置方案占据着较大的市场份额，但由于中压能馈型装置存在谐波及返送电情况,

图8 青岛地铁11号线混合型装置配置方案变电所用电情况

导致国际上应用仍以储能型装置方案为主，且出现了以色列等全线批量招标使用超级电容储能型装置的案例。随着储能元器件尤其是超级电容储能技术的快速发展，储能型装置的安全性及性价比将逐步上升，其市场占有率将有较大的上升空间。

在储能型装置应用过程中，影响其节能效果的因素较多。研究如何充分挖掘储能型尤其是超级电容储能型装置的潜力，提升装置在寿命期限内的使用率及节能效果有较大的现实意义。随着国内储能型装置和能馈型装置混合应用的案例越来越多，针对此类应用工况中对储能型装置节电因素的影响，后续还需要根据实际使用情况和统计数据进行深入的研究和分析。