隨著國內(nèi)軌道交通行業(yè)迅速發(fā)展，綠色、節(jié)能的地鐵運營模式被越來越多的城市重視，列車制動能量再利用成為軌道交通節(jié)能的重要研究課題。再生制動能饋裝置在高運量、短距離的軌道交通行業(yè)中的作用日益顯著，低排放、高效率的能源結(jié)構(gòu)模式也逐漸成為地鐵建設(shè)和運營的發(fā)展方向。

目前地鐵列車制動能量利用主要有4種方式，即電阻吸收、電容儲能吸收、飛輪儲能吸收及逆變吸收。純電阻吸收方式造成能源浪費，電容和飛輪儲能方式造價高，目前未被廣泛應(yīng)用。中壓逆變吸收方式因能有效回饋制動能量、抑制網(wǎng)壓波動、減少直流電壓波紋和諧波含量，并且與車載制動電阻配合好，前期投資相對合理，在國內(nèi)軌道交通行業(yè)普遍應(yīng)用。

1 研究背景

1.1 能饋裝置原理

地鐵列車在進(jìn)站制動時，機械能大部分轉(zhuǎn)化為電能，其中一部分被線路上其他正常行駛和起動的列車吸收，一部分被列車制動電阻轉(zhuǎn)化為熱能消耗，還有一部分通過牽引所內(nèi)的能饋裝置回饋到中壓網(wǎng)絡(luò)（制動能量分配過程如圖1所示）。據(jù)測算，列車制動時產(chǎn)生的能量可達(dá)牽引能耗的20%～50%，利用制動能量將有效節(jié)約電能。

在未設(shè)置能饋裝置的線路上，制動電阻消耗的再生能量會增加，制動時牽引網(wǎng)電壓也會相應(yīng)升高，帶來車體及隧道升溫、區(qū)間散熱風(fēng)機能耗增大、牽引網(wǎng)電壓超限等問題，浪費能量的同時增加后期費用。

圖1 制動能量分配

1.2 能饋裝置應(yīng)用情況

某地鐵1號線、3號線均采用電阻-中壓逆變吸收方式，列車采用變壓變頻（variable voltage and variable frequency, VVVF）牽引制動系統(tǒng)，通過直線電機驅(qū)動車輛，制動電阻安裝在車體底架下方，中壓逆變裝置（以下簡稱能饋裝置）設(shè)置在正線牽引所。

1號線正線共9座牽引變電所，每站安裝1套中壓能饋裝置，起動電壓為1700V。設(shè)計時估算單站每日制動回饋能量約為1000～1500kW?h，但設(shè)備上線后，大部分站點回饋能量僅為200～500kW?h，少數(shù)站點回饋能量超過2000kW?h（見表1），總體來看，1號線能饋裝置利用率不足50%，并且站間差別較大。

為發(fā)揮能饋裝置的效能，節(jié)約初期投資，本文對某后續(xù)線路全線安裝或隔站設(shè)置能饋裝置進(jìn)行研究，通過模擬不同工況下能饋吸收效果，以找到合理的設(shè)置方案，節(jié)約投資費用。

表1 1號線日回饋電量

2 某新線基本情況

后續(xù)某線全長約40多km，設(shè)置34座地下車站，正線共24個牽引所，區(qū)間長度見表2。車輛為6編組A型車，最高運行速度80km/h，牽引供電制式為直流1500V剛性接觸網(wǎng)。線路初期、近期采用大小交路套跑方式運營，根據(jù)客運時段不同，每日上線列車6對至27對。

表2 區(qū)間長度（單位: km）

3 能饋裝置分站設(shè)置仿真

結(jié)合某新建線路總體設(shè)計文件，在區(qū)間長度、坡度、運行圖、行車密度基本確定的情況下，選擇牽引所全部設(shè)置、每隔一處牽引所設(shè)置一套、每隔兩處牽引所取消一套能饋裝置3種情況，對6、8、12、15、20、27對列車上線運行工況（行車密度分別為10min、7.5min、5min、4min、3min、2.5min）進(jìn)行模擬仿真。

列車運行仿真模擬是根據(jù)設(shè)計線路縱斷面、列車牽引特性、供電特性、列車阻力特性、牽引網(wǎng)電壓以及運營組織要求等各種資料仿真各個運營階段列車全線運行狀態(tài)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為運行圖模擬和供電節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模擬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1 仿真計算

根據(jù)既有列車技術(shù)參數(shù)、區(qū)間長度、運行圖、行車密度、線路各變電所數(shù)量，對不同運行圖下多輛列車在正線模擬工況仿真計算。

3.2 列車制動能量利用率

根據(jù)軟件仿真及3.1節(jié)中公式計算，列車在全線一次折返的牽引能耗為1989.5kW?h，輔助用電能耗為385kW?h，再生制動能量為◆1156.8kW?h，由此可得全線運營中列車制動產(chǎn)生的能量與列車由牽引網(wǎng)獲取的電能的比值約為49%。

從表3仿真結(jié)果看，相鄰車輛間互相吸收的再生能量所占比例占總牽引電量的32%～45%，列車制動能量利用率約為66%～90%，在不考慮加裝再生能饋裝置前提下，制動產(chǎn)生的再生能量約10%～33%轉(zhuǎn)化為熱能消耗。

表3 不同列車密度牽引負(fù)荷計算值對比表

3.3 某線路仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1）能饋裝置輸出功率仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果（如圖2—圖4所示）可以看出，當(dāng)列車上線對數(shù)不同時，全線24座牽引所單套再生能饋裝置輸出功率呈無規(guī)律變化，但總體看上線列車較少時能饋裝置的輸出功率較大。

參考表3的數(shù)據(jù)，線上列車較多時，相鄰車輛間相互吸收的再生能量比例相對增大，線上列車對數(shù)較少時，相鄰車輛間相互吸收的再生能量下降，相當(dāng)一部分能量通過制動電阻發(fā)熱消耗。因能饋裝置輸出功率在不同運行圖下變化較大，設(shè)備選型時需要考慮滿載及短時過載狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備容量，減少設(shè)備購置費用。

圖2 牽引所全部設(shè)置時的能饋裝置功率

圖3 每隔一處牽引所設(shè)置時的能饋裝置功率

圖4 每隔兩處牽引所取消一套時的能饋裝置功率

2）能饋裝置能量吸收仿真結(jié)果

以初期運營組織提供的不同時間段發(fā)車間隔為例，不同分站設(shè)置方案下24個牽引所每天吸收的再生制動能量如圖5所示。

圖5 能饋裝置能量吸收情況

經(jīng)模擬計算，正線牽引變電所均設(shè)置能饋裝置全天吸收電能約為27100kW?h；隔兩座牽引變電所取消一套時全天吸收電能約為25200kW?h，占全部設(shè)置方案吸收總量的93%；隔一座牽引變電所取消一套時全天吸收電能約為23400kW?h，占全部設(shè)置方案吸收總量的86%。

因線路采用直流1500V接觸網(wǎng)供電方式，其供電電壓等級及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼軌電位限值決定了牽引變電所設(shè)置的距離，若繼續(xù)取消能饋裝置，車輛再生制動能量傳輸?shù)木嚯x增加，能饋裝置吸收的效果反而大幅降低。

3）設(shè)備選型

根據(jù)仿真結(jié)果，牽引所全部設(shè)置的能饋裝置功率為800～2500kW，每隔一處牽引所設(shè)置的能饋裝置功率為1500～3600kW，每隔兩處牽引所取消一套的能饋裝置功率為1400～3300kW。

當(dāng)再生能饋裝置達(dá)到滿載工作狀態(tài)時，系統(tǒng)不會長時間超負(fù)荷運行，無法吸收的再生能量由就近牽引所能饋裝置吸收，結(jié)合運營期管理情況，能饋裝置容量選型不宜超過3種。3種分站設(shè)置方案情況下的設(shè)備推薦選型見表4。

表4 能饋裝置選型

4）經(jīng)濟(jì)性分析及方案選擇

國內(nèi)中壓能饋裝置大多數(shù)由絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）元件高速通斷實現(xiàn)再生能量吸收控制，使用壽命按20年計算，3種方案中所有牽引所均預(yù)留能饋裝置房間，配套設(shè)置中只含配套交直流開關(guān)柜及環(huán)控氣滅。根據(jù)表4中設(shè)備容量選型及分站設(shè)置方案，計算出設(shè)備、土建投資及電費節(jié)約金額見表5。

表5 投資及收益估算

從表5可看出，每隔一處牽引所設(shè)置1套的方案裝置及配套設(shè)施投資最少，20年凈收益最多。

4 結(jié)論

從經(jīng)濟(jì)性和后期運營維保便利性分析，后續(xù)線路推薦采用每隔一處牽引所設(shè)置一套能饋裝置方案。由于新建線路區(qū)間構(gòu)造、列車制式、運行圖有所不同，后續(xù)新線均建議進(jìn)行仿真計算，以獲得合理的再生制動設(shè)計方案。此外，中壓逆變能饋裝置不僅適用于地鐵項目，在中高行車密度的有軌電車、輕軌等項目中也有廣泛應(yīng)用。電容式能量吸收裝置在未來科學(xué)技術(shù)不斷突破下，也有較好的應(yīng)用前景。

隨著大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，更多的軌道交通模型將被建立，再生能量仿真系統(tǒng)也將日趨完善，合理設(shè)計設(shè)備配置不僅能夠節(jié)約投資，更是為設(shè)備系統(tǒng)在功能性、經(jīng)濟(jì)性、安全性三者之間找到平衡點提供實際應(yīng)用支撐。