城市轨道交通逆变回馈型再生装置节能优化研究

于 喆



城市轨道交通逆变回馈型再生装置节能优化研究

于 喆

对城市轨道交通线路中压逆变回馈装置在全线的设置位置以及再生装置与整流机组接入中压系统的相对位置的节能效果进行了对比分析，得出结论并给出了建议，为优化中压逆变回馈装置整体的节能效果和经济效益提供参考。

逆变回馈装置；城轨交通供电系统；设置位置；节能效果

0 引言

近年来，中国城市轨道交通发展迅速，与其他交通方式相比，其具有运量大、安全准时等优点。根据中国城市轨道交通协会统计数据，目前全国已开通城市轨道交通的城市超过20个，运营线路总里程超过3 000 km，其中地铁约占75%。

供电系统是城市轨道交通的能源总补给系统，在城市轨道交通供电系统中安装逆变回馈型再生装置，可以将直流牵引网的列车制动能量逆变回馈至城轨交通供电系统的中压交流网络（35 kV或 10 kV）。目前，国内新建地铁线路几乎都将中压逆变回馈技术方案作为再生装置的首选，该技术代表了再生电能吸收利用的发展趋势，成为地铁节能减排的主要手段，其具有如下优势[1]：

（1）充分利用列车制动能量，减少牵引所输出能耗。（2）抑制网压抬升，减少闸瓦制动启动频率，降低隧道温升，减少闸瓦设备更换及温控系统的投入成本。（3）与飞轮储能或超级电容储能型再生装置相比，成本低、寿命长、回馈功率高、系统更安全可靠[2]。

本文主要对中压逆变回馈装置的设置位置以及再生装置与整流机组接入中压系统的相对位置进行分析和仿真研究，以优化全线中压逆变回馈装置整体的节能效果。基于此，搭建了包含中压逆变回馈装置的城轨交通供电系统仿真平台，以实际城轨线路为例，对安装在不同位置的中压逆变回馈装置的节能性进行仿真对比，以期得到最佳的节能效果和最大的经济效益。

1 城市轨道交通供电系统建模

城市轨道交通供电系统一般采用集中式或分散式供电方式，主变电所将城市电网降压至35 kV或10 kV，再经中压环网电缆将电源引入到全线各牵引所。牵引所将35 kV交流电降压整流为1 500 V或750 V直流电，向上下行列车供电。

如图1所示，城市轨道交通供电系统包含中压交流系统和低压直流系统。中压交流系统包含环网电缆、Ⅰ段和Ⅱ段母线等装置；低压直流系统包含整流机组、牵引网等装置。中压逆变回馈型再生装置安装于牵引所内，其直流侧并联在直流电网正负极，交流侧接入中压系统，实现将列车制动能量逆变回馈至中压交流系统的功能[2]。

图1 含逆变回馈型再生装置的城轨交通供电系统

2 装置设置方案对比分析

在城市轨道交通供电系统中设置逆变回馈装置通常采用2种方案：一种是全部牵引所均设置再生装置；另一种是间隔设置方案，即选择性地选取部分再生制动能量较高的牵引所设置再生装置。下文以国内某条城轨线路为例，分析2种设置方案不同的节能效果。该线路全线共21座车站，12座牵引变电所，牵引变电所间距见表1。

表1 牵引变电所间距 km

全部牵引所设置逆变回馈装置方案的节能效果如表2所示。

表2 全部牵引所设置方案节能效果 kW·h

采用间隔设置方案时，再生装置应尽量均匀分布且选设在再生能量回馈效果较好的牵引所。基于上述全部牵引所设置方案的仿真结果，可考虑选取在牵引所1、牵引所3、牵引所5、区间牵引所1、牵引所7、牵引所10六座牵引所设置再生装置，仿真结果见表3。

表3 间隔设置方案节能效果 kW·h

基于该线路的每日行车组织，可以得到逆变回馈装置在2种不同设置方案下的节能效果和经济效益对比，见表4。

表4 不同设置方案节能效果及经济效益对比

从上述结果可看出，间隔设置方案投资回收期短，但考虑全寿命综合收益，全部牵引所设置方案总体收益更高。另外，在全部牵引所设置再生装置能更有效减少列车闸瓦制动启动频率，减少闸瓦设备更换或环控系统投入等成本。因此，针对该线路，全部牵引所设置方案优于间隔设置方案。

3 逆变回馈装置与整流机组相对位置分析

3.1 理论分析

图2为列车制动能量在供电系统中的传输路径示意图。由图2可以看出，逆变回馈装置交流侧可以与整流机组接入同侧母线或异侧母线。逆变回馈至中压系统的再生能量可供本站和其他站的整流变压器或配电变压器使用，且逆变回馈至35 kV（或10 kV）系统的制动能量可以传输的距离相对于直流系统大很多。

图2 列车制动能量在供电系统中传输路径

为了均衡主所2个变压器的负荷，全线牵引所整流机组接入35 kV系统的母线一般为Ⅰ段和Ⅱ段交替。从图3、图4可以看出，若逆变装置与整流机组为同侧接入，牵引所2逆变回馈至35 kV系统的能量可供牵引所4的整流机组使用（当再生装置逆变回馈时，本站的整流机组不工作）；若逆变装置与整流机组为异侧接入，则牵引所2逆变回馈至35 kV系统的能量可供牵引所1、3、5的整流机组使用，数量增多。

图3 逆变回馈装置与整流机组接入同段母线（同侧接入）

图4 逆变回馈装置与整流机组接入异段母线（异侧接入）

表5、表6统计了全线各牵引所回馈至35 kV系统的能量可供使用的整流机组变压器的数量。

表5 5个牵引所回馈能量可供使用的整流机组变压器数

表6 6个牵引所回馈能量可供使用的整流机组变压器数

通过再生装置逆变回35 kV侧的能量可供使用的整流机组变压器的数量，异侧接入多于同侧接入。但是，同侧接入情况下，再生装置传输至各整流机组与本站的平均距离，较异侧接入情况更远，这有益于增大再生装置节能效果。因为近距离之间制动列车与牵引列车的能量交互，通过直流供电系统也可以实现，该工况下再生装置节能作用较小。

基于上述分析对比可以看出，再生装置与整流机组同侧接入和异侧接入情况下的节能效果相当。

3.2 实例验证

以国内某条城轨线路为例，对逆变回馈装置与整流机组分别接入同侧母线和异侧母线进行分析，结果如表7所示。

表7 再生装置回收利用能量 kW·h

表7统计数据为线路中各主所供电分区内所有牵引所在不同发车对数下，每小时可被其他牵引所整流机组利用的再生装置回馈能量数值。整体而言，该线路的再生装置与整流机组采用异侧接入节能效果优于同侧接入。

4 结语

本文主要对中压逆变回馈装置的不同设置方案以及再生装置与整流机组接入中压系统的不同相对位置所带来的节能效果进行对比分析和实例验证，对全线中压逆变回馈装置进行整体优化，以期得到最佳的节能效果和最大的经济效益。

基于国内实际城轨线路进行分析，从分析结果可以看出，逆变回馈装置采用全部牵引所设置方案，其全寿命周期内的综合效益优于间隔设置方案；逆变回馈装置与整流机组接入中压系统采用异侧接入节能效果优于同侧接入。对于其他城轨线路，应结合线路特征具体分析，如考虑进线路停车场和车辆段的位置、牵引所间距以及负荷情况等因素，再采用本文的分析方法决定逆变回馈装置设置方案，改善节能效果。

本文的分析和研究结果也可以为城轨运营公司在改善列车制动能量回收和提升公司运营效益方面提供一定参考。

[1] 陈勇. 基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2011.

[2] 陈怀鑫. 基于混合粒子群算法的城轨交通超级电容储能系统能量管理和容量配置优化研究[D]. 北京交通大学硕士学位论文， 2016.

[3] 刘聪. 逆变回馈装置在城市轨道牵引供电系统中的建模与仿真[D]. 西南交通大学硕士学位论文，2016.

[4] 曾之煜. 地铁逆变回馈型再生制动能量吸收装置仿真研究[D]. 西南交通大学硕士学位论文，2012.

[5] 杨中平. 新干线纵横谈[M]. 北京：中国铁道出版社，2012.

[6] 连鹏飞. 深圳地铁2号线工程再生制动能量吸收装置设置方案研究[J]. 铁道工程学报，2007（6）：85-90.

[7] 邓文豪. 城市轨道交通地面型超级电容储能系统关键技术的研究[D].中国铁道科学研究院，2010.

[8] 易振林. 地铁再生制动能量吸收系统研究[D]. 西南交通大学硕士学位论文，2016.

The paper analyzes and compares energy-saving effects through setting positions of medium voltage inversion feedback devices on the line of urban mass transit as well as relative setting positions for connecting regenerating devices and rectifier set to the medium voltage system, obtains conclusions and puts forward proposals, providing references for optimization of integral energy-saving effects and economic efficiency of medium voltage inversion feedback devices.

Inversion feedback device; urban mass transit power supply system; setting position; energy-saving effect

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.003

U231.8

A

1007-936X(2017)05-0010-03

于 喆.天津市地下铁道集团有限公司，高级工程师。研究方向为城市轨道交通供电和节能技术。

2017-04-12