張靈芝

雙向變流型再生能量回饋系統(tǒng)的應(yīng)用效益研究

張靈芝

城市軌道交通系統(tǒng)中再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的推廣應(yīng)用將大大減少車輛采購成本和地鐵運(yùn)營成本、降低碳排放，從而推動(dòng)我國城市軌道交通向綠色環(huán)保方向快速邁進(jìn)。以雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)為具體對(duì)象，研究該系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用效果，以某地鐵線路的具體線路條件參數(shù)為分析依據(jù)，分析該系統(tǒng)在具體線路中能獲得的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

城市軌道交通；再生制動(dòng)；效益研究

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到軌道交通的效益和節(jié)能的重要性。城市軌道交通運(yùn)營過程中必然需要頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量都被浪費(fèi)，再生制動(dòng)能量若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的效益。目前，列車再生能量吸收裝置主要包括電阻耗能型、儲(chǔ)能型和逆變回饋型。電阻再生能量吸收裝置能量消耗較大，目前新建地鐵線路中很少采用。儲(chǔ)能型再生能量吸收裝置占地較大，設(shè)備難以采購，國內(nèi)應(yīng)用較少。逆變型再生能量吸收裝置由于設(shè)備可控，效率較高，目前各新建地鐵線路中主要采用逆變型。本文以逆變型新的解決方案——雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)為具體對(duì)象，參考北京地鐵14號(hào)線運(yùn)行情況，以國內(nèi)某新建地鐵線路應(yīng)用雙向變流型再生電能利用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)具體數(shù)據(jù)為分析條件，研究該系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)介紹

雙向變流型再生能量回饋系統(tǒng)的特點(diǎn)是為了盡量減少再生電能吸收利用裝置對(duì)既有線路運(yùn)行的影響，將該裝置的整流/逆變通路與既有的牽引變電所整流通路分離，采用其整流/逆變支路與二極管整流牽引機(jī)組并列布置方式，再生電能吸收利用系統(tǒng)直流側(cè)通過直流饋線柜和直流柜接直流牽引網(wǎng)，交流側(cè)通過40.5 kV開關(guān)柜接站內(nèi)35 kV母線，在列車制動(dòng)時(shí)將多余的再生制動(dòng)能量反饋回交流電網(wǎng)。該系統(tǒng)能夠抑制直流網(wǎng)壓的大范圍波動(dòng)，減小直流電壓紋波，提高供電質(zhì)量，達(dá)到避免列車再生制動(dòng)能量在能耗電阻上的白白消耗、節(jié)約電能的目的。

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)中的裝置主要包括變壓器、雙向變流柜及直流柜。變壓器低壓側(cè)4個(gè)繞組分別與雙向變流柜的4重模塊相連，而雙向變流柜的直流負(fù)極引入直流柜，其直流正極直接引入直流1 500 V開關(guān)柜。其中直流柜完成雙向變流型再生電能吸收利用裝置與直流母線負(fù)極的隔離、濾波功能及網(wǎng)絡(luò)通信等功能；雙向變流柜則實(shí)現(xiàn)電能在直流側(cè)與交流側(cè)的雙向流動(dòng)，同時(shí)完成系統(tǒng)級(jí)功能、系統(tǒng)級(jí)保護(hù)等功能；變壓器則將電壓在高壓與低壓之間轉(zhuǎn)換及隔離。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，整套裝置額定工況下輸出功率因數(shù)大于0.98，額定工況下整套設(shè)備效率超過95%。

圖1 雙向變流型再生電能吸收利用裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 經(jīng)濟(jì)效益研究

城市軌道交通供電系統(tǒng)采用雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)后，將對(duì)車輛、供電系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的初期投資和長期運(yùn)行成本產(chǎn)生非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益。為便于表述，本文分析中將雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備用再生能量回饋裝置進(jìn)行統(tǒng)稱。

再生能量回饋裝置的運(yùn)行效果除了與本身裝置的技術(shù)方案及其選型有關(guān)外，還與車輛參數(shù)以及整個(gè)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析時(shí)，選取某地鐵試驗(yàn)段線路參數(shù)為模板，分析選取的線路條件如下。

（1）線路長22.8 km，設(shè)10個(gè)牽引變電所。

（2）車輛采用由中國南車株洲電力機(jī)車廠生產(chǎn)的B型車，4動(dòng)2拖，最高運(yùn)行速度80 km/h，AW2工況下（牽引重量335 t）且不考慮輔助系統(tǒng)用電情況下運(yùn)行能耗為0.047 25 kW?h/ (t?km)。

（3）按照某地鐵運(yùn)營規(guī)劃，列車配備：初期（規(guī)劃至2017年）14對(duì)/h，近期（規(guī)劃至2024年）20對(duì)/h，遠(yuǎn)期（規(guī)劃至2039年）26對(duì)/h，遠(yuǎn)景規(guī)劃達(dá)到30對(duì)/h。線路按每日運(yùn)行18 h計(jì)算。

2.1 對(duì)車輛投資及能耗優(yōu)化分析

設(shè)置再生能量回饋裝置對(duì)車輛的影響主要體現(xiàn)在初期投資成本和運(yùn)行成本減少兩方面。

2.1.1 減少車輛投資

該線路上設(shè)置再生能量回饋裝置，取消車載制動(dòng)電阻。每列車將減少4輛動(dòng)車上的制動(dòng)電阻及其控制設(shè)備的投資。根據(jù)目前的價(jià)格水平，每列車（4動(dòng)2拖）將減少投資為60萬～70萬元，按最高預(yù)期計(jì)算，初期14對(duì)（28列）車將節(jié)約投資 1 960萬元，到2024年增購6對(duì)（12列）時(shí)將再次節(jié)約投資840萬元。

2.1.2 節(jié)約運(yùn)行成本

運(yùn)行成本節(jié)約體現(xiàn)在車輛減重帶來的節(jié)能收益以及相應(yīng)的電阻強(qiáng)迫通風(fēng)設(shè)備節(jié)能收益。

車載制動(dòng)電阻取消后整車減輕重量約為1.5 t，運(yùn)營初期就會(huì)帶來減重節(jié)約能耗131.65萬kW?h/年，近期為169.87萬kW?h/年，遠(yuǎn)期則達(dá)到210.92萬kW?h/年。電費(fèi)的綜合單價(jià)取1.1元/（kW?h），減重節(jié)約能耗乘以電費(fèi)單價(jià)則可得出節(jié)約運(yùn)行成本，分別為：初期144.82萬元/年，近期為186.86萬元/年，遠(yuǎn)期則達(dá)到232.01萬元/年。

此外，取消車載制動(dòng)電阻，直接減少了列車在隧道內(nèi)的發(fā)熱，降低隧道內(nèi)平均溫升0.5～1 ℃，將減少車載通風(fēng)的運(yùn)行成本。參考北京地鐵14號(hào)線的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行初步估算，隧道溫度的降低可減少列車運(yùn)行過程中車載通風(fēng)成本15～25萬元/年。初期在線運(yùn)行車輛總數(shù)相對(duì)較少，節(jié)約車載通風(fēng)運(yùn)行成本取下限值15萬元/年，近、遠(yuǎn)期在線運(yùn)行車輛總數(shù)相對(duì)較多，節(jié)約車載通風(fēng)運(yùn)行成本取上限值25萬元/年。

2.2 對(duì)牽引供電系統(tǒng)的能耗優(yōu)化分析

設(shè)置再生能量回饋裝置對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是增加了初期投資，主要是設(shè)備及其設(shè)備用房的初期投資；二是運(yùn)行中利用再生能量回饋裝置所節(jié)約的電能。2個(gè)結(jié)果相減就是采用再生能量回饋裝置所實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益。

在本分析中，該線路共設(shè)置10座牽引降壓混合變電所（其中正線8座，車輛段、停車場各1座）。目前再生能量回饋裝置約為500萬元/套，則10座牽引變電所設(shè)備增加投資5 000萬元。牽引變電所設(shè)備用房總增加面積約為50 m2，地下建筑設(shè)施平均造價(jià)為1萬元/m2，則10座牽引變電所設(shè)備用房增加投資500萬元。每個(gè)牽引變電所能量回饋裝置每年平均運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用約為35萬元。

參考北京地鐵14號(hào)線已有運(yùn)行數(shù)據(jù)，在取消車載電阻的情況下，發(fā)現(xiàn)列車再生制動(dòng)能量占牽引能耗40%～80%，在投運(yùn)初期或行車對(duì)數(shù)較少時(shí)，甚至超過80%，遠(yuǎn)期由于運(yùn)行成本上升和設(shè)備老化，效率較低，綜合節(jié)能率為40%左右。而同樣條件下，采用電阻再生制動(dòng)能量占牽引能耗的比率一般為35%～58%。

對(duì)照北京地鐵14號(hào)線運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析該地鐵線路采用回饋式再生電能利用裝置從5月16日到7月8日進(jìn)行了54天的實(shí)際測試，結(jié)果顯示，在測試期間，該地鐵線路全線日平均總回饋電能31 269 kW·h，全線日平均牽引能耗38 771 kW·h，回饋電能占牽引能耗比例80.65%，符合線路運(yùn)營初期的預(yù)計(jì)目標(biāo)。

參考北京地鐵用電取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，采用1.1元/（kW?h）的單價(jià)，如果所有電能均被地鐵設(shè)備消耗，則全線每個(gè)月（按30天計(jì)）節(jié)約電費(fèi)高達(dá)103.19萬元，1年（365天）節(jié)約電費(fèi)1 255.45萬元。當(dāng)然這只是初期取較高值時(shí)測算。在本分析中，列車再生制動(dòng)能量占牽引能耗的比率按照初期80%、近期60%、遠(yuǎn)期40%來取值。牽引變電所設(shè)置能量回饋裝置對(duì)牽引供電系統(tǒng)影響的經(jīng)濟(jì)分析詳見表1。

表1 設(shè)置再生能量回饋裝置對(duì)牽引供電系統(tǒng)影響的經(jīng)濟(jì)分析

2.3 投資回收期分析

再生能量回饋裝置與常規(guī)的供電系統(tǒng)設(shè)備一樣，其使用壽命為30年，綜合考慮牽引變電所能量回饋裝置自身及其對(duì)車輛、土建投資和車站環(huán)控系統(tǒng)初期投資和運(yùn)行成本影響，采用再生能量回饋裝置增加的投資包括設(shè)備投資5 000萬元和設(shè)備用房土建投資500萬元，共5 500萬元，減去車載電阻投資1 960萬元后，實(shí)際增加了3 540萬元。按2.1.2節(jié)及表1中運(yùn)行初期階段計(jì)算結(jié)果可知，取消車載制動(dòng)電阻后，每年由于車輛減重節(jié)約運(yùn)行成本144.82萬元，因取消車載制動(dòng)電阻減少了列車在隧道內(nèi)發(fā)熱，每年節(jié)約車載通風(fēng)空調(diào)運(yùn)行成本15萬元，牽引變電所設(shè)置能量回饋裝置每年可節(jié)約牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行成本905.45萬元，這3項(xiàng)每年共節(jié)約運(yùn)行成本1 065.27萬元。因此，按此計(jì)算得出，安裝再生能量回饋裝置，在設(shè)備運(yùn)行的初期階段4年內(nèi)就能夠收回投資成本并有收益，整個(gè)全生命周期30年內(nèi)的投資收益可觀，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 社會(huì)效益研究

節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展要求城軌建設(shè)引入新的綠色節(jié)能產(chǎn)品，以便促使城市軌道交通良性發(fā)展。然而，目前我國地鐵、輕軌的車輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量除了一定比例被其他相鄰運(yùn)行的列車吸收利用外，剩余部分主要被裝在列車上的吸收電阻或被裝設(shè)在地面上的吸收裝置以發(fā)熱的方式消耗掉，使得隧道和站內(nèi)的環(huán)境溫度升高，增加了環(huán)控系統(tǒng)的工作負(fù)荷，這不僅浪費(fèi)能量，而且也增加了站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)，并使城軌建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。再生制動(dòng)能量回饋產(chǎn)品的推廣應(yīng)用將大大減少車輛采購成本和地鐵運(yùn)營成本，降低碳排放，從而推動(dòng)我國城市軌道交通朝綠色環(huán)保方向快速邁進(jìn)。

從城市軌道交通供電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展來看，國外已有多家公司在城軌供電系統(tǒng)進(jìn)行了類似項(xiàng)目的研究，而且取得了一些成功業(yè)績，但其核心技術(shù)仍為國外公司所持有。對(duì)于地鐵建設(shè)和運(yùn)營單位而言，全部設(shè)備進(jìn)口既不符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，也與其盡快回收投資成本的想法相矛盾，同時(shí)國外產(chǎn)品昂貴的配件價(jià)格和售后服務(wù)費(fèi)用也使其成為運(yùn)營單位負(fù)擔(dān)。雙向變流型再生能量回饋系統(tǒng)的研發(fā)和推廣正是解決這一局面的有效手段之一，該系統(tǒng)由株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司研發(fā)并已獲得專利，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在北京地鐵14號(hào)線和長沙地鐵2號(hào)線采用。因此，雙向變流型再生能量回饋系統(tǒng)的推廣將極大提升我國城市軌道交通供用電系統(tǒng)能量利用和管理水平，同時(shí)形成符合我國國情的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的城軌直流供電系統(tǒng)新型再生制動(dòng)回饋節(jié)能技術(shù)體系，推進(jìn)我國城軌交通的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。

[1] 陳德勝. 城軌新型能饋式牽引供電集成技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2014.

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Cost Effectiveness of Application of Two Way Variable Flow Regeneration Energy Feedback System

Zhang Lingzhi

Taking the two way variable flow regeneration energy feedback system as focus, the paper studies the cost effectiveness of application of the system in urban rail transit. The economic and social benefi ts of the system can be obtained by using the parameters of specifi c track conditions of a metro line.

transit, regenerative braking, cost effective study

U231.8∶U260.35+9

2015-05-25

張靈芝：湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣系，講師，湖南株洲 412000

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（12C1144）