电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置的节能分析

周尚明

（重庆轨道交通（集团）有限公司网络维保公司，400080，重庆∥工程师）

城市轨道交通用电主要有两个方面，一是车站和线路上的设备用电，二是车辆牵引用电。通过对重庆及全国各城市既有地铁线路运营情况的调研，发现车辆牵引用电占地铁总用电量的50%以上。随着线路开通年限的增加、发车间隔的缩短、发车数量的增多，车辆牵引用电所占比例还将有所增加［1］。

目前，城市轨道交通车辆普遍采用“再生电制动＋机械制动”的制动方式，制动能量可达到牵引能量的30%以上。因此，如何提高车辆制动能量利用率对发展绿色城市轨道交通具有重要的意义。

重庆市在轨道交通3号线设计中，首次研发了电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置，在国内城市轨道交通领域首次将车辆再生制动时产生的电能，通过地面逆变器装置反馈至车站低压动力照明系统进行再利用；当逆变电能不能被完全吸收时，利用地面电阻装置进行吸收。该装置也已成功地应用于重庆轨道交通1号线中。重庆轨道交通3号线、1号线投入运营以来，该装置已发挥了重要的节能环保作用。

1 电阻－逆变型制动能量地面吸收装置原理

1.1 主电路

电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置主电路主要包括：进线直流断路器QF1、电动隔离开关QS、负极隔离开关 QS2、线路接触器 KM1和KM21、斩波单元VT11～VT14、吸收电阻RZ1～RZ4、逆变单元VT1～VT8、交流接触器KM10、隔离变压器T、400V断路器QF2及微机控制装置等。主电路原理图如图1所示。

1.2 工作原理

电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置，根据接触网电压的波动情况来判断逆变或者电阻吸收装置是否投入工作。当电网电压达到1 400V，地面吸收装置完成整个装置投入吸收前的准备工作；为地面吸收装置设置电网电压二级判断基准值后，当电网电压升到第一级判断电压1 680V（可调）时，首先投入逆变装置吸收；当逆变装置不能完全吸收该能量时，将引起电网电压上升，在电压升到第二级判断电压1 700V（可调）时，电阻斩波器立即投入工作，电阻开始消耗制动能量，稳定电网电压，以确保列车充分有效地利用电制动。吸收判断基准值将随整流变压器一次侧的电压波动而作相应浮动［2］。

1.3 运行模式

图1 电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置主电路原理图

该装置的运行模式有以下三种。

1）工作模式：电阻、逆变同时投入运行，逆变首先吸收，当逆变全功率吸收过剩时电阻补充吸收。

2）故障模式：逆变系统故障时，可退出逆变系统由电阻单独吸收运行。

3）调试模式：将“工作模式”开关定在“测试”状态，对逆变装置，电阻装置分别设定模拟输入电流，进行模拟负载试验，检测逆变、电阻装置是否正常。

2 应用分析

2.1 应用现状

重庆市轨道交通1号线朝天门站—沙坪坝站全长16.5km，14座车站；有6座正线牵引变电所，分别为小什字、七星岗、鹅岭、歇台子、高庙村、沙坪坝牵引变电所，共设置6套电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置。车辆段牵引所采用纯电阻型吸收装置。车辆采用B型车，6节编组。每座牵引变电所逆变吸收额定容量为1 200kW，采用8个逆变单元并联运行；电阻吸收额定容量为2 430kW，采用4支路斩波器加吸收电阻。

重庆市轨道交通3号线二塘站—江北机场站全长39km，有29座车站，11座正线牵引变电所，共设置11套电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置。车辆段牵引所采用纯电阻型吸收装置。车辆采用跨坐式单轨列车，6节编组。正线每座牵引变电所逆变吸收额定容量为900kW，采用8个逆变单元并联运行；电阻吸收额定容量为1 560kW，采用2支路斩波器加吸收电阻。

2.2 安全性能保障

为了验证2座牵引变电所电阻－逆变装置同时退出时对列车电制动是否产生影响，2011年7月26—27日，在1号线鹅岭站—沙坪坝站区间进行了其中间2座牵引变电所电阻－逆变装置同时退出2h的测试。区间长10.02km，正线8列车编组上线运行。列车在各级档位电制动时，鹅岭、沙坪坝牵引变电所装置均吸收正常，接触网电压也在正常范围内。沙坪坝、鹅岭牵引变电所的电网电压、吸收电流见图2、图3所示。

图2 沙坪坝牵引变电所电网电压、吸收电流曲线图

图3 鹅岭牵引变电所电网电压、吸收电流曲线图

2011年9月23日，在3号线两路口站—唐家院子站区间进行退出红旗河沟、牛角沱2座牵引变电所电阻－逆变装置2h的测试。区间长8.11km，正线7列车编组运行。列车在各级档位电制动时，区间两侧牵引变电所装置均工作正常，接触网网压控制在正常范围内。

综合1、3号线测试结果可知，在正线同时退出2座牵引所电阻－逆变装置，列车正常电制动时其邻所的电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置吸收正常。因此，电阻－逆变装置安装在正线牵引变电所，完全可以保障列车的安全稳定运行。

2.3 逆变回馈电能的质量（谐波）分析

为确保逆变回馈时400V配电系统电能的质量，对3号线牛角沱牵引变电所进行逆变回馈电能的测试。测试波形图如图4、5所示。

图4 逆变器空载时AC 400V电压波形图

图5 逆变器回馈时AC 400V电压、电流波形图

测试结果表明，AC 400V电压及逆变装置回馈电流的畸变较小，未超过相关国家标准规定的5%要求，对用电设备无影响。

3 节能分析

3.1 逆变回馈节能

3.1.1 1号线逆变回馈节能

重庆轨道交通1号线目前早晚高峰时段按10列车编组运行，平峰时按8列车编组运行。2012年4月24日至30日，对1号线正线牵引变电所电阻－逆变装置一周吸收的电量进行了统计，包括电阻装置及逆变装置总吸收电量、电阻装置吸收电量、逆变装置吸收电量及隔离变压器损耗的电量，详见表1。

根据统计的结果，电阻－逆变装置平均每天吸收车辆制动产生的总电量为11 401.91kWh。其中电阻装置吸收电量3 631.21kWh，占32%；逆变装置吸收电量7 602.37kWh，占67%；隔离变压器损耗电量168.33kWh，占1%。

表1 1号线正线牵变电引所一周吸收电量统计kWh

另外，2012年4月24日至30日，还对逆变装置逆变反馈回系统的逆变电量进行了统计，包括逆变回馈总电量、逆变回馈至低压400V配电系统的电量、逆变回馈至中压35kV系统电量及逆变回馈至高压110kV系统电量，见表2。

表2 1号线正线牵引变电所一周逆变反馈电量统计kwh

根据统计结果，在每日平均的逆变吸收电量7 602.37kWh中，其中回馈至400V配电系统电量为2 641.08kWh，占逆变总电量的35%；回馈至35 kV中压系统电量为4 059.29kWh，占逆变总电量的53%；回馈至110kV系统的电量为902kWh，占逆变总电量的12%。

3.1.2 3号线逆变回馈节能

目前，重庆市轨道交通3号线二塘站—江北机场站区间早晚高峰时段采取大小交路套跑运行：四公里站—江北机场站大交路按14列编组运行；二塘站—龙头寺站小交路按8列编组运行。平峰时二塘站—江北机场站按大交路18列编组运行。

2012年4月28日至5月04日，对重庆市轨道交通3号线正线牵引变电所电阻－逆变装置一周吸收的电量进行了统计，详见表3。

表3 3号线正线牵引变电所一周吸收电量统计kWh

根据统计结果，电阻－逆变装置平均每天吸收车辆制动产生电量为5 533.2kWh。其中：电阻装置吸收电量为2 158.8kWh，占39%；逆变装置吸收电量为3 250.1kWh，占59%；隔离变压器损耗电量124.3kWh，占2%。

2012年4月28日至5月04日，同时对逆变装置逆变反馈回系统的逆变电量进行了统计，包括逆变回馈总电量、逆变回馈至低压400V配电系统的电量、逆变回馈至中压35kV系统电量（无逆变回高压110kV系统），详见表4。

表4 3号线正线牵引变电所一周逆变反馈电量统计kWh

3.1.3 经济效益分析

通过1、3号线逆变回馈节能的统计分析，1号线每日运行约4 645车km，每日回馈节能7 602.37 kWh，平均每车km节能1.64kWh，1年可以节能2 774 865kWh。按0.793元／kWh计算，该装置全年可节约电费220万元。3号线每日运行约10 929车km，每日回馈节能3 250.10kWh，每车km节能0.30kWh，1年可节能1 186 286kWh，全年可节约电费94万元（详见表5）。

表5 1、3号线节能及经济效益汇总

1号线平均每日牵引用电5.46万kWh，逆变回馈节约能量占牵引用电的13.93%；3号线平均每日牵引用电9.82万kWh，逆变回馈节约能量占牵引用电3.31%。目前，因受到逆变回馈开关额定电流等限制，1、3号线逆变装置实际投入容量分别占额定容量的60%、45%，今后调整改造后，其回馈节能效果将会更加显著。

3.2 减少隧道风机耗能

采用传统的车载制动电阻吸收方式，再生能量将主要被车载吸收电阻以发热的方式消耗掉，其结果是加速隧道的温升。电阻－逆变装置则在反馈节能的同时又很好地避免出现这种情况。通过安装在重庆轨道交通1、3号线各地下车站的采样点温度显示，各地下车站温度基本不变。因此，每天仅需要在07：00～08：00和17：00～18：00两个时段开启隧道风机，与国内采用车载电阻吸收方式每天需开启隧道风机20h相比，大大减少了开启时间，节约了耗能。

以1号线为例，正线及出入段线隧道风机总功率为896kW，平均每天节约风机耗能16 128kWh，一年节能5 886 720kWh，全年节约电费466万元。同时，地下站风机开启周期的缩短，也降低了地下粉尘污染，在一定程度上保护了地下隧道环境。

3.3 降低列车闸瓦磨耗

一般车载电阻自重800kg，电阻逆变装置的使用则使车辆自重减少。此外，列车以电制动为主，当速度低于设定的速度（5～10km／h）时才采用机械制动，列车机械制动的时间缩短，降低了闸瓦的磨耗，延长了闸瓦的使用［3］。

4 结语

电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置在重庆市轨道交通1、3号线应用以来，节能效果比较明显；同时，采用电阻－逆变混合吸收方式，车辆自重减少且机械制动时间很短，闸瓦磨耗降低。重庆市轨道交通1、3号线采用电阻－逆变型再生制动能量地面吸收装置以来，积累了很多宝贵的运行经验，对今后新建线路及国内其它城市轨道交通线路的设计具有借鉴意义，同时符合国家节能减排要求，故具有推广价值。

［1］王彦峥，苏鹏程.城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究［J］.电气化铁道，2004（2）：37.

［2］张云太.利用车辆再生电能，建设持续发展地铁［J］.交通世界，2011（8）：1.