城市轨道交通逆变再生能源制动系统综合效益分析论文_,熊志浩

本文对城市轨道交通线路中逆变再生制动装置在不同工况下的综合效益进行分析，得出客流量、列车制动初速度以及线路的地下区间占比为影响影响效益的主要因素，并通过实际工况，对既有项目是否引入逆变再生系统给出具体建议。

关键词：城市轨道交通、逆变再生装置、综合效益

0引言

近些年来，城市轨道交通迅猛发展，城市轨道交通的运量、密度积极速度，都在不断地提升。在享受城市轨道交通带来的便利的同时，也有些亟待解决的问题。地铁列车短距离地、频繁地开启与制动，产生了极大地能量浪费,同时由于大量的制动能量被电阻转换成热量排放到隧道或车站中，变相提高了环控系统的设计要求，增加了环控系统后期运行成本[1]。

列车制动再生装置的引入，为解决电能的浪费以及节能环保带来了解决方案。但再生装置前期高昂的设备费用投入，让很多城市在修建地铁过程中对于是否引入有所顾虑。本文基于实际的城市轨道交通新建线路，通过理论计算数据，分析逆变再生装置的节能的影响因素，从而对新建线路是否安装再生制动系统以及再生系统对的经济效益给出具有指导意义的建议。

1、地铁制动方案

目前，城市轨道交通常用的制动能量消耗吸收装置主要有电阻耗能型和逆变回馈型。

（1）地面电阻耗能型是较为成熟制动方案，利用车载大功率电阻将再生制动产生的能量以电阻发热的形式消耗掉[2]，如图1-1所示。

图1-1 电阻耗能型装置原理图

（2）逆变型再生回馈装置：列车发生制动时，通过逆变器和变压器将制动能量馈入35kV交流电网，从而达到了列车制动能量再次利用的目的[3]。当牵引网上的电压高于设定参考值时，逆变回馈装置投入运行，将制动产生的能量馈入交流电网[2]。

图1-2逆变型再生回馈装置工作原理图

两种方案的产品的具体的性能及投资情况如下表所示：

表 4种制动方案基本情况对比

除此之外，在用的制动方案还有电容储能型、飞轮储能型等，本文着重对分析电阻消耗型与逆变回馈型两种。

2、再生制动系统综合效能分析

2.1工程概况

某城市轨道交通线路线全长32.4公里，高架段约18.1km，地下段约12.6km，过渡段1.7km。全线车站12座，1段1场，其中地下站7座，高架站5座。共设14座混合所，2座降压所以及2座跟随所。除去段场以及区间牵引所部分，具备设置再生装置条件的牵引所共11座。采购车辆为A型车，初近远期均采用4 动2 拖6 辆编组。

具体情况如下表2-1、表2-2所示。

表2-1 线路总体工程概况表

根据再生装置在国内的发展与运用情况，其中电阻耗能型，前期投资少，但是后期运营成本相对较高；而逆变回馈型，前期投资成本较高，但是后期会产生较为可观的节能效果。结合既有经验并根据工况，需评估设置再生装置能带来的经济效益。

2.2 前期土建及系统设备投资

（1）土建及系统设备增加费用

根据既有工况，具备设置再生装置的牵引所共11座。若设置再生装置，每座牵引所需要单独的设备放置室，故需每个牵引所需增加土建面积50平方米。当增加1套再生制动装置时，需要在额外增加配套的35kV开关柜1面，1500V直流开关柜1面，具体如下表2-3所示：

表2-3 再生装置前期投资费用表

（2）系统设备节约费用

采用常规的电阻消耗，每列车中需安装4套车载制动电阻，每套费用为13万元；若采用再生装置，则可将4套车载制动电阻替换为4套单价为8万元的过压吸收装置，每列车节省20万元，具体如下表2-4所示。

表2-4 单列车设备费用对比

2.3后期运营

2.3.1制动节能

（1）列车总荷载计算

A、车辆编组形式与车重：车辆分为Tc车、Mp车和M车，Tc车为带司机室的拖车，Mp车为装有受电弓的动车，M车为动车。Tc车、Mp车和M车组成一个基本单元，每列车有二个基本单元组成，为实现双向运行，列车的编组方式如下为：-Tc＋Mp＋M＝M＋Mp＋Tc-。

B、车辆轴重：列车按照载客量分为空载、坐席、定员和超员四种工况，不同工况下列车的总荷载如下表2-5所示。

表2-5 列车不同工况下荷载统计表

采用再生制动装置车辆电制动区间范围更宽，电制动可将车辆由最高速度减速到5-10kM/h，进而减少机械制动降低闸瓦磨损度，车轮、闸瓦的维护与更换维保周期延长一倍以上[4]。

表2-6 列车在不同荷载工况、不同初速度制动时产生的总能量

图2-1 列车在不同荷载和不同制动速度下产生的制动荷载

（3）车辆运行阻力

A、运动阻力

列车运行时的阻力主要包括空气阻力以及轮轨之间的摩擦力等，根据一般列车运行的既有阻力如式（2-1）所示[4]：

C、曲线阻力

根据中国的《列车牵引计算规程》文件规定，在圆曲线上运行的机车车辆，其单位曲线阻力计算公式为（2-3）所示

D、总阻力

列车运行过程中的总的阻力则为三者之和。

假定列车制动时为一个匀速减速的过程，则此过程中不同初速度下，各种阻力消耗的总能量如下表2-7所示：

表2-7 Aw0（空载）时三种阻力消耗的总能量

图2-2 列车在AW0时不同制动速度下的阻力消耗

同理，可计算出Aw1，Aw2，Aw3工况在不同制动速度下的的阻力消耗请情况。计算结果如下表2-8所示。

表2-8 Aw1（座位）时三种阻力消耗的能量

由以上图表可知：列车在制动过程中，主要能量的消耗源于坡度产生的重力，占比74%，其次是弯道曲线阻力的消耗，占比25%，而由于空气阻力以及轮轨之间的摩擦力产生的能量消耗非常小，仅占1%。

2.3.2通风节能

采用用一般的电阻耗能，电阻耗能所散发的热量需要对应的冷却风机进行对应进行及时的降温散热，以保证设备的正常运行。当采用再生装置之后，散热问题得以解决，对应的风机运转所产生的费用即为后期运营过程中节能费用的一部分。

制动电阻通风功耗的节能情况，每个编组的车辆中有4辆车有制动电阻，对应所需风机及其功率情况如下表2-11所示：

表2-11 车载制动电阻基本参数

结合本线路的具体情况，列车运行时间16h/日，整条线路有56.8%的路段为地下隧道，需要进行散热。

2.3.3运营维护费用

逆变再生装置系统设备设计使用年限一般为20年，在此期间，设备运营每年所需的维护费用按照设备费用的也会不断增加，按照设备总费用的百分比计取。根据不同的时间段，其所需维护费用情况如下表2-12：

表2-12 系统不同时间段维护费用

2.4综合效益分析

综合以上分析，选取其中一种最常见的工况进行定量的计算。设列车制动初速度为70kM/h，列车一日内平均荷载按照定员的荷载Aw2考虑，列车每3分钟制动一次，则该线路20年内的经济效益情况如下：

（1）前期土建投资：770万元

（2）前期系统设备投资：3560万元

（3）单列车制动一年节省的费用如下表2-13所示。

表2-13 Aw2时不同制动速度下列车节能数据

（4）单列车空调系统一年节省费用

（5）单列车车载过压吸顶装置相对车载制动电阻，节约费用为20万元。

（6）系统维护费用前期每年为178万元，中期每年为356万元，后期每年为534万元。

根据以上情况，分别计算不同制动速度下，再生装置在20年设计使用年限内所产生的综合经济效益如下图所示

图2-3 不同制动速度下综合经济效益图

由图2-3可知，逆变再生装置前期投资费用4320万元，通过后期运营，投资逐渐得以收回。

（1）当列车平均制动初速度为80km/h时，该线路7年的时间就可以收回前期的投资，并在后期稳定地产生经济效益。设备在20年的设计使用时间里，总共可以节约费用6713万元。

（2）当列车平均制动初速度为70km/h和60km/h时，收回前期成本则分别需要9年和12年的时间，设备在20年的设计使用时间里，总共可以节约费用分别为3698和1087万元。

（3）当列车平均制动初速度为50km/h时，设备在使用前期，能逐渐有效地回收成本，但随着后期设备维护费用的逐渐增加，设备在20年的时间并未能实现综合经济效益的正值。

综上可知，是列车不同的制动速度，产生的综合经济效益差异较大，该线路若要最大限度的利用再生设备系统，则需要尽量提高运营速度。当日常进站的制动速度小于50km/时，将无法在设备使用生命周期内实现综合经济效益的正值。

3、结论与建议

（1）列车荷载越大，再生制动系统的能量制动时产生的能量就越多，列车超员工况下产生的制动能量约为空载时的1.7倍。由此可知，线路客流量越大，对于再生系统制动节能产生的效果越好。

（2）制动时速度越大，对应产生的制动能量越多。因此该线路中列车的运营速度以及进入车站的制动速度越大，节约的费用越多。

（3）对于同一条线路，地下区间占比越大，相比于车载电阻式装置，引入在再生装置对应节省的费用越多。所以，对于全地下线或者地下区间占比较大的线路，引入再生装置节约的费用越多。

（4）按照列车平均为定员荷载的情况下，一般制动速度为70～80km时，需要7～9年才能收回成本，在设备使用的20年，共可以节省运营费用3600到6400万元之间。

参考文献

[1]张明锐．上海市轨道交通供电系统现状分析[J]．城市轨道交通研究，2004,02（13）:49-50

[2]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．

[3]杜金辉．再生制动能量回馈装置在地铁中的研宄及应用［Ｊ］．科技视界，2016,41(24):15-15.

[4] 何昊．基于阻力加载系统的城市轨道车辆制动能量回收方法研究［Ｄ］．上海工程技术大学硕士学位论文，2015．

论文作者:,熊志浩

论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第5期

论文发表时间:2020/4/30

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