地铁牵引供电系统再生制动能量利用方案分析

地铁牵引供电系统再生制动能量利用方案分析

柴永青

中铁华铁工程设计集团有限公司北京100071

摘要：当前我国城市人口数量明显增多，交通拥堵的问题也更加严重，为了缓解交通拥堵，各大城市地铁通车里程不断增长。目前交流异步牵引电机在地铁机车上得到了广泛应用，其采用变压变频调速方式，与再生能回馈制动系统设备配合，在制动过程中可回馈较多的电能。

关键词：地铁；牵引供电；再生制动能量；电能；

1地铁牵引供电系统

1.1供电方式

地铁外部供电主要分为分散式供电、集中式供电和混合式供电三种形式。分散式供电通常是指以地铁附近35KV或10KV线路来为地铁提供电力支持。该供电方式供电的距离较短，对电源故障规模不会产生较大的影响。分散式供电主要指地铁电路主要有附近的35KV或10KV电城市电网提供，沿线电源需要多个引入点，同时对设备容量也提出了较高的要求，因此需要投入大量的资源和资金。集中式通常是指地铁线路附近变电所供电的形式，这种形式可减少电源点和进线的数量，提供高质量电能，且改造工程规模较小，运营维护及调度管理也更加科学和完善。但是其对电压等级的要求十分严格。混合式主要融合了分散式和集中式供电两种供电方式各自的特点，有效保证了供电的质量。

在主变电站设置不变的前提下，无论采用中压源混合式供电还是应用共享主变电所资源的混合式供电，其资源利用率均较以往有所提升，这主要是由于混合式供电本身具有较强的适应性和灵活性。采用回馈方式吸收利用再生制动能量主要适合应用在集中式供电的地铁线路当中，分散式供电主要应用于城区电网中，采用吸收并联母线的方式实现再生能量利用。

1.2系统组成

在地铁牵引供电系统中,电能从10kV(或35kV)交流母线经牵引降压变压所、馈电线、接触网输送给轨道交通车辆,产生的电流自轨道交通车辆行驶钢轨以及回流线路返回变电所。由馈电线、接触网、钢轨和回流线组成的供电网络称为牵引网。

地铁牵引供电系统主要由牵引降压变电所以及牵引网构成，牵引降压变电所和接触网也是系统运行中应高度重视的关键要素。地铁车辆制动主要分为电制动（这种制动方式也被称为再生制动方式）、空气制动。系统运转时，通常采用电制动的形式，而空气制动主要发挥辅助的作用。地铁再生制动产生的能量80%均被其他的列车吸收，且列车与其距离较近。如列车运行间隔较大，列车的电阻和线路会吸收其余的能量，且其他的车辆也无法充分吸收能源。

1.3再生制动能量吸收利用的积极作用

地铁在城市交通发展中发挥着十分重要的作用，同时也提高了人们出行的效率。但是地铁运行中车辆电能消耗较大，其占系统总能耗的60%-70%。现阶段，多数早期建设的地铁线路中再生制动能量基本被电阻吸收和消耗，降低了能源的利用率，同时也提高了隧道的运行温度，对列车的运行环境也造成了十分不利的影响。

所以，及时回收地铁制动产生的能量对地铁的高效运行运转有着不可忽视的作用，其可有效减少能源消耗，提高能源的利用率，提高直流牵引网电压的稳定性与可靠性，进而有效降低地铁车站和隧道内的的温度，提升车站内部的空气质量。另外，采取有效措施科学地设置再生制动能量回收装置还可有效减少列车和设备运行中的能源消耗，提高电网的运行效率。站在节能减排的角度看，采取有效措施对列车再生制动能量开展逆变并网控制工作有着十分积极的现实意义。下面，笔者就将对地铁牵引供电系统再生制动能量利用方案进行详细论述。

2电阻耗能型设备方案

地铁线路运行时，为了有效减少原有线路早期建设区段的隧道温度，设置了电阻耗能型再生能量吸收装置。吸收装置再生制动时，列车运行过程中产生的制动能量不能保证车辆用电设备的运行，也无法被其他车辆吸收，牵引网电压在较短时间内明显上升，温度上升至一定的水平后，牵引变电所运行过程中的电阻耗能型再生能量吸收装置自动运行，其充分利用了再生电流，确保了车辆再生电流的稳定，这也极大的发挥了再生制动的优势和价值。

实施该方案的控制原理相对简单，这不仅能够有效减少列车的电阻制动装置，减少成本投入，还能增强列车的动力性能，有效降低了隧道的温度，降低了闸瓦制动对闸瓦消耗和闸瓦制动粉尘的负面影响，提高了隧道内的环境质量。但是，该方案也存在着明显的不足，该装置主要设置在地下变电所内，再生制动能量在电阻上集中发热，从而产生了大量的能源消耗，电阻柜设备安装场所的温度明显升高。对此，应积极采取有效措施保证良好的通风散热条件。再者，该装置不能有效地利用再生制动能量，节能效果不理想。制动电阻柜设置为护栏形式，尽管其可保证散热的效果，但是若涉及拆迁、环境评估和规划等问题，其实现的难度也相对较大，因此，电阻能耗型设备不能代表再生能量吸收技术的主流发展趋势。

3低压逆变回馈型设备方案

能馈式再生制动能量吸收通常应用逆变装置为交流供电网提供能量，进而保证其他设备运行中的能源供应，这一方式可有效控制机车制动产生的电阻值，地铁洞体的温升也会明显下降，达到了降耗的作用。这一方式很好地展现了其节能上的优点，交流电网中一般采用低压400V母线和变电所10KV交流电网。

该方案优势十分明显，对我国应用该方案的线路进行研究分析发现，逆变装置与电阻装置具有良好的能量吸收能力，电阻装置发热量显著减少，应用两面电阻柜，可对电阻柜的使用量加以控制。但是这一方案在应用的过程中也存在着十分明显的不足。逆变器电压等级与IGBT元件的生产工艺均会对其最大容量产生显著的影响，1500V的系统其最大的容量仅为1200W，750V的系统最大容量仅为650W，为了改善整体的效果，该方案当中依然需要适量的两面电阻柜。不仅如此，系统运行的过程十分复杂。在低压逆变方案挂网试验后发现，逆变装置运行稳定性显著提升，但是回馈电度表上所反映的吸收电量没有达到相关的标准要求，最后对其大范围应用产生了一定的制约。

4中压逆变回馈型设备方案

中压逆变回馈型再生制动能量吸收装置直流侧与牵引变电所当中的整流器直流母线相连，交流进线直接连接到交流电网当中，之后将再生直流电能逆变为共频交流电回馈到交流电网当中。中压逆变型装置基本功率为1000KW，如设备的容量要求大于1000KW，则可对其采取并联的处理方式，故而中压逆变器一般不设置电阻。该装置在某些地铁工程中得以应用，运行状态较为理想，节能效果较为明显。

该方案有效地应用了列车的再生制动能量，减少了有效能源的消耗，提高了能源的利用率，全面响应节能环保的号召。此外，列车制动能量电阻也发生了显著的变化，能量能够迅速传送到中压环网中，系统运行时无需设置储能元件，同时在温度和环境变化上也不是十分明显。因此该方案在室内空间中取得了良好的应用效果。但是这一方案的维护问题较为明显，维护人员并未结合实际优化维护手段，且其维护工作经验明显不足，进而影响了维护工作的综合水平。

5新线建设中再生能量系统方案的有效策略

现如今，电阻耗能型再生能源消耗装置技术已经从青涩走向了成熟，在国内也得到了广泛应用，并积累了大量的运行经验，但是其节能效果不尽人意，因此将来不能大范围应用。中压逆变回馈型装置是当前再生制动能量利用技术主要的发展方向，在多条线路当中选择了新线附近的变电所进行示范应用，取得了良好的应用效果。

6结语

综上所述，地铁牵引供电系统在运行的过程中会产生大量的制动能量，为了保证系统的运行效率，就必须积极采取有效措施，提高再生制动能量的利用效率，从而充分实现牵引供电系统的节能目标。

参考文献：

[1]陈怀军.地铁牵引供电系统再生能量方案分析[J].科技创新与应用,2014(10)