回馈制动地铁

技术之窗——地铁节能

节能降耗的重炮手--制动能量回馈装置，资源是经济社会可持续发展的物资基础和保障。...

节能降耗的重炮手--制动能量回馈装置

资源是经济社会可持续发展的物资基础和保障。节能降耗已经成为社会经济发展的一项重要指标，在现代化企业中，最主要的体现形式就是动力，而电力应用又首当其冲。地铁企业作为电力高耗企业，节能降耗不仅是公司资源节约和环境保护的客观需要，也是提高企业竞争力，加快发展的内在要求。
节能降耗，不只是单纯技术和经济问题，它对于国民经济发展方式，实现可持续发展战略，起着重大作用，而且在郑州地铁公司的基本宗旨、郑州地铁建设五大目标中皆占有浓墨一笔。按照国家发改委中长期专项规划，专门对节能节电工作作出安排，“十五”规划中重点发展的节能技术，其中把节电作为重点。

变配电科室作为节能降耗的首战场，肩负着艰巨的责任，而制动能量回馈装置又是地铁企业节能降耗中的“重炮手”。2012年3月至2014年9月，郑州市轨道交通有限公司与许继地铁工程有限公司在1号线一期工程联合开展了“地铁再生制动能量吸收装置研究与应用”科研项目，分别在西三环站和碧沙岗站两站的牵混所安装了两套制动能量再生回馈装置进行试验。经试验效果较好，回馈总电量占牵引总有功电量的百分比分别为18%和17%，总回馈电量占总牵引用电量百分比为4.3%，回馈效果比较明显。

图1：再生制动能量回馈装置实体图

目前，我国地铁牵引供电系统采用12脉波或24脉波不可控二极管整流方式将交流电源变换为直流电源，直流电源以直流接触网的方式为地铁提供牵引动力。地铁牵引运行时，从直流接触网上吸收电能；地铁刹车制动时，其动能转化为电能，并将电能馈送到直流接触网上。由于回馈至直流接触网的电能不能通过地铁牵引供电系统的整流装置回馈至交流网上，这部分电能会引起直流接触网的网压升高，为限制电压上升到用电设备的正常供电电压上限，地铁供电系统采用电阻能耗装置吸收多余的能量。如图2所示。

图2：再生制动能量回馈变流装置取代电阻型能耗装置

当列车制动时，直接触网电压升高，达到回馈变流装置设定的回馈电压后，回馈变流器开始进入回馈状态，向交流网回馈电能，同时稳定直流接触网电压；有列车牵引时回馈装置退出回馈状态，进入待机状态，由原二极管整流装置为列车提供电能，如图3所示

图3：再生制动能量回馈变流装置工作原理

机车制动能量分析

机车制动产生的能量类似于如图4所示的倒三角形。在0-t1内功率迅速上升至最大值，在t1-t2内再缓慢降为0。

图4：地铁制动时的能量-时间曲线

图5是根据郑州地铁1号线机车制动时的电压电流数据绘制的功率曲线。

（a）以时速40km/h、制动加速度-0.5 m/s2制动
（b）以时速60km/h、制动加速度-1 m/s2制动

图5: 郑州地铁1号线机车制动时的功率-时间曲线

功率估算

基础条件为B型车， 4动2拖。根据公式：P=η*F*V-P0，其中：
η为电客车牵引电机及牵引变流器回馈效率，一般取0.89；
F=ma为制动力，m为电客车重量（AW0取210t、AW3取327），a为制动加速度（1m/s2）；
V为电客车瞬时速度，最大为80km/h；
P0为常态消耗，包含电客车运行阻力及辅助变流器消耗等，这里认为为常量，因为当时上下行均停有电客车，因此该损耗设定为270kW。
通常情况下，按列车进站速度40km/h，AW3载荷，瞬时最大制动功率为2970kW。

能量计算

机车以40km/h制动，加速度为1m/s2，根据速度公式，可计算出时间，再根据上面的能量-时间曲线，可以计算出，机车一次制动下的能量为4.5kWh。
因此，可以认为，机车在不采用制动回馈装置的情况下，每次制动4.5kWh的能量将被电阻消耗掉。
按照郑州地铁1号线，一天运行17个小时，间隔5分钟一趟，因此，一个站一天制动的能量约为918kWh。则全线20个站全年机车制动可回馈的电量为670万度。考虑到机车之间相互吸收，根据郑州地铁1号线数据有42%能量被机车间相互吸收，因此全线20个站全年机车制动可回馈的电量为389万度。

加装能量回馈装置后的优势体现在如下几个方面：（1）回馈装置具备同时输出有功功率和无功功率的能力，可以在实现车辆制动能量回馈的同时，对牵引供电系统提供无功功率补偿。（2）通过逆变回馈方式将地铁制动能量馈入35kV中压环网供本站及邻站甚至全线再利用，可最大程度节约能源；（3）回馈功率不受限制，可以根据线路和车辆条件选择合适容量的回馈装置，最大程度实现制动能量吸收利用，节能效果最好；（4）回馈装置运行时35kV中压环网电流谐波1.8%，功率因数为0.99，优于国标中对电能质量的要求；(5）回馈装置响应速度快，直流电压波动小，完全可以满足车辆制动能量问题的解决；

一号线西三环站及碧沙岗站加装能量回馈装置后，节能降耗优势直观地体现在两个方面：

1、在效益方面：提高了新华主所的功率因素，直接效益为力调电费由每月最高罚款49.217万元转为现每月最高奖励2.976万元。

2、在节能方面：碧沙岗、西三环两个牵引降压混合变电所再生能量回馈装置投入至今回馈总电能1907118kWh，日均回馈电能约2019kWh。该项目通过地铁再生制动能量回馈装置，有效地将地铁列车电制动时产生的能量快速地回馈到交流电网，起到节能效果；同时该装置能有效稳定接触网电压，减少列车摩擦制动次数，降低列车闸瓦损耗。