摘要：通过对地铁列车制动产生的能量进行分析，比较了制动能量吸收的几种方案，并通过南京地铁能馈的实例所节约的电量形成的因素，提出了目前能量回馈系统在行业中存在问题的思考。
关键词：轨道交通；制动；能馈
一、技术背景
近年来，我国城市轨道交通得到了快速发展，目前已成为世界上最大的城市轨道交通市场。截止2016年12月，国内地铁开通城市27个，运营里程3475公里，车站数量2039，日均客流3753万。按照2015年运营2814.57公里，估算2015全国地铁年用电量140亿度左右，折合144万吨标准煤。根据西南交通大学城市轨道牵引供电研究团队，对上海地铁3号线、4号线牵引变电所实测数据分析显示，牵引供电耗电占到了总供电量一半以上，制动电阻上消耗的能量占牵引能量的35%~55%之间，总制动能量占牵引能量的40%~60%之间。
城市轨道交通站间距离较短，站点数量多，因而列车起动制动频繁，制动时产生大量的制动能量，这部分能量除小部分被车上或同一区段内负载利用外，大部分通过制动电阻已热量的方式消耗掉，因而存在巨大的能源浪费。同时大量的热能也会抬升隧道温度，增加地铁通风散热装置的能耗，增加地下站内空调系统负荷，增加运行费用。城市轨道交通的快速发展带来了对电能需求的迅速增长，电费已经成为城市轨道交通运营中沉重的成本负担，如果能利用好这部分能量，对用城市轨道交通用电节能将是一个重大的贡献。因此，制动能量合理回收利用能够实现能量的合理循环利用，节约地铁运营成本，对于响应国家节能减排的要求，建设绿色城市轨道交通有着非常积极的作用。
二、能馈方式
中国城市轨道交通的创新节能经过近十多年的努力，通过跟踪和吸收国外先进技术，在运营管理、装备制造、基础建设、新技术应用、系统集成及人才队伍等方面取得了长足进步，为创新节能体系的建立创造了必要条件。
再生制动能量吸收方案按放置位置分类，可分为车载吸收和地面吸收；按吸收方式分类，可分为电阻消耗型、逆变回馈型、储能型。
电阻消耗型：主要由“制动控制柜”和“制动电阻柜”组成。制动控制柜安装在牵引变电所内，制动电阻柜安装于地面通风处，利于散热。
储能型：储能型吸收装置主要分为超级电容型、飞轮储能型和电池储能三种基本模式以及超级电容与电池的混合储能模式。
逆变回馈型：逆变回馈型装置采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器技术，当车辆制动电能使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网，供其它负荷使用。
制动能量吸收方案比较：
电阻耗能型技术成熟，成本较低，但存在再生能源浪费，热量聚集，加热隧道、洞室增加环控系统耗电，电阻装置易发过温跳闸等问题。逆变型和储能型的吸收方式均属于节能型吸收方式，可以实现对电能的二次利用，且对地铁供电网络基本没有负面影响，都能够满足地铁牵引供电系统的运行要求，实现系统节能运行；储能型解决方案对牵引供电系统甚至整个地铁供电系统而言更具优势，在技术层面是比较完美的解决方案。鉴于目前储能型装置成本相对较高，国产设备尚处于工程性试验阶段，重点研究逆变型列车再生制动能量吸收方案。
三、工程实例
南京地铁宁天城际（S8）线S8全线采用4B车辆，设计时速100km/h供电制式为DC1500V，AC35kV发车间隔：工作日高峰5分48秒，平峰8分42秒；周末、节假日9分40秒。在长芦站挂网运行的装置采用中压能馈方式，在现有牵引变电所中增加盘柜四面：1500V直流开关柜、35kV交流开关柜、能馈变压器柜、能馈逆变柜。能馈装置交流侧通过35kV馈线柜接入35kV交流环网，直流侧通过直流馈线柜接入1500Vdc直流牵引网。能馈装置35kV并网点应与站内主用动力变压器在同一段35kV母线，以保证再生制动能量回馈到电网后能就近被本站负载消耗，提高整个再生制动能量回馈系统的能量回收效率。
通过测量数据显示和计算，0：00-5：00没有回馈电量，回馈电量大小和地铁行车载客情况有密切相关，5月3日14：00至次日14：00净回馈电量3541.75kWh，5月4日14：00至次日14：00净回馈电3751.75kWh，5月5日14：00至次日14：00净回馈电量3366.75kWh。三天共回馈10660.25 kWh。
长芦站能馈系统3月底投运至今已经累计回馈电能超过85万度，月均回馈电能10万度，日均回馈电能3500度左右。预计全年回馈电量超130万度，除去变压器、风机等耗能，能馈装置年度净节能120万度左右。节能效果好的原因有以下几个方面：1、设备回馈功率大，能量转换效率高，能吸收大部分的再生制动能量；2、设备的启动及控制电压阈值合理，不仅能吸收本站的再生制动能量，还能吸收邻站的制动能量。
四、总结与思考
中压能馈在节能、提高供电质量及功率因数补偿方面有得天独厚的作用和技术领先优势。轨道交通机车实际运行工况复杂多变，具体地铁线路的发车间隔、行车速度、列车编组形式、近期远期运营规划、牵引站位置等因素均可能造成能馈系统节能效果的差异。同一条运营线路多站点投入能馈系统对线路运营安全性的影响以及能馈系统相互之间的作用，逆变回馈装置应避免过多反馈本来能够被邻近车直接利用的再生制动能量，并防止再生电能反送至城市电网。
目前，能馈系统在轨道交通行业没有统一的规范，在实施过程中还有一些问题应该期待解决：能源分享模式谁来评估和监管？节能效果评估方式和节能效果该如何定义？逆变器额定容量如何确定，在哪里设置最为合理？
参考文献：
[1]谢方.城市轨道交通直流供电整流机组研究[D].成都：西南交通大学，2009（04）
[2]《城市轨道交通技术规范》（GB 50490-2009）；
[3]《城市轨道交通工程项目技术标准》（建标104-2008）；
[4]《中华人民共和国可再生能源法（修正案）》（2009年12月）；
[5]《能量系统分析技术导则》（GB/T 14909-2005）
论文作者:周骏鑫
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/20
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