摘要：随着科技的进步和社会的发展，人们在节能减排、环境保护方面意识逐渐增强，在城市轨道交通系统中，对有效利用城市轨道电动车组再生制动所产生的电能以减少城市轨道交通运营的用电量，同时改善城市轨道交通公共场所的环境是非常重要的。在牵引供电系统中对再生制动所产生的电能进行吸收、储存和再利用越来越受到人们的重视，也具有很大的意义。
关键词：城市轨道交通；再生装置；牵引供电系统；经济效益
1 应用背景
通过调研发现，地铁机车制动能量可达到牵引能量的30%以上，不能被吸收的部分占制动能量的40%左右，此部分只能白白消耗掉。这不仅会带来隧道或站区的温升问题和空气质量的恶化问题，也额外增加了环控系统的负荷，导致地铁建设投资和运营成本的增加、能量的浪费。如何对地铁机车制动能量进行有效利用已经成为地铁建设的一个重要课题，随着对地铁节能系统的研究深入，再生能量吸收装置的应用已经越来越成熟并得到广泛应用。
2 项目概况
厦门市轨道交通2号线工程线路长度为41.6km，全部为地下线，共设置车站32座。全线设置综合维修基地一座，停车场一座，主变电所两座，控制中心与1号线共用。
供电系统外电源采用集中供电方式，110/35kV两级供电电压等级。在芦坑站附近设芦坑主变电所；在古地石站附近设古地石主变电所。35kV中压供电网络采用双环网方式，牵引和降压混合供电网络，共设6个供电分区。牵引供电采用DC1500V架空接触网馈电、走行轨回流的方式，全线设16座牵引变电所。变电所35kV母线采用单母线分段接线方式；牵引变电所直流母线采用单母线接线方式，牵引变电所设置再生电能吸收利用装置，变电所设置综合自动化系统。地下段接触网采用刚性悬挂，地上段采用柔性悬挂。全线设置杂散电流监测系统，接地采用综合接地系统方式。全线设置供电运行安全生产管理系统。
考虑到单座车站400V低压动照需用负荷有限，回馈的能量并不能被本站400V系统完全利用，此外400V系统容量较小，系统电能质量的敏感性要高于35kV系统，经研究分析，厦门地铁2号线最终采用中压逆变再生电能吸收利用方案。
3 中压逆变型再生电能吸收利用方案介绍
中压逆变型再生电能吸收装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上；当再生制动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。该类型装置利用了35kV系统较大的供电系统负荷容量为支撑，从而更加便利地利用列车再生制动能量，提高再生电能的利用率，节能效果好。
逆变吸收装置主要双向变流器的系统构成主要包括变压器、交流低压开关柜、双向变流器柜、直流接触器柜等其设备组成。
该装置的优点：充分利用了列车再生制动能量，提高了再生制动能量的利用率，节能效果好；其能量直接回馈到中压环网，将制动能量分配到网络中其它用电设备，不需要配置储能元件，不受系统容量限制，再生制动能量利用率高；对环境温度影响小；技术方案相对成熟，利于国产化。
该装置的缺点：由于输出接至交流供电网，因此电力部门对逆变器的输出质量要求较高。逆变至中压环网技术虽在国内部分线路上应用，但大规模工程应用及运营维护经验需要进一步研究。
4 再生装置容量及参数配置
厦门地铁2号线共设置16个正线牵引所，车站均设置再生装置，根据模拟计算数据，选取再生能量吸收装置容量，并考虑一定的裕量，同时结合厦门市轨道交通取消车载制动电阻，再生能量吸收装置的容量按照2000kW的容量进行配置，并同时满足瞬时最大功率和最大电流的要求。
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（一）系统参数
中压系统标称电压：35kV；
中压系统最高电压：40.5kV；
中压系统额定频率：50Hz；
中压系统侧接地方式：中性点经低电阻接地；
直流牵引供电系统标称电压：DC 1500V；
直流牵引供电系统空载电压：DC 1650V（最高不超过DC 1670V）；
直流牵引供电系统最高电压：DC 1800V；
直流牵引供电系统最低电压：DC 1000V；
直流牵引系统电制动最高电压：DC 1950V；
直流系统最大预期短路电流：90kA；
直流侧接地方式：正负极不接地。
（二）装置主要技术参数
直流侧标称电压：DC1500V
直流侧最高电压：DC1950V
交流侧标称电压：AC35kV
启动电压：1650V～1950V可调
变流器30s短时运行额定功率：≥2.0MW
变流器连续运行下的额定功率：≥1MW
交流侧额定频率：跟踪AC35kV侧电网频率，误差小于±0.5%
变流器短时运行额定功率下的效率（逆变模式）：≥ 0.95
变流器短时运行额定功率下交流侧功率因数（逆变模式）：≥ 0.98
变流器短时运行额定功率下的交流侧谐波电压THD（逆变模式）：≤ 5%（变流器交流侧）
变流器短时运行额定功率下的交流侧谐波电流THD（逆变模式）：≤ 5%（变流器交流侧）
变流器输出从0到短时运行额定功率的响应时间（逆变模式）：≤ 500ms
变流器短时运行额定功率下的效率（整流模式）：≥ 0.97
变流器短时运行额定功率下的直流侧纹波系数（整流模式）：≤ 1%
变流器短时运行额定功率下交流侧功率因数（整流模式）：≥ 0.99
变流器短时运行额定功率下噪声（变流器周围1m处）：≤ 80 dB
冷却方式：强迫风冷或水冷
整套装置周期工作方式下平均发热量：≤ 30kW
5 经济性分析
考虑到现阶段全日行车计划的不确定性，以及将来线路实际运行时行车组织不稳定性，现阶段按各行车对数下不同运行图出现概率均等考虑，故各行车对数下各站反向能量取各运行图间平均值。根据全日行车计划，初（开通试运营10年内）、近（开通试运营10~25年内）、远（开通试运营25年后）期全线各时段再生回馈能量为：初期13698.6度，近期10047.6度，远期14224.9度。
考虑电费为0.75元／度，全线再生装置初期年回收电费375.00万元，近期年回收电费275.05万元，远期年回收电费389.41万元。
再生装置单套设备的初始投资为：
1）单套2.0MW中压能馈逆变装置价格约为200万元；
2）增设交、直流开关柜各一面，其中，交流开关柜：26万元／面、直流开关柜：28万元／面；
全线再生装置初始投资约为：
（200+26+28）万元×16座＝254万元×16座＝4064万元。
则全线再生装置资金回收年限约为11.14年（未考虑设备的运营维护、人员配置、土建增加等费用）。
6 结论
综上，厦门地铁2号线采用正线牵引所均设置再生装置方案，全线共设置再生装置16套，容量按2.0MW（30s，120s周期）考虑。再生装置的应用省去了车辆制动电阻设置降低了车辆的造价，有效减轻车辆的载荷节省了车辆的运行能耗，取消车辆制动电阻的设置，避免了制动电阻工作时释放的大量热量，降低了轨行区的运行温度，提高了轨行区设备及材料的使用寿命，同时由于能量的回馈，大大降低了线网的能耗。正线牵引所均设置再生装置，再生能总量大，其经济性及回收年限均可控，其寿命周期内经济效益可观。
参考文献：
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[3]于延霞.快轨车电磁兼容解决措施[J].铁道机车车辆，2008，28（z1）.
论文作者:杨嘉约
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
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