（广州地铁集团有限公司 广东广州 510145）
摘要：本文通过研究广州地铁十四号线供电系统再生制动能量回馈装置及列车运行的数据，量化分析列车车载电阻能耗与再生制动能量回馈装置回馈电量的关系，验证其节能效果。同时，进一步研究对全线装置运行参数差异化设置方案，确定最优整定值方案，实现回馈电量最大化，达到提高经济效益的目标。
关键词：地铁；再生制动能量逆变回馈装置；应用；节能
1概述
广州地铁十四号线一期工程（嘉禾望岗～东风）线路全长54.3km，设13座车站，供电系统采用110kV/33kV两级集中供电方式，全线共设置7套再生制动能量逆变回馈装置（以下简称能馈装置）。能馈装置采用中压接入方案，可将列车产生的部分再生制动能量回馈至33kV中压网络。14号线车辆编组采用6辆编组B型车，工作日全天上线运行列车17辆，行车间隔495s。车辆的制动方式为电制动（再生制动）+空气制动（摩擦制动）。运行中以电制动为主，空气制动为辅，并具有电制动与空气制动自动协调配合的功能。在列车速度较高时，使用再生制动，当列车减速到一定速度再生制动不起作用时，使用空气制动。
城市轨道交通具有站间距离短，车辆运行密度高等特点，在频繁启动和制动过程中会产生数量可观的制动能量。列车制动时所产生的制动能量是巨大的，根据经验，车辆再生制动所产生的反馈能量一般为牵引能量的30%甚至更多。列车运行产生的再生制动能量不能完全被吸收时，由列车的车载电阻吸收装置转化为热能并散发出去。根据运营数据，十四号线能馈装置可将全线列车制动电量约17%回馈至供电系统，但是，设置为统一电压启动值的情况下，7台能馈装置回馈的电量存在明显差异，其中两站占全线回馈电量仅为2%和4%，根据各站能馈装置运行工况的差异情况，研究一组差异化电压整定组可以有效提高能馈装置效率，增加经济效益。同时，进一步研究车辆车载制动电阻消耗电能情况，可为车载电阻是否取消提供研究依据。
2车载制动电阻能耗与能馈装置投退关系
接触网直流电压达到能馈装置回馈阀值时，装置由待机状态转入回馈运行状态，当车辆制动功率不大于额定功率2MW时，再生能量可全部被回馈到电网，装置稳压运行，直流电压波动范围能稳定在1700±20V；当制动功率大于2MW时，装置限功率运行，并不能将全部制动能量回馈利用，剩余部分将导致接触网电压升高，此时，需要车载电阻投入吸收剩余制动能量，以保障列车设备安全。通过研究车载制动电阻能耗与能馈装置投退的关系，从能耗数据上可分析出能馈装置回馈电量与车载电阻能耗的匹配情况，验证能馈装置的节能效果。
每隔一个小时逐站退出能馈装置，研究车载制动电阻能耗的变化情况。从测试数据分析，逐步退出能馈装置，全线部分制动电量将由车载电阻吸收消耗，导致车载电阻能耗逐渐上升。退出前，能馈装置每小时可回馈电量413 kW•h；退出后，每小时车载电阻能耗比投入时最高提高156%（约320 kW•h）。
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图1 逐步退出能馈装置能耗变化
全线退出能馈装置后，计算全线列车一天的电阻吸收消耗电量，列车车载电阻能耗由原来的7047 kW•h增加至11396 kW•h，比全线投入时上升162%。同时，车载电阻增加的能耗值与能馈装置回馈电量减少值基本吻合。
表2 电量数据对比（kW•h）
3 能馈装置电压启动阀值优化测试
能馈装置主要功能是将列车产生的制动电量回馈至供电系统，达到能量再次利用的目的。各线路行车间隔、线路坡度数据、列车运行速度曲线等因素，会影响列车在线上运行时的制动次数和制动时间，从而影响制动电量的大小。同时，列车在各个区间的运行速度、制动次数、制动时间各有不同，全线制动电量在各个区间的分布并不均匀。因此，全线能馈装置设置为同一启动电压阀值时，无法通过装置之间的配合，将区间制动电量尽可能回馈利用。当两台能馈装置相距较近、或能馈装置所在站点区间附近制动电量偏少时，就会出现能馈装置回馈效率不一致的问题。因此，能馈装置启动电压阀值的设置，应充分考虑全线各个区间列车的制动情况，根据列车在各个区间制动的情况特点，通过差异化的电压阀值设置，实现相邻两台能馈装置互相配合，确保能馈装置正常运行的同时，达到回馈电量最大化。
根据运行经验及十四号线全线列车制动电量分布的研究，对全线7套能馈装置分别设置6组电压启动阀值，各站电压值差异化设置，范围为DC1700-1750V。从电量数据上分析，车载电阻能耗基本呈下降趋势，设置为定值组5时最低降低至3018 kW•h，比定值组1下降了30%（1331 kW•h），而设置为定值组5时，回馈电量达到最大值11841 kW•h，比调整前的日均回馈提高68%，回馈效率大大提高。设置为定值组5时，记录全线7台能馈装置日回馈功率均已达到最大值，说明能馈装置已达到最大回馈效率，因此可以确定定值组5为最优整定值方案。
同时，测试数据表明列车车载电阻投入运行的时间虽然比能馈装置退出时有明显减少，但是仍然会投入吸收制动能量，说明目前能馈装置安装布置情况并不能将全部制动能量回馈利用，能馈装置达到最大回馈效率后，需要车载电阻投入吸收剩余的制动能量，以保障列车设备安全。
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图2 6 组电压启动值电量变化
4 节能效益分析
根据运营数据，十四号线列车产生的制动电量，约有17%被能馈装置回馈至供电系统，79%被相邻在牵引状态的列车吸收，4%被车载电阻消耗。全线能馈装置每日平均回馈电量为8762 kW•h，预计全年总回馈电量可达到320万kW•h，全线每月回馈电量占每月牵引电量平均值为5.77%，占全线每月用电总量平均值为3.46%，节能效果较为显著。
5 结论
根据列车在各个区间制动的情况特点，通过差异化的电压阀值设置，可实现相邻两台能馈装置互相配合，达到回馈电量最大化，同时列车车载电阻吸收的能耗降低至最小值，节能减排效果明显提高。同时，测试数据表明，根据目前能馈装置安装分布情况及装机功率，无法将线路上剩余的制动电量吸收利用，能馈装置不能完全代替车载电阻吸收制动能量，列车的车载电阻仍需继续投入运行。
参考文献
[1]杨俭,李发扬,宋瑞刚,方宇.城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展[J].铁道学报,2011,33(02):26-33.
作者简介
陈文师（1990年—），男，汉族，广东云浮人，工程师，本科，研究方向：城市轨道交通供电管理技术。