地鐵列車制動電阻等節能方案匯總

      目前,節能減排已成為我國的基本國策。對城軌交通的主力地鐵列車而言,應當以節能為己任。下面具體介紹一下地鐵列車各種節能方案。

      1、制動電阻節能方案
      在大容量電力電子開關元件普遍運用之前,地鐵車輛大多采用電阻器變阻調速,如北京地鐵初期的車輛。列車的電氣制動沒有再生能力,只能利用起動電阻進行電阻制動,但由于制動時的功率很大,電阻器的功率往往取決于制動。

      若列車最高速度為80 km /h,假設起動電阻切除時列車速度為40 km /h (實際36km/h左右)。若使用全電阻制動,粗略計算可知,制動電阻的容量大約是起動電阻容量的4倍。

      隨著大功率電力電子器件的普遍使用,國內地鐵列車從20 世紀70 年代開始采用斬波調壓電傳動技術,至90年代采用更為先進的交流異步電機變頻調速技術。雖然列車啟動不再使用電阻器而由先進的變流器所取代,但制動電阻作為再生制動的補充卻依然存在。

      改革開放后,我國開始引進國外的先進技術,先進節能的斬波調壓和交流變頻的商用列車大多從國外進。在技術合同談判中,中方技術人員大多從安全、可靠的原則出發,沿襲了電阻車的概念,即要求外方在車上必須配備全功率的制動電阻器。當再生制動因故失效時,列車憑借電阻制動可以在全線正常運行,而不必依靠機械制動。如前所述,這種全功率的電阻器容量不小。從上海地鐵1 號線和廣州地鐵1 號線車輛開始,國內A型車的制動電阻一直以全功率配置。雖然各公司由于牽引電機特性不同、所配電阻參數有所不同,但其功率及質量大致相當。

      以廣州地鐵為例。1號線制動電阻(每輛動車)參數為: 2 ×1. 8Ω, 2 ×812. 5 kW = 1 625 kW (瞬時最大) ,質量358 kg,風機功率1. 4 kW。8號線制動電阻(每輛動車)參數為: 2 ×1. 96Ω, 2 ×1 120 kW = 2 240 kW (瞬時最大) ,質量376 kg。2號線制動電阻(每輛動車)質量375 kg。

      B型車在進口國外電牽引系統時,當初也是選用了全功率的制動電阻。但近幾年來,北京地鐵在運營中選擇了合理、經濟的電阻容量,以降低車輛的質量。其具體做法是:在車輛電氣牽引招標文件中,規定制動電阻容量按制動初速50 km /h考慮,而不是80 km /h。通過簡單計算對比,前者容量只有后者的40%左右。

      按此設計制動電阻,其體積和質量將會明顯降低,經濟意義很大。這一理念在B型車的應用范圍內得到了推廣、取得了成效,但A型車用戶似乎仍未響應。究其原因,是對地鐵列車在實際運行中究竟再生了多少電力、制動電阻又承擔了多少電氣制動的份額心中無底,不敢貿然降低電阻容量。
    
      國內大城市的地鐵干線運營漸入正軌,行車間隔不斷縮短,為列車運行的技術經濟統計提供了條件。為此,廣州地鐵也在2006—2007年運量較大的1號線進行了兩次較為全面的測試。雖不能作為權威的測試和根據,但從中看到的規律和得到的數據仍然可以給同行提供參考。

      廣州地鐵1號線全長18. 48 km,共設16 站,平均站距約1. 23 km, 使用6輛A型車編組(4動2拖)的列車。第一次測試的數據見文獻,測試在一列車上進行,在行車高峰期(列車間隔3 min 45 s) 和低峰期(7 min 30 s)各運行了一個往返,記錄了各區間列車上牽引系統輸入電能、再生制動饋入電網電能及制動電阻能耗。

      按文獻[ 1 ]定義: 再生率=再生制動饋入電網電能/列車牽引系統輸入電能,列車實際牽引電能=列車牽引系統輸入電能- 再生制動饋入電網電能,電阻制動耗能比率=制動電阻能耗/列車實際牽引電能。

      這次測試結果表明,高峰期上下行再生率為0. 524和0. 496,低峰期為0. 47和0. 42,平均再生率為0. 48,可見再生效果相當理想、節能效果顯著。對全國的同類型車來講,再生能力都比較強,在30% ～50%之間,這與車輛制動特性、供電結構、行車密度、列車運行圖都有關。從能量回饋的角度看,列車編組4動2拖比3動3拖優越。另一項測試結果表明,兩個往返中總的制動電阻能耗占列車實際牽引電能的比率是2. 9% ,相當低。

      這次測試為今后各地鐵線采取制動策略提供了數據,但可惜只進行了兩個往返測試,尚不夠準確、全面。因此,測試組在前一次測試的相同條件下又進行了一次全天測試,從早上5: 51開始至晚上23: 12回庫,共運行了17 h 20 min、14 個往返。測試數據表明, 14 圈平均再生率為42. 08% ,最小35. 1% ,最大46. 9%。制動電阻消耗占牽引系統能耗的比例是: 14 圈平均12. 07% ,最小7. 1% ,最大17. 2% 。電阻上全天耗電608 kW·h[ 2 ]。由于是全天測試,且行車密度較高,因此具有較高的參考價值。

      從以上的幾次測試可以看出:首先,進入正規運營的各城市地鐵線路使用了交流傳動帶再生制動的列車,其再生回饋電力在40% 左右,節能效果非常可觀。

      其次,由于平均站距、供電網結構、列車運行圖編制等多種原因,再生率在各區段會有不同。總的趨勢是行車密度越高,再生率越高,但不成正比,這與電網功率吸收的仿真計算結果相印證。如在同一區段,制動的列車正好碰上一列啟動的列車,則再生率最高。可見,運行圖編制對節能有很大影響,但因區間長短不一,最理想的運行圖并不易得到。當然,在行車間隔縮小到3 min以下時,重合幾率大,再生效果會更好。再次,制動電阻在全天的運營中,仍有一定的實用價值,因為大多數線路總會有行車的高峰期和低峰期,對于新開通的線路或規劃引導型線路,其列車開行間隔長的情況會持續很長一段時間。
 
      2、超級電容、特種蓄電池、飛輪節能方案
      這些儲能裝置在國外都有試驗和應用,但都未得到推廣。在國內,因技術要求高、國產化困難、價格高,短時難以推廣。

      3、直2交逆變節能方案
      將列車再生的直流電,通過變電所逆變成高中壓交流電,送回大電網。但由于逆變后的諧波及功率因數等原因,要入大電網實際上很難,各國都是如此。此外,由于制動能量呈脈沖狀,逆變器功率大,耐壓等級高,使用率低,經濟上不合算。最近,又在此基礎上研發出雙向變流技術。它在牽引時作為整流器用,在制動時作為逆變器用,這應該是很理想的方案,國內外都在研發。但從上述數據看,回報率值得研究。

      4、電阻2逆變混合型節能裝置節能方案
      國內自主研制的電阻2逆變混合型節能裝置, 從2007年10月在天津地鐵1號線車輛段變電所掛網運行至今,已經一年有余。該方案運行情況穩定,有可見的節能效果,符合實際,切實可行。因為再生制動的電能是脈沖式的,如潮起潮落。在列車最高速度處瞬時功率最大,一般節能裝置都不好處理。混合逆變的電阻吸收制動能量的脈沖峰值,其余能量逆變成交流低壓電能。
 
      針對國家大電網難于進入的現狀,將再生直流電能逆變成交流低壓380 V電能,供給車站或車輛段的輔助設備(如風機、水泵、照明、扶梯等)則更為現實,這就是電阻2逆變混合型再生制動能量吸收裝置的基本技術思路。至于電阻是否可省略,可根據每條線路運營情況決定,以求最小。由于是自主研發的國產品,價格優勢明顯,只有進口電容吸收方案的1 /3 左右。對比前述的各種節能方案,筆者認為電阻2逆變混合的方案在當前國內條件下最為現實可行。該方案防止了地鐵列車制動節能方略走向的兩個極端:要么全部取消制動電阻,要么全面采用極其昂貴的儲能裝置。