地铁列车制动电阻等节能方案汇总

      目前,节能减排已成为我国的基本国策。对城轨交通的主力地铁列车而言,应当以节能为己任。下面具体介绍一下地铁列车各种节能方案。

      1、制动电阻节能方案
      在大容量电力电子开关元件普遍运用之前,地铁车辆大多采用电阻器变阻调速,如北京地铁初期的车辆。列车的电气制动没有再生能力,只能利用起动电阻进行电阻制动,但由于制动时的功率很大,电阻器的功率往往取决于制动。

      若列车最高速度为80 km /h,假设起动电阻切除时列车速度为40 km /h (实际36km/h左右)。若使用全电阻制动,粗略计算可知,制动电阻的容量大约是起动电阻容量的4倍。

      随着大功率电力电子器件的普遍使用,国内地铁列车从20 世纪70 年代开始采用斩波调压电传动技术,至90年代采用更为先进的交流异步电机变频调速技术。虽然列车启动不再使用电阻器而由先进的变流器所取代,但制动电阻作为再生制动的补充却依然存在。

      改革开放后,我国开始引进国外的先进技术,先进节能的斩波调压和交流变频的商用列车大多从国外进。在技术合同谈判中,中方技术人员大多从安全、可靠的原则出发,沿袭了电阻车的概念,即要求外方在车上必须配备全功率的制动电阻器。当再生制动因故失效时,列车凭借电阻制动可以在全线正常运行,而不必依靠机械制动。如前所述,这种全功率的电阻器容量不小。从上海地铁1 号线和广州地铁1 号线车辆开始,国内A型车的制动电阻一直以全功率配置。虽然各公司由于牵引电机特性不同、所配电阻参数有所不同,但其功率及质量大致相当。

      以广州地铁为例。1号线制动电阻(每辆动车)参数为: 2 ×1. 8Ω, 2 ×812. 5 kW = 1 625 kW (瞬时最大) ,质量358 kg,风机功率1. 4 kW。8号线制动电阻(每辆动车)参数为: 2 ×1. 96Ω, 2 ×1 120 kW = 2 240 kW (瞬时最大) ,质量376 kg。2号线制动电阻(每辆动车)质量375 kg。

      B型车在进口国外电牵引系统时,当初也是选用了全功率的制动电阻。但近几年来,北京地铁在运营中选择了合理、经济的电阻容量,以降低车辆的质量。其具体做法是:在车辆电气牵引招标文件中,规定制动电阻容量按制动初速50 km /h考虑,而不是80 km /h。通过简单计算对比,前者容量只有后者的40%左右。

      按此设计制动电阻,其体积和质量将会明显降低,经济意义很大。这一理念在B型车的应用范围内得到了推广、取得了成效,但A型车用户似乎仍未响应。究其原因,是对地铁列车在实际运行中究竟再生了多少电力、制动电阻又承担了多少电气制动的份额心中无底,不敢贸然降低电阻容量。
    
      国内大城市的地铁干线运营渐入正轨,行车间隔不断缩短,为列车运行的技术经济统计提供了条件。为此,广州地铁也在2006—2007年运量较大的1号线进行了两次较为全面的测试。虽不能作为权威的测试和根据,但从中看到的规律和得到的数据仍然可以给同行提供参考。

      广州地铁1号线全长18. 48 km,共设16 站,平均站距约1. 23 km, 使用6辆A型车编组(4动2拖)的列车。第一次测试的数据见文献,测试在一列车上进行,在行车高峰期(列车间隔3 min 45 s) 和低峰期(7 min 30 s)各运行了一个往返,记录了各区间列车上牵引系统输入电能、再生制动馈入电网电能及制动电阻能耗。

      按文献[ 1 ]定义: 再生率=再生制动馈入电网电能/列车牵引系统输入电能,列车实际牵引电能=列车牵引系统输入电能- 再生制动馈入电网电能,电阻制动耗能比率=制动电阻能耗/列车实际牵引电能。

      这次测试结果表明,高峰期上下行再生率为0. 524和0. 496,低峰期为0. 47和0. 42,平均再生率为0. 48,可见再生效果相当理想、节能效果显著。对全国的同类型车来讲,再生能力都比较强,在30% ～50%之间,这与车辆制动特性、供电结构、行车密度、列车运行图都有关。从能量回馈的角度看,列车编组4动2拖比3动3拖优越。另一项测试结果表明,两个往返中总的制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率是2. 9% ,相当低。

      这次测试为今后各地铁线采取制动策略提供了数据,但可惜只进行了两个往返测试,尚不够准确、全面。因此,测试组在前一次测试的相同条件下又进行了一次全天测试,从早上5: 51开始至晚上23: 12回库,共运行了17 h 20 min、14 个往返。测试数据表明, 14 圈平均再生率为42. 08% ,最小35. 1% ,最大46. 9%。制动电阻消耗占牵引系统能耗的比例是: 14 圈平均12. 07% ,最小7. 1% ,最大17. 2% 。电阻上全天耗电608 kW·h[ 2 ]。由于是全天测试,且行车密度较高,因此具有较高的参考价值。

      从以上的几次测试可以看出:首先,进入正规运营的各城市地铁线路使用了交流传动带再生制动的列车,其再生回馈电力在40% 左右,节能效果非常可观。

      其次,由于平均站距、供电网结构、列车运行图编制等多种原因,再生率在各区段会有不同。总的趋势是行车密度越高,再生率越高,但不成正比,这与电网功率吸收的仿真计算结果相印证。如在同一区段,制动的列车正好碰上一列启动的列车,则再生率最高。可见,运行图编制对节能有很大影响,但因区间长短不一,最理想的运行图并不易得到。当然,在行车间隔缩小到3 min以下时,重合几率大,再生效果会更好。再次,制动电阻在全天的运营中,仍有一定的实用价值,因为大多数线路总会有行车的高峰期和低峰期,对于新开通的线路或规划引导型线路,其列车开行间隔长的情况会持续很长一段时间。
 
      2、超级电容、特种蓄电池、飞轮节能方案
      这些储能装置在国外都有试验和应用,但都未得到推广。在国内,因技术要求高、国产化困难、价格高,短时难以推广。

      3、直2交逆变节能方案
      将列车再生的直流电,通过变电所逆变成高中压交流电,送回大电网。但由于逆变后的谐波及功率因数等原因,要入大电网实际上很难,各国都是如此。此外,由于制动能量呈脉冲状,逆变器功率大,耐压等级高,使用率低,经济上不合算。最近,又在此基础上研发出双向变流技术。它在牵引时作为整流器用,在制动时作为逆变器用,这应该是很理想的方案,国内外都在研发。但从上述数据看,回报率值得研究。

      4、电阻2逆变混合型节能装置节能方案
      国内自主研制的电阻2逆变混合型节能装置, 从2007年10月在天津地铁1号线车辆段变电所挂网运行至今,已经一年有余。该方案运行情况稳定,有可见的节能效果,符合实际,切实可行。因为再生制动的电能是脉冲式的,如潮起潮落。在列车最高速度处瞬时功率最大,一般节能装置都不好处理。混合逆变的电阻吸收制动能量的脉冲峰值,其余能量逆变成交流低压电能。
 
      针对国家大电网难于进入的现状,将再生直流电能逆变成交流低压380 V电能,供给车站或车辆段的辅助设备(如风机、水泵、照明、扶梯等)则更为现实,这就是电阻2逆变混合型再生制动能量吸收装置的基本技术思路。至于电阻是否可省略,可根据每条线路运营情况决定,以求最小。由于是自主研发的国产品,价格优势明显,只有进口电容吸收方案的1 /3 左右。对比前述的各种节能方案,笔者认为电阻2逆变混合的方案在当前国内条件下最为现实可行。该方案防止了地铁列车制动节能方略走向的两个极端:要么全部取消制动电阻,要么全面采用极其昂贵的储能装置。