隨著國內軌道交通行業迅速發展，綠色、節能的地鐵運營模式被越來越多的城市重視，列車制動能量再利用成為軌道交通節能的重要研究課題。再生制動能饋裝置在高運量、短距離的軌道交通行業中的作用日益顯著，低排放、高效率的能源結構模式也逐漸成為地鐵建設和運營的發展方向。

目前地鐵列車制動能量利用主要有4種方式，即電阻吸收、電容儲能吸收、飛輪儲能吸收及逆變吸收。純電阻吸收方式造成能源浪費，電容和飛輪儲能方式造價高，目前未被廣泛應用。中壓逆變吸收方式因能有效回饋制動能量、抑制網壓波動、減少直流電壓波紋和諧波含量，并且與車載制動電阻配合好，前期投資相對合理，在國內軌道交通行業普遍應用。

1 研究背景

1.1 能饋裝置原理

地鐵列車在進站制動時，機械能大部分轉化為電能，其中一部分被線路上其他正常行駛和起動的列車吸收，一部分被列車制動電阻轉化為熱能消耗，還有一部分通過牽引所內的能饋裝置回饋到中壓網絡（制動能量分配過程如圖1所示）。據測算，列車制動時產生的能量可達牽引能耗的20%～50%，利用制動能量將有效節約電能。

在未設置能饋裝置的線路上，制動電阻消耗的再生能量會增加，制動時牽引網電壓也會相應升高，帶來車體及隧道升溫、區間散熱風機能耗增大、牽引網電壓超限等問題，浪費能量的同時增加后期費用。

圖1 制動能量分配

1.2 能饋裝置應用情況

某地鐵1號線、3號線均采用電阻-中壓逆變吸收方式，列車采用變壓變頻（variable voltage and variable frequency, VVVF）牽引制動系統，通過直線電機驅動車輛，制動電阻安裝在車體底架下方，中壓逆變裝置（以下簡稱能饋裝置）設置在正線牽引所。

1號線正線共9座牽引變電所，每站安裝1套中壓能饋裝置，起動電壓為1700V。設計時估算單站每日制動回饋能量約為1000～1500kW?h，但設備上線后，大部分站點回饋能量僅為200～500kW?h，少數站點回饋能量超過2000kW?h（見表1），總體來看，1號線能饋裝置利用率不足50%，并且站間差別較大。

為發揮能饋裝置的效能，節約初期投資，本文對某后續線路全線安裝或隔站設置能饋裝置進行研究，通過模擬不同工況下能饋吸收效果，以找到合理的設置方案，節約投資費用。

表1 1號線日回饋電量

2 某新線基本情況

后續某線全長約40多km，設置34座地下車站，正線共24個牽引所，區間長度見表2。車輛為6編組A型車，最高運行速度80km/h，牽引供電制式為直流1500V剛性接觸網。線路初期、近期采用大小交路套跑方式運營，根據客運時段不同，每日上線列車6對至27對。

表2 區間長度（單位: km）

3 能饋裝置分站設置仿真

結合某新建線路總體設計文件，在區間長度、坡度、運行圖、行車密度基本確定的情況下，選擇牽引所全部設置、每隔一處牽引所設置一套、每隔兩處牽引所取消一套能饋裝置3種情況，對6、8、12、15、20、27對列車上線運行工況（行車密度分別為10min、7.5min、5min、4min、3min、2.5min）進行模擬仿真。

列車運行仿真模擬是根據設計線路縱斷面、列車牽引特性、供電特性、列車阻力特性、牽引網電壓以及運營組織要求等各種資料仿真各個運營階段列車全線運行狀態，其產生的數據作為運行圖模擬和供電節點網絡模擬的數據基礎。

3.1 仿真計算

根據既有列車技術參數、區間長度、運行圖、行車密度、線路各變電所數量，對不同運行圖下多輛列車在正線模擬工況仿真計算。

3.2 列車制動能量利用率

根據軟件仿真及3.1節中公式計算，列車在全線一次折返的牽引能耗為1989.5kW?h，輔助用電能耗為385kW?h，再生制動能量為◆1156.8kW?h，由此可得全線運營中列車制動產生的能量與列車由牽引網獲取的電能的比值約為49%。

從表3仿真結果看，相鄰車輛間互相吸收的再生能量所占比例占總牽引電量的32%～45%，列車制動能量利用率約為66%～90%，在不考慮加裝再生能饋裝置前提下，制動產生的再生能量約10%～33%轉化為熱能消耗。

表3 不同列車密度牽引負荷計算值對比表

3.3 某線路仿真結果及數據分析

1）能饋裝置輸出功率仿真結果

從仿真結果（如圖2—圖4所示）可以看出，當列車上線對數不同時，全線24座牽引所單套再生能饋裝置輸出功率呈無規律變化，但總體看上線列車較少時能饋裝置的輸出功率較大。

參考表3的數據，線上列車較多時，相鄰車輛間相互吸收的再生能量比例相對增大，線上列車對數較少時，相鄰車輛間相互吸收的再生能量下降，相當一部分能量通過制動電阻發熱消耗。因能饋裝置輸出功率在不同運行圖下變化較大，設備選型時需要考慮滿載及短時過載狀態，選擇適當的設備容量，減少設備購置費用。

圖2 牽引所全部設置時的能饋裝置功率

圖3 每隔一處牽引所設置時的能饋裝置功率

圖4 每隔兩處牽引所取消一套時的能饋裝置功率

2）能饋裝置能量吸收仿真結果

以初期運營組織提供的不同時間段發車間隔為例，不同分站設置方案下24個牽引所每天吸收的再生制動能量如圖5所示。

圖5 能饋裝置能量吸收情況

經模擬計算，正線牽引變電所均設置能饋裝置全天吸收電能約為27100kW?h；隔兩座牽引變電所取消一套時全天吸收電能約為25200kW?h，占全部設置方案吸收總量的93%；隔一座牽引變電所取消一套時全天吸收電能約為23400kW?h，占全部設置方案吸收總量的86%。

因線路采用直流1500V接觸網供電方式，其供電電壓等級及設計標準中規定的鋼軌電位限值決定了牽引變電所設置的距離，若繼續取消能饋裝置，車輛再生制動能量傳輸的距離增加，能饋裝置吸收的效果反而大幅降低。

3）設備選型

根據仿真結果，牽引所全部設置的能饋裝置功率為800～2500kW，每隔一處牽引所設置的能饋裝置功率為1500～3600kW，每隔兩處牽引所取消一套的能饋裝置功率為1400～3300kW。

當再生能饋裝置達到滿載工作狀態時，系統不會長時間超負荷運行，無法吸收的再生能量由就近牽引所能饋裝置吸收，結合運營期管理情況，能饋裝置容量選型不宜超過3種。3種分站設置方案情況下的設備推薦選型見表4。

表4 能饋裝置選型

4）經濟性分析及方案選擇

國內中壓能饋裝置大多數由絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）元件高速通斷實現再生能量吸收控制，使用壽命按20年計算，3種方案中所有牽引所均預留能饋裝置房間，配套設置中只含配套交直流開關柜及環控氣滅。根據表4中設備容量選型及分站設置方案，計算出設備、土建投資及電費節約金額見表5。

表5 投資及收益估算

從表5可看出，每隔一處牽引所設置1套的方案裝置及配套設施投資最少，20年凈收益最多。

4 結論

從經濟性和后期運營維保便利性分析，后續線路推薦采用每隔一處牽引所設置一套能饋裝置方案。由于新建線路區間構造、列車制式、運行圖有所不同，后續新線均建議進行仿真計算，以獲得合理的再生制動設計方案。此外，中壓逆變能饋裝置不僅適用于地鐵項目，在中高行車密度的有軌電車、輕軌等項目中也有廣泛應用。電容式能量吸收裝置在未來科學技術不斷突破下，也有較好的應用前景。

隨著大數據的不斷發展，更多的軌道交通模型將被建立，再生能量仿真系統也將日趨完善，合理設計設備配置不僅能夠節約投資，更是為設備系統在功能性、經濟性、安全性三者之間找到平衡點提供實際應用支撐。