地鐵列車制動(dòng)電阻等節(jié)能方案匯總 目前,節(jié)能減排已成為我國的基本國策。對(duì)城軌交通的主力地鐵列車而言,應(yīng)當(dāng)以節(jié)能為己任。下面具體介紹一下地鐵列車各種節(jié)能方案。
1、制動(dòng)電阻節(jié)能方案
在大容量電力電子開關(guān)元件普遍運(yùn)用之前,地鐵車輛大多采用電阻器變阻調(diào)速,如北京地鐵初期的車輛。列車的電氣制動(dòng)沒有再生能力,只能利用起動(dòng)電阻進(jìn)行電阻制動(dòng),但由于制動(dòng)時(shí)的功率很大,電阻器的功率往往取決于制動(dòng)。
若列車最高速度為80 km /h,假設(shè)起動(dòng)電阻切除時(shí)列車速度為40 km /h (實(shí)際36km/h左右)。若使用全電阻制動(dòng),粗略計(jì)算可知,制動(dòng)電阻的容量大約是起動(dòng)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(nèi)地鐵列車從20 世紀(jì)70 年代開始采用斬波調(diào)壓電傳動(dòng)技術(shù),至90年代采用更為先進(jìn)的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。雖然列車啟動(dòng)不再使用電阻器而由先進(jìn)的變流器所取代,但制動(dòng)電阻作為再生制動(dòng)的補(bǔ)充卻依然存在。
改革開放后,我國開始引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù),先進(jìn)節(jié)能的斬波調(diào)壓和交流變頻的商用列車大多從國外進(jìn)。在技術(shù)合同談判中,中方技術(shù)人員大多從安全、可靠的原則出發(fā),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(dòng)電阻器。當(dāng)再生制動(dòng)因故失效時(shí),列車憑借電阻制動(dòng)可以在全線正常運(yùn)行,而不必依靠機(jī)械制動(dòng)。如前所述,這種全功率的電阻器容量不小。從上海地鐵1 號(hào)線和廣州地鐵1 號(hào)線車輛開始,國內(nèi)A型車的制動(dòng)電阻一直以全功率配置。雖然各公司由于牽引電機(jī)特性不同、所配電阻參數(shù)有所不同,但其功率及質(zhì)量大致相當(dāng)。
以廣州地鐵為例。1號(hào)線制動(dòng)電阻(每輛動(dòng)車)參數(shù)為: 2 ×1. 8Ω, 2 ×812. 5 kW = 1 625 kW (瞬時(shí)最大) ,質(zhì)量358 kg,風(fēng)機(jī)功率1. 4 kW。8號(hào)線制動(dòng)電阻(每輛動(dòng)車)參數(shù)為: 2 ×1. 96Ω, 2 ×1 120 kW = 2 240 kW (瞬時(shí)最大) ,質(zhì)量376 kg。2號(hào)線制動(dòng)電阻(每輛動(dòng)車)質(zhì)量375 kg。
B型車在進(jìn)口國外電牽引系統(tǒng)時(shí),當(dāng)初也是選用了全功率的制動(dòng)電阻。但近幾年來,北京地鐵在運(yùn)營(yíng)中選擇了合理、經(jīng)濟(jì)的電阻容量,以降低車輛的質(zhì)量。其具體做法是:在車輛電氣牽引招標(biāo)文件中,規(guī)定制動(dòng)電阻容量按制動(dòng)初速50 km /h考慮,而不是80 km /h。通過簡(jiǎn)單計(jì)算對(duì)比,前者容量只有后者的40%左右。
按此設(shè)計(jì)制動(dòng)電阻,其體積和質(zhì)量將會(huì)明顯降低,經(jīng)濟(jì)意義很大。這一理念在B型車的應(yīng)用范圍內(nèi)得到了推廣、取得了成效,但A型車用戶似乎仍未響應(yīng)。究其原因,是對(duì)地鐵列車在實(shí)際運(yùn)行中究竟再生了多少電力、制動(dòng)電阻又承擔(dān)了多少電氣制動(dòng)的份額心中無底,不敢貿(mào)然降低電阻容量。
國內(nèi)大城市的地鐵干線運(yùn)營(yíng)漸入正軌,行車間隔不斷縮短,為列車運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)提供了條件。為此,廣州地鐵也在2006—2007年運(yùn)量較大的1號(hào)線進(jìn)行了兩次較為全面的測(cè)試。雖不能作為權(quán)威的測(cè)試和根據(jù),但從中看到的規(guī)律和得到的數(shù)據(jù)仍然可以給同行提供參考。
廣州地鐵1號(hào)線全長(zhǎng)18. 48 km,共設(shè)16 站,平均站距約1. 23 km, 使用6輛A型車編組(4動(dòng)2拖)的列車。第一次測(cè)試的數(shù)據(jù)見文獻(xiàn),測(cè)試在一列車上進(jìn)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(yùn)行了一個(gè)往返,記錄了各區(qū)間列車上牽引系統(tǒng)輸入電能、再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能及制動(dòng)電阻能耗。
按文獻(xiàn)[ 1 ]定義: 再生率=再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能/列車牽引系統(tǒng)輸入電能,列車實(shí)際牽引電能=列車牽引系統(tǒng)輸入電能- 再生制動(dòng)饋入電網(wǎng)電能,電阻制動(dòng)耗能比率=制動(dòng)電阻能耗/列車實(shí)際牽引電能。
這次測(cè)試結(jié)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(dāng)理想、節(jié)能效果顯著。對(duì)全國的同類型車來講,再生能力都比較強(qiáng),在30% ～50%之間,這與車輛制動(dòng)特性、供電結(jié)構(gòu)、行車密度、列車運(yùn)行圖都有關(guān)。從能量回饋的角度看,列車編組4動(dòng)2拖比3動(dòng)3拖優(yōu)越。另一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表明,兩個(gè)往返中總的制動(dòng)電阻能耗占列車實(shí)際牽引電能的比率是2. 9% ,相當(dāng)?shù)汀?/FONT>
這次測(cè)試為今后各地鐵線采取制動(dòng)策略提供了數(shù)據(jù),但可惜只進(jìn)行了兩個(gè)往返測(cè)試,尚不夠準(zhǔn)確、全面。因此,測(cè)試組在前一次測(cè)試的相同條件下又進(jìn)行了一次全天測(cè)試,從早上5: 51開始至晚上23: 12回庫,共運(yùn)行了17 h 20 min、14 個(gè)往返。測(cè)試數(shù)據(jù)表明, 14 圈平均再生率為42. 08% ,最小35. 1% ,最大46. 9%。制動(dòng)電阻消耗占牽引系統(tǒng)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(cè)試,且行車密度較高,因此具有較高的參考價(jià)值。
從以上的幾次測(cè)試可以看出:首先,進(jìn)入正規(guī)運(yùn)營(yíng)的各城市地鐵線路使用了交流傳動(dòng)帶再生制動(dòng)的列車,其再生回饋電力在40% 左右,節(jié)能效果非�？捎^。
其次,由于平均站距、供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、列車運(yùn)行圖編制等多種原因,再生率在各區(qū)段會(huì)有不同�？偟内厔�(shì)是行車密度越高,再生率越高,但不成正比,這與電網(wǎng)功率吸收的仿真計(jì)算結(jié)果相印證。如在同一區(qū)段,制動(dòng)的列車正好碰上一列啟動(dòng)的列車,則再生率最高�？梢�,運(yùn)行圖編制對(duì)節(jié)能有很大影響,但因區(qū)間長(zhǎng)短不一,最理想的運(yùn)行圖并不易得到。當(dāng)然,在行車間隔縮小到3 min以下時(shí),重合幾率大,再生效果會(huì)更好。再次,制動(dòng)電阻在全天的運(yùn)營(yíng)中,仍有一定的實(shí)用價(jià)值,因?yàn)榇蠖鄶?shù)線路總會(huì)有行車的高峰期和低峰期,對(duì)于新開通的線路或規(guī)劃引導(dǎo)型線路,其列車開行間隔長(zhǎng)的情況會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。
2、超級(jí)電容、特種蓄電池、飛輪節(jié)能方案
這些儲(chǔ)能裝置在國外都有試驗(yàn)和應(yīng)用,但都未得到推廣。在國內(nèi),因技術(shù)要求高、國產(chǎn)化困難、價(jià)格高,短時(shí)難以推廣。
3、直2交逆變節(jié)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(wǎng)。但由于逆變后的諧波及功率因數(shù)等原因,要入大電網(wǎng)實(shí)際上很難,各國都是如此。此外,由于制動(dòng)能量呈脈沖狀,逆變器功率大,耐壓等級(jí)高,使用率低,經(jīng)濟(jì)上不合算。最近,又在此基礎(chǔ)上研發(fā)出雙向變流技術(shù)。它在牽引時(shí)作為整流器用,在制動(dòng)時(shí)作為逆變器用,這應(yīng)該是很理想的方案,國內(nèi)外都在研發(fā)。但從上述數(shù)據(jù)看,回報(bào)率值得研究。
4、電阻2逆變混合型節(jié)能裝置節(jié)能方案
國內(nèi)自主研制的電阻2逆變混合型節(jié)能裝置, 從2007年10月在天津地鐵1號(hào)線車輛段變電所掛網(wǎng)運(yùn)行至今,已經(jīng)一年有余。該方案運(yùn)行情況穩(wěn)定,有可見的節(jié)能效果,符合實(shí)際,切實(shí)可行。因?yàn)樵偕苿?dòng)的電能是脈沖式的,如潮起潮落。在列車最高速度處瞬時(shí)功率最大,一般節(jié)能裝置都不好處理�；旌夏孀兊碾娮栉罩苿�(dòng)能量的脈沖峰值,其余能量逆變成交流低壓電能。
針對(duì)國家大電網(wǎng)難于進(jìn)入的現(xiàn)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(shè)備(如風(fēng)機(jī)、水泵、照明、扶梯等)則更為現(xiàn)實(shí),這就是電阻2逆變混合型再生制動(dòng)能量吸收裝置的基本技術(shù)思路。至于電阻是否可省略,可根據(jù)每條線路運(yùn)營(yíng)情況決定,以求最小。由于是自主研發(fā)的國產(chǎn)品,價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯,只有進(jìn)口電容吸收方案的1 /3 左右。對(duì)比前述的各種節(jié)能方案,筆者認(rèn)為電阻2逆變混合的方案在當(dāng)前國內(nèi)條件下最為現(xiàn)實(shí)可行。該方案防止了地鐵列車制動(dòng)節(jié)能方略走向的兩個(gè)極端:要么全部取消制動(dòng)電阻,要么全面采用極其昂貴的儲(chǔ)能裝置。 |
