地铁牵引系统供电节能优化研究

 地铁牵引系统供电节能优化研究

仲妙建 

   嘉兴市申嘉有轨电车运营管理有限公司

摘要：在当前社会经济的不断发展与城市化进程的持续推进下，很多城市的交通压力逐渐增大，使地铁交通行业迎来了发展的黄金时期，不过在地铁的实际运行中存在着一定的制动能耗问题，制约了地铁运行整体价值的提高。结合当前信息时代的发展，再生制动能量馈能技术有着良好的节能价值，如何落实好能馈式节能技术，也成为当前地铁行业发展需要考虑的问题。为此，本文会先阐述地铁车辆牵引供电系统的构成，然后分析能馈式节能技术的需求及结构，最后讨论技术的功能及应用，以期望可以对再生制动的剩余能量进行有效利用，促进地铁行业的发展。

关键词：地铁发展；牵引系统；供电节能技术

在地铁的实际运转中，有着频繁启动和停靠的特点，因此存在着巨大的制动能量，最高可达40%，在未有效应用下会造成严重的能量浪费，需要针对制动能量进行有效应用。结合传统地铁的牵引系统而言，其再生制动能量的利用方案会选择储能模块和制动电阻等方面，虽然有一定的能量应用效果，不过在改造成本和热量挥发上仍存在不足。因此有必要对再生制动能馈式节能技术进行分析，在实现制动能量的有效应用后，可满足地铁行业发展的可持续性需要。

1、能馈式节能供电系统的组成

在能馈式供电节能系统的运行中，针对其系统组成而言，有主变电所、牵引变电所与接触网等方面。结合牵引变电所的运行而言，传统的牵引变电所会将主变电所的交流电转化为直流电，从而为车辆提供牵引力，而当前新的能馈式牵引系统既含有二极管整流机组，同时还并联了PWM能馈变流器，整体转换效果更佳。此外，在能馈式节能供电系统中，其系统构成的关系如下，首先输电网和主变电所连接，其次牵引变电所涵盖整流机组与能馈机组，并借助馈线和接触网连接，最后接触网与车辆、轨道进行相连。

2、能馈装置的内部结构及需求

2.1能馈装置的内部结构

在能馈式装置中，其组成包括直流负线隔离柜(DNS) 、能馈变压器(CVT)、直流馈线开关柜(DKS)、高电压等级开关柜（VS）、核心变流器柜 (CC)和低电压进线柜 (LVA)等系统。具体的结构组成关系有以下几点：第一，高电压等级开关柜开闭电路（高压处为 10kV/35kV），然后在开关闭合后可以跟能馈变压器相连；第二，在经过低电压进线柜（内配有开关）后，同时传输至核心变流器柜；第三，最后再经过直流馈线开关柜、负线隔离柜后，跟750/1500V的电压相连。结合上述系统流程，PWM整流器有着不可替代的价值，在其具有的核心价值下，有着牵引整流、逆变回馈和无功补偿等功能。

2.2基本控制需求分析

在能馈装置的运行中，为了有效提高能馈装置的控制效果，需要对其基本控制需求进行了解，具体要简化处理三相PWM整流器，同时对网侧电压为正弦波、整流器电感不饱和理想开关损耗电为0进行假设。最后在完成合理的计算和分析后，可以得出以下基本控制的需求：第一，要求合理进行电路参数的设计跟电压外环的控制，确保能馈装置具有boost升压的特性；第二，需要关注高频谐波含量对电压传输工作的影响，结合波形优化的方式进行影响控制；第三，当交流侧电流的波形与标准正弦的理解模型相似且接近下，需要对控制系统的各方特性进行关注，且在系统搭建后还应开展仿真验证，在以大功率设备的运行数据作为参数后，提高能馈装置的运行效果。

3、能馈式牵引供电系统的应用分析

3.1牵引回馈的功能

在牵引回馈功能中，需要在交流侧和直流侧之间做好大功率逆变器的安装工作，使制动能量可以有效回馈到交流侧中，简单讲可以将其看成能量收集和回馈的装置，有着功率达、谐波低和安全性高的价值。针对以往既有的二极管整流机组的运行看，其输出电压控制效果不足，当地铁大功率的运转时，会在客载量增大和运行速度变化下，导致供电电压出现较大的波动，继而会使地铁的牵引能力降低。而借助中压能馈式装置，能具有整流功能，可以降低地铁在大功率运行下的电压波动，从而不断提高地铁的牵引动力，将系统上的动能转变为电能并利用牵引网传输。需要注意的是，在有效的能量收集和回馈中，能收集制动过程产生的能量，利于实现节能和控制温度的目标。

3.2无功补偿功能

对于无功补偿而言，是能馈式牵引供电系统中的重点研究内容，其目的是结合系统运转特性完成牵引系统的简化，同时基于数据收集处理和指令传输，优化传统的无功补偿工作。具体在中压网络中，无功分布有着一定的规律且结合对地电容的数值较大，应落实有效的无功补偿工作，同时在实际的地铁运行中，降压变压器也会存在无功功率的产生，需要做好其功率的分析，提高降压变压器的运转效果。

3.3系统节能特性

以地铁的运行为例，在地铁的牵引功率为4200KW，直流电压为1500V时，其刹车最大功率为8000KW，能参考地铁的运行数据曲线，得知地铁的牵引功率和制动存在着明显的对称结构。为了验证能馈式供电系统的节能效果，其技术参数需要做好如下设计：第一，系统需要具有无功补偿、逆变和整流的功能；第二，系统需要使用的功率器件为IGBT 智能功率模块，且频率为50Hz、额定电压为2*AC3Ф×450V；第三，系统中的功率因素、逆变器效率和电流谐波畸变率，分别为>0.99、>98%和<3%；第四，需要系统以强迫风冷的方式完成冷却，且防护等级须大于IP30。在安装中压能馈装置且经过技术参数设置后，地铁可以正常运行与制动。需要注意的是，本质上讲牵引系统所回馈的电能来源于列车运行和制动中的动能与势能，因此当列车下行时，有着回馈能量更多的特点。

3.4系统节能创新

结合地铁运行的经济效益发展而言，其地铁运营费用的一半以上需要支持电力的供应，个别城市受地形和人流量的影响，其地铁牵引系统的能耗占比高达60-70%。因此要详细了解牵引、巡航和制动中的损耗，做好节能工作。例如，在列车处于牵引阶段时，其加速到80km/h并进行稳定行驶后，可以借助定速巡航功能，以较小的功率完成地铁的牵引，同时在列车进站时，可以停止供电仅靠其惯性惰性完成前行进站。另外，结合地铁的制动系统而言，其制动和汽车刹车片的制动方式不同，需要改变系统牵引方向的外力，在克服电磁力做功时，存在较多能量损耗，为此还应做好能量收集装置的安设，实现能量的再利用，常见的利用途径有热能向空调系统中引进，优化地铁的服务。

3.5节能技术瓶颈

随着信息技术的发展，在利用能馈式地铁供电节能系统后，虽然可以提高地铁运行的节能效果，不过在部分环节上仍存在一定的技术问题，应做好改善工作。首先，在热能吸收技术上还存在不足，能量普遍利用率低，无法缓解空调系统的压力。其次，能馈式再生系统需要依赖于地铁制动，不过在实际的制动过程中，非连续性的逆变交流电性能较低，不利于提高整体供电的质量，且短期制动会存在高电压，易对低压系统造成损耗。因此，在要结合当前技术的不断创新和优化，将能馈式再生系统和热能吸收技术、储能技术进行结合发展，在有效提高超级电容和超导磁等技术的应用效果后，满足地铁牵引系统的供电节能优化需要。

4、结语

综上所述，结合能馈式牵引供电系统在制动能量上的有效应用，可以提高资源的利用率并降低地铁的运行成本，有利于满足地铁的绿色、可持续发展需要。为此，在了解牵引能耗在城市交通轨道用电中的高占比（50%）和能馈式装置的应用价值后，需要先对能馈式牵引供电系统的牵引回馈功能和无功补偿功能的进行分析，然后对系统的节能特性和节能创新进行研究，最后在基于节能技术瓶颈下，要求将能馈式再生系统和热能吸收技术、储能技术相结合，并做好融合优化，最终可以促进地铁运输行业的发展。

参考文献：

[1]吴凡.地铁牵引系统供电节能优化[J].城市住宅,2021,28(S1):255-256.

[2]杨静.地铁牵引系统供电的节能优化[J].大众标准化,2019(18):55-56.

[3]许昕. 地铁牵引供电系统节能优化设计研究[D].北京建筑大学,2019.