节能曲线下能馈装置应用效果分析

卢海明

(广州地铁集团有限公司,广东 广州 510000)

近年来城轨轨道交通高速发展,截至2019年底广州地铁运营线路共有14条,线网里程达514.8 km。城市轨道交通能耗总量大、运营成本高,相关研究指出运营1条25 km的线路,1年的耗电量约在1亿～2亿kWh,其中列车牵引能耗约占总电耗的45%～60%[1-2]。在如此巨大的能耗面前,如何减少列车牵引用电、降低运营成本,尤其是针对客流量相对较小的郊区线路具有重要意义。

城市轨道交通具有站间距短、运行速度快等特点,频繁地制动可产生相当可观的再生制动电能,目前普遍采用二极管整流器为列车提供所需的电能,无法利用制动能量。

为实现列车再生制动电能的二次利用,广州地铁公司在9号线应用再生制动能量逆变回馈装置(下文简称“能馈装置”),采用中压逆变回馈到地铁33 kV供电网络的方案[3-4]。同时,结合9号线客流量分布情况,开展列车节能曲线运行模式的测试,以进一步降低列车能耗。本文通过研究分析列车执行节能曲线下能馈装置节能效果,为9号线能馈装置的投退组合方式和后续新线能馈装置的设置方案提供了理论基础。

1 能馈系统简介

广州地铁9号线使用的再生制动能量逆变回馈装置每套额定逆变功率为1 MW,短时峰值逆变功率为2 MW。能馈装置主要功能为:装置处于逆变工况时,通过对直流牵引供电系统的功率控制实现对牵引网直流侧电压的稳定控制,确保列车再生电制动功能的充分发挥,基本消除列车电制动失效,实现列车再生电能的二次利用[5-6]。

为了尽量减少能馈装置对直流牵引供电系统运行的影响,9号线设计将制动电能的回馈通路与牵引整流通路相隔离,能馈装置交流侧通过中压开关柜108接入33 kV交流环网系统,直流侧通过直流开关柜203连接直流牵引网正极,通过能馈隔离开关柜2031连接直流牵引网负极。能馈装置一次接线图如图1所示。

图1 能馈装置供电示意图

2 工程应用分析

随着上述研究的顺利开展,2020年8月3日—16日在9号线开展为期两周的测试工作,节能曲线测试期间新编制9号线节能测试时刻表,全天各列次均按节能模式运行。能馈装置的节能效果受到诸多运行因素的影响,如启动电压门槛值、客流量、列车时刻表、设备故障情况等,利用节能曲线测试机会对比、研究列车不同运行模式下能馈装置应用情况和回馈效果的差异,测试期间全线四套能馈装置均保持相同参数投入运行,并收集能馈装置回馈电量和列车能耗数据等电气量。

2.1 测试安排及区域

8月3日—9日运营期间列车执行正常运行模式,8月10日—16日运营期间列车执行节能曲线运行模式,列车在9号线飞鹅岭至高增站全线均执行节能曲线运行模式。

2.2 测试时刻表安排

广州地铁9号线一期工程飞鹅岭站首、尾班车开车时间分别为6:00和22:30,高增站首、尾班车开车时间分别为6:06和23:15,日均输送乘客约10万人。节能曲线测试期间8月10日—14日采用节能曲线工作日时刻,与正常运行时刻表参数对比情况如表1所示。

表1 工作日正常运行与节能运行时刻表参数对比表

8月15日—16日采用节能曲线周六日时刻表,与正常运行时刻表参数对比情况如表2所示。

表2 周六日正常运行与节能运行时刻表参数对比表

2.3 测试数据

为避免因抄表时间不一致影响测试结果,每天牵引所抄表时间均控制在同一时刻前后20 min内完成。测试期间9号线变电设备均正常运行,全线四套能馈装置正常投入(启动门槛电压值1 720 V),未发生有其它专业设备故障导致列车晚点等情况,列车均按节能曲线时刻表完成运营。

汇总2种运行模式下牵引电量、能馈装置回馈电量及上线列车导出相关数据,测试结果整理如表3、表4所示。

表3 正常运行模式测试数据 kWh

表4 节能曲线运行模式测试数据 kWh

2.4 测试结果分析

对比2种运行模式下测试数据,可总结出以下结论:

(1) 7天正常运行模式下正线牵引总电量为482 680 kWh,7天节能曲线模式下全线牵引总电量为397 162 kWh,节能模式相比正常模式共节能85 513 kWh,正线牵引总用电量环比减少17.7%;

(2) 7天正常运行模式下四套能馈装置回馈总电量为26 140 kWh,7天节能曲线模式下回馈总电量为18 140 kWh,回馈总电量环比减少30.6%;

(3) 正常模式下日均回馈电量3 734.28 kWh,节能模式下日均回馈电量2 591.43 kWh,对比正常运行模式,节能模式下日均回馈电量减少1 142.85 kWh。

列车节能曲线的使用期间,能馈装置回馈电量有较为明显的下降,主要由于节能曲线运行模式是通过优化列车速度曲线、调整列车运行速度,使列车尽量长时间保持惰性运行,减少频繁的启制动,同时拉大行车间隔,减少了运营里程数,因此列车回馈至接触网的再生制动电能也同步减少,能馈装置的回馈电量、回馈次数和利用率均明显下降。综上所述,配合列车执行节能曲线运行模式时,再生制动能量吸收利用能馈装置不必全线投用,而是经过计算综合分析后适当设置。

3 结束语

以广州地铁9号线工程应用为例,对节能曲线下的能馈装置应用效果展开了研究分析,结果表明,列车节能曲线的执行和能馈装置的投用均能实现节能减耗,同时节能曲线的执行减少了列车反馈至接触网的再生制动电能,能馈装置利用率出现明显下降。后续可通过各站能馈装置投、退组合成不同的运行方式,对期间收集的数据进行比较、分析和总结,为下一步9号线能馈装置的使用方式及后续新线优化能馈装置的设置方案提供参考依据。