2021年5月（总第415期）
·43·
研究与交流
STUDY AND COMMUNICATIONS
第49卷Vol.49第5期No.5
铁道技术监督
RAILWAY QUALITY CONTROL
收稿日期：2020-12-29
作者简介：白宣，工程师
0引言
近几年，北京城市轨道交通快速发展，耗电量
也随之大幅度增加，地铁列车再生制动能量能否充分有效地回收利用是当前亟待解决的问题。随着科技进步，各种再生制动能量吸收装置逐步应用于北京城市轨道交通，用来回收利用再生制动能量。因此，对各种类型再生制动能量吸收装置的实际运行、节能效果开展评估十分必要。 1再生制动能量吸收装置分类和特点
北京地铁应用的再生制动能量吸收装置主要有
以下3种类型：电阻耗能型再生能量吸收装置（以下简称“电阻耗能型装置”）、逆变回馈型再生能量吸收装置（以下简称“逆变回馈型装置”）、储能型再生能量吸收装置（以下简称“储能型装 置”）等。1.1
电阻耗能型装置
电阻耗能型装置根据再生制动时母线电压的变化，用斩波器和吸收电阻配合，通过电阻消耗制动能量，通过调节斩波器导通比，达到改变吸收功率的目的。这种装置控制简单，应用成熟，斩波单元、电阻单元已实现模块化，维护维修方便。
电阻耗能型装置设置在直流牵引系统内，与供电系统其他部分之间无接口，保护设置简单，对供电系
统其他部分无谐波和电压影响，是最早一批在北京地铁投入使用的再生制动能量吸收装置，主要应用于6号线、8号线、15号线、昌平线、房山线、亦庄线、机场线。
电阻耗能型装置只能将再生制动能量转变成热量，不能回收利用再生电能，无节能效果。同时，电阻散热会导致环境温度上升。这种装置安装在地下变电所内，电阻柜需单独放置，设备间
北京地铁再生制动能量吸收装置节能效果对比分析
白
宣
（北京市地铁运营有限公司，北京100044）
摘要：介绍北京地铁再生制动能量吸收装置的分类和特点，选取北京地铁9号线低压逆变回馈型装
置，10号线中压逆变回馈型装置，8号线德茂、瀛海站电容型储能装置和房山线广阳城站飞轮储能型装置的用电和节能数据，对比分析不同类型再生制动能量吸收装置的节能效果。建议根据实际线路及车站情况，综合考虑线路坡度、曲线半径、行车密度、区间长度、客运量等因素，进一步开展容量配置研究，合理配置线路再生能量利用装置容量。
关键词：地铁动车组；再生制动能量；能量吸收装置；节能；对比分析中图分类号：U266.203.59+U231.8
文献标识码：B
文章编号：1006-9178（2021）05-0043-05
Abstract ：This paper introduces the classification and features of regenerative braking energy absorption devices in
Beijing Metro.The power consumption and energy-saving data of low-voltage inverter feedback devices in Beijing
Metro line 9,medium-voltage inverter feedback devices in line 10,capacitor energy storage devices in Demao Station
and Yinghai Station in line 8and flywheel energy storage devices in Guangyangcheng Station in Fangshan Line are se⁃lected to compare and analysis the energy-saving effects of different regenerative braking energy absorption devices.It is suggested that according to the actual line and station conditions,considering the line slope,curve radius,traffic density,interval length,passenger cap
acity and other factors,further study on capacity allocation should be carried out to reasonably allocate the capacity of line renewable energy utilization device.Keywords ：Metro Train;Regenerative Braking Energy;Energy Absorbing Device;Energy Saving;Compare and
Analysis
也必须采取足够的通风措施来降温，额外增加了地铁通风空调系统的电能损耗。若安装在室外，且靠近居民区，需要增加隔音措施，额外增加成本费用。在实际运行过程中，经常发生电阻或IGBT 元件超温保护动作，装置停止运行的现象，不利于稳定牵引网电压，增加地铁列车机械制动部分的损耗。
1.2逆变回馈型装置
逆变回馈型装置在牵引变电所的变压器和整流器上，并联一组大功率三相逆变器，将直流再生电能转换为交流电，并经过变压后，注入电网，重复利用，包括中压逆变回馈型装置和低压逆变回馈型装置2种。在列车制动过程中，当母线电压升高超过规定值时，逆变回馈装置启动，从母线吸收电流，把制动能量回馈至电网中；当电压处于规定值范围之内时，逆变回馈型装置处于待机状态。该装置应用较成熟，已经进入大范围工程化阶段。逆变回馈单元采用模块化设计，维护维修便利。目前主要应用于5号线、6号线、7号线、9号线、10号线、15号线。
逆变回馈型装置虽然实现了对列车再生制动能量的回收再利用，但在实际运行中受各线路运营间隔的影响，逆变回馈型装置产生的逆变电量占牵引用电比例均未达到设计要求的10%。运营间隔越小，再生制动能量被牵引网其他负载利用得越多，需要再生能量吸收装置处理的电能就越少。
在实际运行中，逆变回馈型装置易出现IGBT 故障、超温跳闸等问题，装置运行稳定性下降，导致其节能稳压效果下降。另外，逆变回馈型装置还存在局限性：①逆变回馈型装置连接在直流牵引系统与交流系统之间，在交流系统中承担电源功能，这就导致配电网中同时出现2个供电电源，继电保护整定难度加大，运行方式变得复杂。尤其是中压回馈型装置，开启了双向整流功能，上述问题变得更加复杂。②逆变回馈型装置反馈至交流电网的电能质量难以保证，存在的谐波给其他设备正常运行造成安全隐患。另外，根据实际计量数据，负载与再生制动能量的瞬时不平衡，再生制动回馈电能易反送至城市电网，不能完全实现能量在地铁系统内部应用。③低压逆变回馈型装置受容量限制，只能吸收小部分能量，仍需设置电阻消耗大部分能量，降低再生能量利用率，造成资源浪费，存
在电阻耗能型装置的缺点。
1.3储能型装置
储能型装置是将储能元件与电力电子变流装置（双向DC/DC变换器）结合，用来回收再生制动能量的一种新型地铁节能装置。相比于逆变回馈型装置，储能型装置不会对交流电网侧产生影响，减少了逆
变、变压等能源转换环节。相较于电阻耗能型装置和逆变回馈型装置，储能型装置较好地抑制了制动能量造成的网压升高，储存的能量还能改善列车取流造成的电压下降，具有良好的稳定牵引网压作用。
储能型装置主要有电容储能型装置和飞轮储能型装置2种。两者分别利用超级电容和飞轮作为储能元件，直接吸收直流牵引侧列车的再生制动能量，再供给列车运行使用。
电容储能型装置先后在10号线万柳车辆段、八通线梨园站完成了挂网验证及日间试运营。目前主要用于8号线四期德茂站、瀛海站，经过1年的实际运用，运行稳定，稳压效果良好，未出现重大问题。但也暴露出一些有待改进之处，例如，电容均压问题，由于在充放电过程中，电压变化率不一致，导致部分单体电容电压过低或过高，使得电容器组容量不能被充分利用，影响整个系统的稳定性和使用寿命。
2019年，飞轮储能型装置在房山线广阳城站完成挂网测试及日间试运行。试运行期间设备运行稳定、节能效果显著，达到预期效果，填补了国内应用飞轮储能型装置解决再生制动能量回收方式技术领域的空白。不足之处在于造价偏高，目前国内应用较少，缺乏维护经验。飞轮储能型装置目前暂未实现正线运行，后期将在6号线车公庄西站、花园桥站试点推广应用。
2节能效果分析
选取9号线、10号线，8号线德茂站、瀛海站和房山线广阳城车站，通过统计逆变回馈型装置和储能型装置投运以来的数据（飞轮储能型装置节能数据为挂网试运行期间的数据），分析不同装置的节能效果。
2.1逆变回馈型装置
2.1.1低压逆变回馈型装置
9号线用电和低压逆变回馈型装置节能情况见表1。
·44·
·45·
彩相纸铁道技术监督
第49卷第5期
从表1可知，9号线低压逆变回馈型装置年均再生电量占比约为9号线牵引用电量的6%；再生电量利用率6年年均值约为67%，约33%的能量仍需电阻消耗。若电费按照0.8元/kWh 计算，年均节约电费
约84万元，约占9号线年度牵引用电电费的4.1%。2.1.2
中压逆变回馈型装置
10号线用电和1MW 中压逆变回馈型装置节能情况见表2。
表1
9
号线用电和低压逆变回馈型装置节能情况
表2
10号线用电和1MW 中压逆变回馈型装置节能情况从表2可知，10号线十里河站和西钓鱼台站中压逆变回馈型装置再生电量占比最高为10%，再生能量利用率最高达到80%。10号线年均再生电量占比约为牵引用电量的6%；再生制动能量利用率年均70%，约30%的能量未能有效利用，反馈至上级电网。若电费按照0.8元/kWh 计算，年
均节约电费约22万元，约占10号线牵引用电电费的5.2%。2.2储能型装置
2.2.1
陶瓷喷嘴电容储能型装置
8号线用电和1MW 电容储能型装置节能情况见表3
。
表3
8号线用电和1MW 电容储能型装置节能情况
从表3可知，电容储能型装置2年平均反向电量459MWh ，再生电量占比16%，年均再生电量
利用率79%。若电费按照0.8元/kWh 计算，年均节约电费37万元，约占年度牵引用电电费的
·46·
从表4可知，飞轮储能型装置日均节电量为1133kWh ~1374kWh ，再生电量占比在20%~29%之间，日均节电量为1292kWh ，日均再生电量占比为22%，日均节约电费约1034元。在日挂
网运行期间，若与该线路其他列车实际运行时间保持一致，约18h ，经测算，日节电量将达到1270kWh ~1550kWh ，日均节电量达到1450kWh 。
由此测算日节约电费1160元，约占牵引电量电费的31.5%。从挂网运行数据来看，节能效果显著。
3节能情况对比
再生制动能量吸收装置运行稳定性、节能效
果、稳压效果和使用寿命对比见表5。
表4
房山线用电和飞轮储能型装置挂网试运行期间节能情况
表5
再生制动能量吸收装置运行稳定性、节能效果、稳压效果和使用寿命对比
注：飞轮储能型装置目前暂未实现正线运行，带*结论均根据飞轮储能装置2019年在房山线广阳城站挂网测试及日间试运行数据推出。
毛刷制作
在站间距、列车运行模式、客运量、再生制动能量吸收装置功率、存储容量等条件相同情况下，基于1个站点，再生制动能量吸收装置在1MW 系统条件下，不同类型再生制动能量吸收装置节电量对比见表6。
从表5、表6可知，储能型装置运行和稳压效果较好，在节能方面有一定优势，可考虑推广
应用。
18.5%，节能效果明显。2.2.2
飞轮储能型装置
2019年在房山线广阳城站完成了1MW 飞轮储
能型装置挂网试运行，实际运行时间为每天6：00—22：00，日平均投运时间为16h 。房山线用电和飞
轮储能型装置挂网试运行期间节能情况见表4。
（下转第52页）
·52·
插接式母线槽4结语
北京地铁再生制动能量吸收装置经过电阻耗能
型、回馈型、储型能3代产品的迭代更新，在节能及稳压方面均发挥了各自作用。从年均节约电费占年度牵引用电电费来看，低压逆变回馈型装置约占4.1%，中压逆变回馈型装置约占5.2%，电容储能型装置约占18.5%，飞轮储能型装置在挂网试运行期间约占31.5%。飞轮储能型装置在挂网试运行期间具有比较显著的节能效果。为了更好地利用再生制动能量吸收装置，还应根据实际线路及车站情况，
塑料炼油进一步开展容量配置研究。综合考虑线路坡度、曲线半径、行车密度、区间长度、客运量等因素，合理配置线路再生制动能量吸收装置容量，提高节能效率和装置运行的可靠性、经济性。参考文献
［1］冯剑冰．再生制动能量利用方式的探讨［J ］．城市轨道交通
过敏性鼻炎仪系统研究，2007（5）：46-52．
［2］赵坤，王迅，杨中平，等．超级电容储能系统抑制直流牵引
网压波动的研究［J ］．北京交通大学学报：2011，35（2）：133-136．
［3］陈晓丽，杨俭．城市轨道车辆制动能量回收系统设计及分析
［J ］．电气传动，2010，40（10）：77－80．
［4］范忠胜，温志强．城轨列车再生制动能量利用的探讨［C ］//
2010城市轨道交通关键技术论坛暨第二十届地铁学术交流会论文集，2010：412－414，419．（编辑牛建利）
表6
不同类型再生制动能量吸收装置节电量对比
料与国外进口产品用材料属于同类等级的钢材。自主研发的车轮车轴在化学成分控制上，严格规定了有害气体元素含量，适当增加和调整了合金元素配比，同时提高了非金属夹杂物控制水平，自主研发车轮车轴整体性能与国外进口产品无明显差异。在产品标准方面，由于后发优势和技术积累，在制定自主研发车轮车轴产品标准过程中，充分考虑和吸收国外产品标准优点，对关键性能指标、参数严格把控，自主研发车轮车轴产品关键性能指标把控方面更加系统、全面。自主研发车轮车轴产品实测性能与进口车轮车轴产品无明显差异，部分指标实测结果比进口产品更优，如马钢生产的车轮在韧性方面控制良好，明显优于进口车轮。在装车考核服役性能方面，自主研发的车轮车轴产品也与进口车轮车轴产品的服役性能相当，无明显差异。
综上可知，自主研发车轮车轴产品在产品标准指标控制、产品实测性能、装车服役性能等方面与进口车轮车轴产品相当，属于质量水平相当的同类产品。建议在既有各型和谐号动车组和CR300AF/BF 复兴号动车组上有条件地推广使用，并有条件地互换使用自主研发车轮车轴和进口车轮车轴。4结论
对比既有动车组车轮和车轴结构，分析车轮和
车轴材料性能、结构尺寸等。既有动车组车轮和车轴产品在成分体系、材料微观组织结构等技术要求上均属于同类钢种，只是在具体性能指标上存在差异。对于搭载在我国不同动车组平台上的车轮和车
轴，无论进口钢号还是自主研发钢号，均已服役一定时间（D2车轮和DZ2车轴在2015年12月起运用至今），服役效果良好。因此，自主研发和进口车轮和车轴产品间具备有条件下互换的可行性，同车、同转向架可互换装用同钢号的车轮车轴产品。参考文献
［1］中国铁路总公司机辆部关于规范动车组管理信息系统车型相
关表述的通知：机辆动客函〔2019〕24号［Z ］．
［2］铁路应用轮对和转向架车轮产品要求：EN 13262：
2004+A1：2008+A2：2011［S ］．
［3］铁路应用轮对和转向架车轴产品要求：EN 13261：
2009+A1：2010［S ］．
［4］铁路车辆轮对和牵引装置用高疲劳高韧性锻制特殊合金钢调
质车轴质量、要求和试验：UNI 6787：1971［S ］．
［5］张弘，张关震，吴毅，等．时速350公里中国标准动车组轮
轴设计研究报告［R ］．北京：中国铁道科学研究院，2016．
（续完）
（编辑
吴磊）
（上接第46页）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议