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　　摘要：本文對城市軌道交通線路中逆變再生制動裝置在不同工況下的綜合效益進(jìn)行分析，得出客流量、列車制動初速度以及線路的地下區(qū)間占比為影響影響效益的主要因素，并通過實際工況，對既有項目是否引入逆變再生系統(tǒng)給出具體建議。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通、逆變再生裝置、綜合效益

　　0引言

　　近些年來，城市軌道交通迅猛發(fā)展，城市軌道交通的運量、密度積極速度，都在不斷地提升。在享受城市軌道交通帶來的便利的同時，也有些亟待解決的問題。地鐵列車短距離地、頻繁地開啟與制動，產(chǎn)生了極大地能量浪費,同時由于大量的制動能量被電阻轉(zhuǎn)換成熱量排放到隧道或車站中，變相提高了環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計要求，增加了環(huán)控系統(tǒng)后期運行成本[1]。

　　相關(guān)期刊推薦：《現(xiàn)代城市軌道交通》(雙月刊)創(chuàng)刊于2004年，由鐵道部主管、鐵道部科學(xué)技術(shù)信息研究所和鐵科院(北京)工程咨詢有限公司主辦。將以新傳媒模式運作，密切關(guān)注城市軌道交通事業(yè)的焦點、熱點;全方位介紹國內(nèi)外地鐵、輕軌等快捷交通的建設(shè)和運營經(jīng)驗;及時報道相關(guān)技術(shù)及其裝備和高新技術(shù)成果;不斷擴(kuò)大國際合作，多元化促進(jìn)學(xué)術(shù)研討與技術(shù)交流。

　　列車制動再生裝置的引入，為解決電能的浪費以及節(jié)能環(huán)保帶來了解決方案。但再生裝置前期高昂的設(shè)備費用投入，讓很多城市在修建地鐵過程中對于是否引入有所顧慮。本文基于實際的城市軌道交通新建線路，通過理論計算數(shù)據(jù)，分析逆變再生裝置的節(jié)能的影響因素，從而對新建線路是否安裝再生制動系統(tǒng)以及再生系統(tǒng)對的經(jīng)濟(jì)效益給出具有指導(dǎo)意義的建議。

　　1、地鐵制動方案

　　目前，城市軌道交通常用的制動能量消耗吸收裝置主要有電阻耗能型和逆變回饋型。

　　(1)地面電阻耗能型是較為成熟制動方案，利用車載大功率電阻將再生制動產(chǎn)生的能量以電阻發(fā)熱的形式消耗掉[2]，如圖1-1所示。

　　(2)逆變型再生回饋裝置：列車發(fā)生制動時，通過逆變器和變壓器將制動能量饋入35kV交流電網(wǎng)，從而達(dá)到了列車制動能量再次利用的目的[3]。當(dāng)牽引網(wǎng)上的電壓高于設(shè)定參考值時，逆變回饋裝置投入運行，將制動產(chǎn)生的能量饋入交流電網(wǎng)[2]。

　　兩種方案的產(chǎn)品的具體的性能及投資情況如下表所示：

　　除此之外，在用的制動方案還有電容儲能型、飛輪儲能型等，本文著重對分析電阻消耗型與逆變回饋型兩種。

　　2、再生制動系統(tǒng)綜合效能分析

　　2.1工程概況

　　某城市軌道交通線路線全長32.4公里，高架段約18.1km，地下段約12.6km，過渡段1.7km。全線車站12座，1段1場，其中地下站7座，高架站5座。共設(shè)14座混合所，2座降壓所以及2座跟隨所。除去段場以及區(qū)間牽引所部分，具備設(shè)置再生裝置條件的牽引所共11座。采購車輛為A型車，初近遠(yuǎn)期均采用4 動2 拖6 輛編組。

　　根據(jù)再生裝置在國內(nèi)的發(fā)展與運用情況，其中電阻耗能型，前期投資少，但是后期運營成本相對較高;而逆變回饋型，前期投資成本較高，但是后期會產(chǎn)生較為可觀的節(jié)能效果。結(jié)合既有經(jīng)驗并根據(jù)工況，需評估設(shè)置再生裝置能帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

　　2.2 前期土建及系統(tǒng)設(shè)備投資

　　(1)土建及系統(tǒng)設(shè)備增加費用

　　根據(jù)既有工況，具備設(shè)置再生裝置的牽引所共11座。若設(shè)置再生裝置，每座牽引所需要單獨的設(shè)備放置室，故需每個牽引所需增加土建面積50平方米。當(dāng)增加1套再生制動裝置時，需要在額外增加配套的35kV開關(guān)柜1面，1500V直流開關(guān)柜1面，具體如下表2-3所示：

　　(2)系統(tǒng)設(shè)備節(jié)約費用

　　采用常規(guī)的電阻消耗，每列車中需安裝4套車載制動電阻，每套費用為13萬元;若采用再生裝置，則可將4套車載制動電阻替換為4套單價為8萬元的過壓吸收裝置，每列車節(jié)省20萬元，具體如下表2-4所示。

　　2.3.1制動節(jié)能

　　(1)列車總荷載計算

　　A、車輛編組形式與車重：車輛分為Tc車、Mp車和M車，Tc車為帶司機(jī)室的拖車，Mp車為裝有受電弓的動車，M車為動車。Tc車、Mp車和M車組成一個基本單元，每列車有二個基本單元組成，為實現(xiàn)雙向運行，列車的編組方式如下為：-Tc+Mp+M=M+Mp+Tc-。

　　B、車輛軸重：列車按照載客量分為空載、坐席、定員和超員四種工況，不同工況下列車的總荷載如下表2-5所示。

　　2.3.2通風(fēng)節(jié)能

　　采用用一般的電阻耗能，電阻耗能所散發(fā)的熱量需要對應(yīng)的冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行對應(yīng)進(jìn)行及時的降溫散熱，以保證設(shè)備的正常運行。當(dāng)采用再生裝置之后，散熱問題得以解決，對應(yīng)的風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的費用即為后期運營過程中節(jié)能費用的一部分。

　　結(jié)合本線路的具體情況，列車運行時間16h/日，整條線路有56.8%的路段為地下隧道，需要進(jìn)行散熱。

　　2.3.3運營維護(hù)費用

　　逆變再生裝置系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計使用年限一般為20年，在此期間，設(shè)備運營每年所需的維護(hù)費用按照設(shè)備費用的也會不斷增加，按照設(shè)備總費用的百分比計取。

　　2.4綜合效益分析

　　綜合以上分析，選取其中一種最常見的工況進(jìn)行定量的計算。設(shè)列車制動初速度為70kM/h，列車一日內(nèi)平均荷載按照定員的荷載Aw2考慮，列車每3分鐘制動一次，則該線路20年內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益情況如下：

　　(1)前期土建投資：770萬元

　　(2)前期系統(tǒng)設(shè)備投資：3560萬元

　　(3)單列車制動一年節(jié)省的費用如下表2-13所示。

　　(4)單列車空調(diào)系統(tǒng)一年節(jié)省費用

　　(5)單列車車載過壓吸頂裝置相對車載制動電阻，節(jié)約費用為20萬元。

　　(6)系統(tǒng)維護(hù)費用前期每年為178萬元，中期每年為356萬元，后期每年為534萬元。

　　根據(jù)以上情況，分別計算不同制動速度下，再生裝置在20年設(shè)計使用年限內(nèi)所產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益如下圖所示

　　由圖2-3可知，逆變再生裝置前期投資費用4320萬元，通過后期運營，投資逐漸得以收回。

　　(1)當(dāng)列車平均制動初速度為80km/h時，該線路7年的時間就可以收回前期的投資，并在后期穩(wěn)定地產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備在20年的設(shè)計使用時間里，總共可以節(jié)約費用6713萬元。

　　(2)當(dāng)列車平均制動初速度為70km/h和60km/h時，收回前期成本則分別需要9年和12年的時間，設(shè)備在20年的設(shè)計使用時間里，總共可以節(jié)約費用分別為3698和1087萬元。

　　(3)當(dāng)列車平均制動初速度為50km/h時，設(shè)備在使用前期，能逐漸有效地回收成本，但隨著后期設(shè)備維護(hù)費用的逐漸增加，設(shè)備在20年的時間并未能實現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)效益的正值。

　　綜上可知，是列車不同的制動速度，產(chǎn)生的綜合經(jīng)濟(jì)效益差異較大，該線路若要最大限度的利用再生設(shè)備系統(tǒng)，則需要盡量提高運營速度。當(dāng)日常進(jìn)站的制動速度小于50km/時，將無法在設(shè)備使用生命周期內(nèi)實現(xiàn)綜合經(jīng)濟(jì)效益的正值。

　　3、結(jié)論與建議

　　(1)列車荷載越大，再生制動系統(tǒng)的能量制動時產(chǎn)生的能量就越多，列車超員工況下產(chǎn)生的制動能量約為空載時的1.7倍。由此可知，線路客流量越大，對于再生系統(tǒng)制動節(jié)能產(chǎn)生的效果越好。

　　(2)制動時速度越大，對應(yīng)產(chǎn)生的制動能量越多。因此該線路中列車的運營速度以及進(jìn)入車站的制動速度越大，節(jié)約的費用越多。

　　(3)對于同一條線路，地下區(qū)間占比越大，相比于車載電阻式裝置，引入在再生裝置對應(yīng)節(jié)省的費用越多。所以，對于全地下線或者地下區(qū)間占比較大的線路，引入再生裝置節(jié)約的費用越多。

　　(4)按照列車平均為定員荷載的情況下，一般制動速度為70～80km時，需要7～9年才能收回成本，在設(shè)備使用的20年，共可以節(jié)省運營費用3600到6400萬元之間。