重载铁路（2）——重载铁路再生制动能量利用方案研究与应用 ...

1. 概述

重载铁路运输具有载质量高、运能大、成本低等优点，发展重载铁路运输是支撑国家发展战略、提升铁路货物运量、推动物流降本增效的根本需要。全国现有重载铁路里程接近1万km，根据国家批复的中长期铁路网规划，按照运输市场需求，可发展重载铁路线网总规模约22700km。

我国西高东低的总体地势特征导致重载铁路线路存在较大海拔差，长大坡道较多，最大坡度达12‰。交流传动机车牵引数千吨至2万t货物在长大下坡区段行驶时，为满足限速要求，需持续使用电制动，产生大量再生制动能量。受限于牵引供电系统分段供电架构和行车组织等因素影响，再生制动能量被同一供电区间其他机车消纳的概率较低，经常反送公共电网。目前，电网公司对再生制动能量采用反送不计的计费方式，给铁路部门带来较大经济损失。而且大功率再生制动能量会抬升接触网电压，网压严重偏高时可能引发机车制动失灵，存在严重安全风险。因此，高效利用再生制动能量不仅有助于重载铁路节能节支，也是保障供电安全的重要技术措施。

针对如何提高再生制动能量利用率，国内外学者已进行较为全面的研究，提出了行车组织优化、电力供电系统转移利用、变电所内存储利用、变电所间调度利用、变电所间复合利用等多种方案。但对重载铁路再生制动能量特性研究、适用方案选择和全生命周期收益测算等关键技术问题以及示范工程应用情况鲜见文献分析和报道。

为此，对全国多条重载线路进行现场调研和测试，基于实测数据，研究重载铁路再生制动能量的特性及其适用方案，仿真分析所选方案的节能效果，进而测算其经济性，并进行工程化设计和应用。

2. 重载铁路再生制动能量特性研究

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牵引供电负荷特征

选取河南省内某运煤专线的1个变电所为例，依据现场测试数据，分析重载铁路牵引供电负荷特征。线路正常运营条件下，在该变电所牵引供电系统的高压侧计量点处，架设1台A级功率分析仪进行24h测试，每秒钟记录1次有功功率。定义记录的正值有功功率表示变电所处于牵引工况，牵引供电系统从公共电网获取电能；负值有功功率表示变电所处于再生工况，牵引供电系统向公共电网反送再生制动能量。牵引供电负荷实测数据见图1。

图1 牵引供电负荷实测数据

由图1可知，重载铁路牵引供电系统负荷功率较大，牵引功率峰值高达50MW，再生制动功率峰值接近20MW；功率峰谷交错，波动性较强。能量为功率对时间的积分，将图1中的牵引负荷功率数据进行积分测算得出：24h内牵引供电系统从公共电网获取正向电量216.08MW·h，向公共电网反送再生制动能量30.95MW·h。再生制动能量占正向电量的14.32%，利用潜力较大。

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再生制动能量特性

从持续时间和功率均值2个维度分析重载铁路再生制动能量特性。定义再生工况持续时间小于等于120s为短时、大于120s为长时，再生功率均值小于等于3000kW为小功率、大于3000kW为大功率。按此将重载铁路再生制动能量划分为4种类型：短时小功率；短时大功率；长时小功率；长时大功率。各类型再生制动能量的典型功率波形见图2，各类型再生制动能量统计分析见表1。

图2 各类型再生制动能量的典型功率波形

表1 各类型再生制动能量统计分析

由表1可知，短时小功率类型的再生制动能量出现频次高达80.18%，但能量占比仅为9.08%，平均单次能量为数千瓦时；短时大功率类型的再生制动能量出现频次和能量占比均在12%左右；长时小功率类型的再生制动能量出现频次和能量占比均不到1%；长时大功率类型的再生制动能量出现频次仅为8.83%，但能量占比高达76.57%，平均单次能量接近500kW·h。

对长时大功率类型的再生制动能量进一步分析发现：再生工况功率均值总体呈离散分布，在时长2~5min区域内波动范围较大（3.22~10.48MW），在时长6~17min区域内波动范围较小（5.81~9.09MW）；单次再生工况产生的能量与持续时间呈较强正相关关系，单次再生工况最长持续时间为966s，单次最大制动能量达2.32MW·h；能量主要集中在时长4min以上的再生工况（共计18次），产生的制动能量合计16.05MW·h，占总再生制动能量的51.86%。长时大功率类型的再生制动能量及其功率均值分布见图3。

图3 长时大功率类型的再生制动能量及其功率均值分布

通过上述分析可知，重载铁路再生制动能量具有高功率、长时间和大能量的特点。需要特别说明的是，上述结果均基于示例变电所的实测数据分析得出，具有一定代表性，但并非通用取值。

3. 再生制动能量利用方案比选

结合重载铁路再生制动能量的特性、电力供电系统的负荷情况和线路条件，分析行车组织优化方案、电力供电系统转移利用方案、变电所内存储利用方案、变电所间调度利用方案、变电所间复合利用方案等方案的可行性和有效性。

（1）行车组织优化方案：无需新增设备，通过列车运行调度，动态控制同一供电区间内各台机车的运行状态和运行速度，精确匹配再生工况机车产生的电能与牵引工况机车的用电需求，以实现再生制动能量直接利用。但该方案必须考虑日计划发运量、不同类型机车牵引和制动特性、机车运行区间、列车编组方式、列车载质量、天气等复杂影响因素的约束，需对全线列车统一实时调控，重载铁路应用技术难度较大。

（2）电力供电系统转移利用方案：将牵引供电系统的再生制动能量引入10kV或其他电压等级的电力配电网，为铁路沿线及车站的照明、信号和动力负荷提供电能，接入便捷，成本较低，但需电力负荷具备较强的消纳能力。重载铁路线路较为偏僻，车站等处的电力供电负荷极低，功率需求多为0.05~1.00MW，不能实现再生制动能量的高效利用。

（3）变电所内存储利用方案：将再生制动能量存入锂电池、超级电容或飞轮等储能介质，待出现牵引用电需求时再释放利用。存储利用极大程度增强了再生制动能量利用的灵活性，同时可扩展负序治理、谐波抑制、网压控制、应急供电等辅助功能，具有较好的应用前景，但需综合评估方案的经济性。重载铁路再生制动能量主要为长时大功率类型，可利用的再生制动能量受储能介质的额定容量、额定功率和循环寿命以及变流单元的额定功率等条件限制，节能收益不佳，且大容量储能介质需配套设置大型消防设施，设备安全管控风险较高。因此，单纯存储利用方案不适用于重载铁路。

（4）变电所间调度利用方案：在不改变既有牵引供电结构前提下，增设再生制动能量利用装置，跨接分区所电分相两端，将相邻2个变电所（分别命名为变电所A和变电所B）按需虚拟贯通。当相邻变电所分别处于再生工况和牵引工况时，装置将再生工况变电所可被利用的制动能量按需实时转移至牵引工况变电所，直接消纳利用，减少两侧变电所牵引用电量。受自然地势影响，重载铁路存在众多包含长大上坡和下坡的V形或反V形区段，导致变电所A和变电所B经常在同一时刻分别从电网获取电能和向电网反送电能，适宜调度利用。该方案约束条件较少，并可借助既有牵引供电系统强大的能量传输和消纳能力，实现高效利用，优势显著。

（5）变电所间复合利用方案：按照调度利用为主、存储利用为辅的策略，将能量转移和储能技术有机融合，在变电所间调度利用方案基础上，增设储能单元，进一步提高重载铁路再生制动能量利用率。与变电所间调度利用方案相比，再生制动能量利用装置的运行模式更加丰富。当储能介质的荷电状态（StateofCharge，SOC）处于上限SOCmax和下限SOCmin范围内时，储能单元按需参与能量交换。如果相邻变电所均处于再生工况，装置吸收再生制动能量；如果相邻变电所均处于牵引工况，装置释放已存储的再生制动能量；如果再生工况变电所功率大于牵引工况变电所功率，装置转移并同步吸收再生制动能量；如果再生工况变电所功率小于牵引工况变电所功率，装置转移并同步释放已存储的再生制动能量。

因此，从技术应用难度、再生制动能量利用率、投资和收益、安全风险管控等方面综合对比可知，重载铁路适合选择变电所间调度利用方案或变电所间复合利用方案，工程应用时需根据现场可用场地和经济性评估结果进行具体选择。2种方案对应的再生制动能量利用装置设计差异较小，都包含交-直-交变流单元（简称变流单元），将储能单元作为选配，可进行简统化设计，其主接线拓扑结构见图4。

图4 再生制动能量利用装置主接线拓扑结构

4. 仿真验证

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仿真条件

按照图4所示系统拓扑，采用Matlab/Simulink软件搭建模型，并基于上述某牵引变电所及其相邻变电所24h实测有功功率数据进行仿真分析。该变电所与相邻变电所的海拔落差达302m，2个变电所的供电区间长度存在差异，但均包含多处长大坡道，区间最大坡度达12‰，“里程-海拔”曲线总体呈“N”形。

仿真模型中的变电所配置及其参数均按照2个变电所的实际情况进行设置。为便于对比仿真结果，仿真计算时暂不考虑功率损耗。变流单元和储能单元的各项参数根据上述重载铁路再生制动能量及其功率均值分布情况选取。储能介质选用寿命长、安全性好、大倍率充放电能力强的钛酸锂电池。牵引供电系统和再生制动能量利用装置主要仿真参数见表2。

表2 牵引供电系统和再生制动能量利用装置主要仿真参数

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仿真结果

为了更直观展示变电所间调度利用方案和变电所间复合利用方案的再生制动能量利用效果，首先进行定性分析，对比利用前和利用后变电所A和变电所B的日有功功率趋势变化；再进行定量评估，将利用前和利用后的日有功功率数据进行积分，测算变电所A和变电所B的正向电量和再生制动能量减少情况。

5. 经济性分析

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节支收益测算

由于末端网压提升、负序治理及应急供电等间接性经济收益难以定量评估，因此仅考虑电费支出减少的直接经济收益。基于仿真结果，计算2个变电所合计再生制动能量利用收益A为：

式中：Ed为日节电量，调度利用方案取值25.11MW·h，复合利用方案取值36.02MW·h；C为电费单价，参考河南省电网大工业用电标准，取值0.60元/（kW·h）；D为运行天数，每年停电5d用于设备检修，取值360d；Ps为包含辅助用电的运行损耗率，调度利用方案取值8%，在此基础上，参考电池储能电站的实际运行效率，并结合仿真结果中调度利用电量与存储利用电量的比例进行测算，复合利用方案取值12%。则调度利用方案的节支收益为498.99万元/年，复合利用方案的节支收益为684.67万元/年。

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全生命周期投资收益测算

由于再生制动能量利用装置为间歇工作制，平均负荷率极低，因此20年内各项物料成本一次性支出，后期仅有定期维护费用。调度利用方案成本分析见表4。

表4 调度利用方案成本分析

包含各项物料成本、运输安装成本和维护成本在内，总成本合计540万元。不计复利等其他因素影响，20年累计获取总节支收益9979.80万元，扣除540万元的总成本，全生命周期毛利达9439.80万元。

6. 工程应用

基于前期场地勘察、测试分析和仿真验证工作，综合考虑运输条件和可用场地等因素，选取山西省内某运煤专线的1个分区所进行工程化设计和典型示范应用。该线路为国家Ⅰ级双线铁路，机车类型主要为HXD1和HXD2型，通过无线重联牵引1万t、1.5万t和2万t等不同质量。

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按照“调度为主、存储为辅、综合利用”的设计原则，示范工程采用变电所间复合利用方案配置。将储能单元退出即可转换为变电所间调度利用方案。对于存储单元部分，工程应用以功能验证、安全性和稳定性考核为主要目的，因此初期容量配置较小，设计预留接口和空间，满足后续增容需求。再生制动能量利用装置主电路见图7。

图7 再生制动能量利用装置主电路

变流单元和储能单元均采用户外安装方式，通过架空导线将变电所A和变电所B的下行馈线27.5kV高压电源接入，工程应用现场见图8。

图8 工程应用现场

变流单元额定容量为2×6MV·A，向两侧变电所转移有功功率的能力均为6MW。隔离开关、断路器和电流互感器等均为铁路通用设备，匹配变压器和变流机组采用特殊设计。匹配变压器采用低压四分裂高阻抗变压器，无需在变流机组端口处额外设置串联滤波电感，减小占地面积，降低物料成本。变流机组采用标准化和模块化设计理念，由4重独立的单相交直-交变流器组成。每重变流器设计容量均相等，交流侧为2×1.5MV·A，直流侧为1.5MW。各重变流器独立控制，不仅便于多重化扩展、减小谐波含量，而且提高了装置可用性。当单重变流器出现故障时，分区隔离，不影响其他变流器正常工作。此时，装置可以降额运行或借助其他变流器的短时过载能力满额运行。

储能单元选用钛酸锂电池作为储能介质，额定容量为100kW·h，额定功率为500kW。由于容量较小，通过1台500kW的DC/DC变流器将电池单独接入第1重变流器的直流侧。电池由2支路并联构成，SOCmin和SOCmax分别设定为20%和80%。

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应用效果

2022年1月再生制动能量利用装置正式投运。投运前后2个变电所的典型日功率趋势对比见图9。可见，装置投运后，2个变电所的再生制动能量均有一定程度减少。

调查分析发现，投运前后2个变电所的日正向电量均存在较大波动性。重载铁路牵引负荷及再生制动能量受到行车调度、列车运行图、列车载质量与编组方式、司机操纵习惯和天气等复杂因素影响，难以按照GB/T28750—2012《节能量测量和验证技术通则》测量全部影响因素，并建立“基期能耗-影响因素”模型，定量计算再生制动能量利用装置的节电量。为此，提出并采用了直接计量方法（见图10），其中QS1、QS2为隔离开关，QF1、QF2为断路器，CT1、CT2为电流互感器，PT1、PT2为电压互感器，T1、T2为匹配变压器。

图10 直接计量方法

7. 结论

结合线路条件和实测数据，探讨重载铁路再生制动能量的特点，研究各种利用方案的适用性，仿真分析所选方案的节能效果和经济性，并阐述示范工程设计及其应用情况，主要得出以下结论：

（1）重载线路长大坡道较多，列车载质量大，产生的再生制动能量具有长时间、高功率、大能量的特点。按照电量占比排序，长时大功率类型的再生制动能量最多。

（2）重载线路适合采用变电所间调度利用方案或变电所间复合利用方案；与变电所间调度利用方案相比，变电所间复合利用方案节能效果更优，但初始投资成本较高、占地较大；工程应用时，需综合考虑投资收益和可用场地情况，选择具体方案。

（3）示范工程应用效果与设计预期相符，研制的再生制动能量利用装置与既有牵引供电系统匹配良好，运行稳定、可靠。

根据现场调研、测试及仿真验证，相关研究成果可进一步推广至浩吉铁路、大秦铁路、瓦日铁路、唐呼铁路等线路，应用前景广阔。研究适用于重载铁路的再生制动能量高效利用方案并工程应用，有助于铁路节能节支技术进步和总体能效水平提升，对于我国重载铁路绿色低碳、高质量发展具有重要意义。

节选自《中国铁路》2022年第11期

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相关信息

作      者：

吕顺凯    株洲中车时代电气股份有限公司

引用文本：吕顺凯.重载铁路再生制动能量利用方案研究与应用[J].中国铁路,2022(11):45-54.

— 往期回顾 —

重载铁路（1）——重载铁路轨枕伤损现状及快速整治技术研究

2023.08.31

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