城轨交通地面超级电容储能系统容量配置_刘陆洲.pdf

第期 年月 研究开发文章编号：（）城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲，张国红，刘伟，杨阳，王俊兴（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 ）摘要：随着我国经济发展和城市化进程日新月异，城市轨道交通的开通运营里程也日益增长，城市轨道交通用电总量也越来越可观，列车牵引能耗是城市轨道交通用电比重最高的环节。使用能量回收装置或者使用双向变流装置替代现有的整流机组来回收列车再生制动能量，来降低城轨交通牵引能耗，已成为新建城市轨道交通线路的标准配置。当前主流应用的能量回收装置主要有储能型和中压能馈型两类，储能型能量回收装置又分为飞轮储能、电池储能和超级电容储能三种。本文对应用于城轨交通的超级电容型再生制动能量回收装置的容量配置进行了初步探讨，介绍了供电系统、列车、地面超级电容储能系统的分析建模及牵引供电计算仿真方法，研究了车辆条件、运营条件、线路因素以及邻站吸收装置等因素与设备容量配置的关系，并对无锡地铁号线的实际应用数据进行了验证。关键词：城市轨道交通；列车再生制动能量回收；容量配置；供电系统；地面超级电容储能系统；邻站吸收；无锡地铁号线中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；收稿日期：第一作者：刘陆洲（），男，高级工程师。随着我国经济的发展，城市化进程日新月异，城市轨道交通的开通里程也迅速增长。城市轨道交通具有快速、准时、运量大等特点，可大大缓解大中型城市交通运输压力，是现代化城市不可或缺的一部分。随着城市轨道交通开通营运里程的增加，其能耗占城市用电比例也逐年提高，有关轨道交通节能方面的研究也越来越受到关注。城市轨道交通用电主要由牵引用电和动力用电两部分组成，根据不同线路所占比例不同。线路运营初期动力用电所占比例较高，随着客流量及发车密度的调整，牵引用电比例将有相应提升。总体来讲轨城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲，张国红，刘 伟，杨 阳，王俊兴道交通牵引能耗与动力照明能耗各占总能耗的 左右。因此降低牵引能耗便成为了地铁节能的重要方法。列车再生制动时，牵引电机产生制动转矩处于发电状态，能够将列车制动时的动能转化为电能注入到地铁供电系统的直流供电网中。研究表明该部分能量占列车牵引阶段消耗能量的 ，如果能将再生制动能量进行充分利用，轨道交通牵引能耗将能得到有效降低。使用能量回收装置或者使用双向变流装置替代现有整流机组回收列车再生制动能量，降低城轨交通牵引能耗，已成为新建城市轨道交通线路的标准配置。当前主流应用的能量回收装置主要有储能型和中压能馈型两类。能馈型能量回收装置由于成本低廉目前应用较多，但是中压能馈型能量回收装置和双向变流整流机组的应用仍存在一定的局限性，该方式不适用于分散式供电的市内线路和站间距较长的市域线路，此类线路中易产生返送电问题。储能型能量回收装置又分为飞轮储能、电池储能和超级电容储能三种。储能型能量回收装置的能量存储介质成本高昂，是制约装置配置存储容量的主要因素。城市轨道交通地铁线路选用储能型能量回收装置时，应合理的设计及配置储能型能量回收装置的容量及可用储电量，以降低初期投入成本，有效地缩短投资回收期。以超级电容为储能介质的地面超级电容储能系统，在国内外城市轨道交通中已有多年的应用经验，但由于成本因素未能大规模推广。因此兼顾设备成本和节能效果而综合选取设备安装数量和设备容量就成为了地面超级电容储能系统的重要研究方向。地面超级电容储能系统容量配置及选址布置与线路条件、车辆条件、运营条件都存在较大的关系。超级电容储能系统的容量配置应系统地考虑线路条件、牵引系统中车载制动电阻或过压抑制电阻及其电空转换方式、本站或邻站再生能量回收装置、邻车牵引耗能、线路损耗、载客量等因素，以及特殊运营工况下这些因素所发挥的不同作用，并将这些因素和路径都应用起来，最终达到容量配置最佳。本文将着重基于车辆参数、车辆运行、牵引供电计算等方面分析系统能耗，探讨设备容量配置与节能效果的关系。牵引供电系统能耗计算分析模型为了从系统角度分析地面超级电容储能系统装置容量配置问题，需要对城市轨道交通系统牵引供电相关部分进行整体建模分析。通常情况下，牵引供电系统结构如图所示，系统由整流机组、直流供电网、地面超级电容储能系统及上下行列车几部分组成，由于储能型能量回收装置在直流环节完成再生制动能量的回收利用，与交流侧电网没有关联，因此本系统中对牵引变压器及其上一级的中压交流环网不作考虑。图城轨交通牵引供电系统结构示意图整流机组模型直流牵引变电所内的整流机组是地铁系统能量的来源。整流机组的外特性是指直流输出端电压随其负荷电流或短路电流变化的关系曲线，是呈非线性的。地铁线路中一般在牵引降压所中配置牵引变压器及整流机组，经 脉波整流后输出直流电至直流电网，供列车牵引用电。其外特性曲线进行线性化处理后作为计算模型，如图所示。图 脉波整流外特性曲线牵引网模型牵引网是城市轨道交通牵引供电系统中的重要组成部分，是为城轨列车提供电能的回路，由馈电线、接触网（轨）、轨道、回流线构成。图为牵引网模型，馈电线是连接整流机组和接触网之间的导线，电能由整流机组发出，经过馈电线到达接触网（轨），通过接触网（轨）送达列车牵引传动系统，并通过走行轨和回流线缆回流至变电所负极。在正常双边供电下，列车从全线变电所取流，故在供电计算时，全线的牵引变电所都要考虑进去。列车模型在实际运行过程中，列车根据载重和牵引制动级位从牵引网吸收能量或向牵引网释放能量，建模时考第 卷第期 年月虑列车为功率源。由于牵引网电压的变化，列车等效电流随接触网压变化而变化，电流源模型带来的负阻抗特性，加剧了仿真计算的计算复杂性，增加了计算收敛难度。因此，本文中采用分段电流源模型，简化功率源模型分析的复杂性，当列车处于牵引工况时认为牵引网电压处于某恒定典型电压，列车处于制动工况时，列车处于某制动典型电压。以此假设为基础，将功率源简化为电流源。图牵引网模型根据线路条件、牵引制动特性及运行时分析，可以得到计算模型的输入条件，通过表所示数据可以得到列车的电功率时间曲线以及位置时间曲线，计算流程如下。表列车数据参数符号参数名称单位车重速度 坡度，基本阻力公式参数 位置 根据列车牵引制动级位计算牵引加速度 ，并根据式（）计算出列车的合力 ：（）其中为列车重量。按照式（）计算阻力，列车阻力可以简化为列车基本阻力和坡道阻力，由于曲线阻力占总体阻力比重较少，因此为了简化计算将其忽略。（）（）其中是重力加速度，约为 。根据列车的运行状态计算牵引力或制动力，当列车处于牵引状态时，牵引力为：（）则列车牵引时的电功率为：（）（）当列车处于制动状态时，制动力为：（）则电功率为：（）（）通过以上计算，即得到了列车的电功率时间序列。最终得到牵引和制动时列车等效电流源模型：牵引工况等效模型见公式（），制动工况等效模型见公式（）。（）（）列车为了防止牵引逆变器过压，在其控制中加入了再生制动的限流曲线，对高电压情况下的再生电流进行限制。图为再生制动限流曲线，为限流区初始电压，是再生电流限值，为电压限值。图再生制动限流曲线地面超级电容储能系统等效模型地面超级电容储能系统由控制及双向 变流环节和超级电容环节构成，基本构成如图所示。超级电容环节包含超级电容器及其管理系统，用于储存双向 变流器回收的再生制动能量；控制及双向 变流环节通过智能算法动态识别空载网压，将接触网中列车无法利用并导致接触网电压抬升的那部分再生制动能量吸收并存储在超级电容环节中，在列车牵引并导致接触网电压低于空载电压时，将存储在超级电容环节的能量释放至直流接触网。储能图超级电容储能系统构成城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲，张国红，刘 伟，杨 阳，王俊兴系统释放能量的工况下，列车的牵引功率由整流机组和储能系统共同提供，关系如式（）所示。（）储能系统吸收能量的工况下，列车的制动功率优先由本车的辅助和线路中其他列车牵引消耗，超过线路列车消耗能力的由储能系统吸收，此时功率关系如式（）所示。（）储能装置中存储介质超级电容器的储电状态，也影响超级电容储能系统的可输出功率，当超级电容器快满电时，储能装置的放电电流不受影响，但充电电流则受到限制。当超级电容器快放空时，储能装置的充电电流不受影响，但放电电流则受到限制。图为储能装置充放电电流限制曲线，为超级电容充放电电流限值，为超级电容工作电压上限、为超级电容工作电压下限。（）图为储能装置可充电电流限值于超级电容电压的关系曲线，（）图为储能装置的可放电电流限值与超级电容电压的关系曲线。图储能装置充放电电流限制曲线图根据超级电容储能装置的工作原理和控制策略对其外特性进行总结，数学描述如式（）所示。当储能装置功率足够满足牵引网功率平衡时，变电所输出电压将被钳位在电压指令值；相反，则变电所电压不能被钳位，此时储能装置处于最大电流充放电状态。，（）（）（）地面超级电容储能系统容量配置影响因素容量配置边界条件为了能够对储能型城轨交通再生制动能量回收装置的功率容量指标进行综合设计，首先需要明确容量位置配置的边界条件，考虑线路条件、邻车吸收、本车辅助装置吸收、邻站再生装置吸收以及线路损耗等限定界限，在相应的界限内对储能装置进行配置，以达到满足预期的节能稳压效果。要达到有效回收再生制动能量，替代车载或地面制动电阻的目的，电容型再生能量回收装置不仅需要考虑选址，还需要对装置的容量及功率进行配置，以满足再生能量回收需求。目前城轨交通供电系统多采用双边供电的方式，如果要为能够吸收两列车同时进站所产生的再生制动能量而设计单台超级电容储能装置，会发现配置的功率及能量参数十分巨大，远远超过实际线路上再生能量回收的需求。由于实际线路中牵引供电网络相互连通，再生制动能量反馈至直流牵引网后可以被相邻站甚至更远供电区间的牵引列车以及地面吸收装置吸收，需要被本站再生能量回收装置回收的再生能量远小于双车进站模型得出的功率能量。对再生制动时线路上的功率能量流动进行分析，可以分为以下几个方向：再生列车再生制动产生的制动功率，列车辅助供电系统产生的辅助功率 ，邻车牵引时消耗的功率，邻站再生装置时消耗的功率，电能在供电线路上的能量损耗 。地面超级电容储能系统的配置应满足式（）要求。（）由于式（）中邻车牵引功率 与邻车牵引消耗的能量 在实际线路中为不确定因素，想要完全满足需求需要投入大量的成本。因此，通过仿真计算选取合理的功率容量配置方案，使能量回收装置满足大多数情况下的能量回收需求，则可以较好的平衡成本和收益，提高设备的整体应用效果。车辆运行参数影响城轨车辆在线路上运行过程中，线路参数、牵引制动操作等多个方面因素都会对车辆产生的功率产生影响，从而对整条线路剩余再生制动能量产生影响，最终影响到设备功率及容量的选定。城轨列车采用电控联合制动的方式，制动过程中分为四个区域：低速区、恒转矩区、恒功区和自然特性区。自然特性区产生的再生能量：（）（）恒功区产生的再生能量：（）（）恒转矩区产生的再生能量：（）（）式（）式（）中为恒转矩区间平均减速度（），为恒功区间平均减速度（）；为自然第 卷第期 年月特性区间平均减速度（）；、分别为常数。列车再生制动能量可以约等于以上种能量之和。首先，线路条件很大程度上影响着牵引和制动所消耗和产生的能量，不同线路条件下，车辆制动产生的制动能量也会发生较大差别。坡道方向和位置变化通过影响坡道阻力，使得在相同减速度（合力）的情况下，列车输出牵引制动力发生变化，坡度较大或坡长较长的坡道对列车运行功率曲线影响较大。其次，司机操作也对再生能量的利用有较大影响。通常情况下，列车从线路上一站到达下一站需要经过牵引、惰行、制动三个阶段，当站间距较长时则需牵引、匀速、惰行、制动这四个阶段。在相同的运行时间要求下，司机操作方法有很多种，图为相同运行条件下，不同制动加速度列车运行时间与功率的曲线，从图中可以看出当减速度从 减小至 时，其制动的峰值功率从下降至 。从储能装置容量配置的角度考虑，列车若普遍采用较低制动级位，其产生的制动功率峰值功率较小、持续时间较长，制动峰值功率减小更有利于储能型再生能量装置回收利用，同时传输电流的减小提高了直流电网环节的能量传输效率。在保证可用电量的情况下，储能装置通过降低配置储能介质超级电容器的峰值功率，可大大降低储能装置的成本，提升此类装置的经济性。图相同运行条件下不同运行策略列车曲线比较运营行车间隔影响分析及验证为了分析行车间隔对超级电容容量配置的影响，首先分析无锡地铁号线不同行车间隔条件下线路平均剩余再生能量和平均峰值功率变化，趋势如图所示。随着发车间隔的增大，每站平均每次制动再生能量和功率呈先上升后平稳的趋势。当列车行车间隔较低时，线路上车辆数目较多、再生制动能量交互频繁，列车产生的再生制动能量大多数被邻近牵引列车吸收。随着车辆行车密度的减少，剩余再生制动能量增加，需要配置更大容量、更大功率的超级电容对其进行回收。综合来看，行车间隔是影响超级电容容量配置的重要因素，随着行车间隔的增大，超级电容配置容量总体上呈现先上升后平稳的趋势，因此在容量配置时，应按照满足最低行车间隔条件进行容量配置，以满足保障全天再生制动能量回收的要求。此外，本文所述计算结果为全线平均意义下的结果，由于线路条件及运行图的差异，对于个别特殊站点的配置还需根据具体线路条件进行单独优化。图行车间隔与剩余再生制动能量关系根据在无锡地铁号线天一地铁站的 功率超级电容型装置的统计数据显示，在 年月日统计的不同发车间隔下设备每小时节电量，折算成不同发车间隔下设备日节电量后，发现变化规律与图仿真分析结果接近，证明了行车间隔分析结论的准确性。年月份无锡地铁号线运行图设置高峰及平峰两个峰期。月日周末高峰时段为：，其他时段为平峰期。：后上下行各收列车。高峰上线 列，列车行车间隔为 ，列车行车间隔为 ，列车行车间隔为 。根据运营图统计，当日天一地铁站不同时间段内进出站列车数量及其等效发车间隔如表所述。表天一站月日全天进出站列车统计表时间区间堰桥方向进站列数长广溪方向进站列数等效发车间隔：城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲，张国红，刘 伟，杨 阳，王俊兴 年月日，天一站超级电容储能装置每小时节电量如图所示，当日无锡地铁线路全天运营，按对应小时节电量的 倍可计算出对应发车间隔运营全天的日节电量。不同时段内的等效发车间隔以及等效日节电量如表所示。无锡天一站的节电数据可部分验证随着发车间隔的变化，当发车间隔由 逐步增大到 、时，储能型装置的节电量有随着行车间隔的增大呈现先上升后平稳的趋势。图超级电容储能装置每小时节电量表不同发车间隔对应日节电量发车间隔时间段等效日节电量 ：同时也可以看到，在同等发车间隔下，不同运营时段内的装置每小时节电量也有较大偏差。：的等效发车间隔与：基本一致，但是等效日节电量为 ，日节 电 量相差 。经分 析 ：时 段 内 载 客 量 高 于：时段，因此容量配置分析运营因素时，应同时考虑发车间隔与载客量，且考虑工程实际，还应考虑设备投资增加与节能效益之间的投资回收期分析，作为决策和影响因素。结语近年来，再生制动能量回收越来越受到关注，新型再生能量回收装置的大量涌现，为城市轨道交通再生能量回收带来了更多选择。本文针对应用于城轨交通的超级电容再生能量回收装置的容量配置进行了初步探讨，介绍了供电系统、列车、超级电容储能系统的分析建模及牵引供电计算仿真方法，分析了车辆参数、运营条件等因素与设备容量配置的关系。并对无锡地铁号线天一站超级电容储能系统的节能数据进行了验证。超级电容再生能量回收装置的配置应用，不仅需要新技术新设备的研制，还需要结合具体线路条件、运营发车间隔、载客量、季节因素等进行适当优化调整容量配置，如有条件，进一步研究并优化车辆的牵引控制策略、优化运营发车间隔使其与再生能量回收装置的性能匹配优化，并结合更多的地铁线路应用案例进行数据分析验证并改进，以便达到更好的再生制动能量回收利用效果。参考文献：夏欢 城轨超级电容储能系统分层控制与容量配置优化研究北京：北京交通大学，王彬城轨交通地面式超级电容储能系统容量配置优化方法研究 北京：北京交通大学，刘伟 基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究 成都：西南交通大学，刘仲，顾保南，孙世超，等 年中国城市轨道交通运营线路统计和分析 中国城市轨道交通“年报快递”之二 城市轨道交通研究，（）：，（）：，鲁玉桐，赵小皓，赵叶辉再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用 都市快轨交通，（）：，（）：，陈穗九 地铁列车制动电阻设置的探讨 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