新型城市軌道交通供電系統節能組合方案

摘 要：本文介紹了使用再生制動并結合能量儲存裝置節約電能提高地鐵供電系統供電品質的組合方案。這種能量儲存裝置可以安裝在變電站內，線路側，也可以安裝在地鐵列車上。隨著超級電容器技術與設備的發展及應用，這種組合節能方案將有很大的應用可行性。

關鍵詞：地鐵列車；供電系統；再生制動；電阻制動

地鐵列車，對于地鐵供電系統來說是一種移動變化的負載。這些移動變化的負載對地鐵供電系統的電壓調節性能有很高的要求。雖然設計的地鐵列車能夠在一定的電壓范圍內運行，然而由于電機的性能受供電電壓范圍及等級的影響，因此當電壓等級低于或超過設計的供電電壓范圍時，將會影響列車的動力性能，進而影響列車的運行速度。不斷增加的能源成本一直以業是地鐵運營管理部門嚴重關切的話題。如何降低能耗成為鐵路系統運營商須優先考慮的問題。

近年來，超級電容器技術及設備的發展，使應用超級電容器作為能量儲存裝置儲存過度反饋的再生制動能量成為一項可行的技術。

1 地鐵供電系統分析

地鐵供電系統是個非常復雜的電氣網絡。就像普通的配電網絡一樣，地鐵供電系統包括傳輸系統（架空線或導電軌）及負載（地鐵列車）。所不同的是，地鐵供電系統的這些負載是移動的，列車的速度和加速度隨時都在改變、加之列車位置的變化都會帶來地鐵供電系統負載的變化。

圖1所示為一段地鐵供電系統簡圖。Rs1和Rs2代表架空線阻抗。Rr1和Rr2代表回路導線阻抗。隨著地鐵列車的移動，這些阻抗也發生著變化。列車牽引、惰行及制動都會引起電流的改變，因此架空線電壓降會影響列車的運行性能。

2 再生制動的節能作用及原理

電阻制動通過連接在電機兩端的電阻器來實現。電機生成制動電流通過電阻器耗散。這種制動所產生的能量在較冷的環境下可以轉換為熱能用于車輛的采暖系統，但是更多時候熱量消散到周圍環境中去了。對于地鐵隧道系統，這些熱量將會造成隧道過熱[1]，因此，目前廣泛采用的是再生制動系統。

再生制動生成的電能反饋到架空線路上可被其它列車使用。再生制動系統可以提高整個地鐵供電系統的效率。然而再生制動所產生的電流也會造成電壓的急劇上升并引起供電質量問題。再生制動的有效性取決于系統的接受能力。如果在此線路區段上沒有其它車輛在運行，則再生的能量無法被使用，因此這些能量就必須通過制動電阻來耗散。

上述與再生制動相關的問題，可考慮通過使用能量儲存裝置來避免。能量儲存裝置可將再生的能量存儲在列車上或者線路旁，因此也就降低了電壓驟升的幅度。儲存在車輛上的能量可用于補充列車加速所需能源，故能降低架空線路上產生的加速電流，從而降低了電壓驟降的幅度。

3 能量儲存裝置

近期能量儲存裝置有了重大發展，特別是針對電動車輛、供電系統和航空航天領域的應用。超級電容器由在液體電解質內的兩個固體電極組成。離子滲透分離器用于電極的電氣絕緣，但允許電解質離子通過。超級電容器在固體電極和電解液界面處儲存電荷，形成雙電層，通過兩個單層形成電容[2]。電荷層之間的距離只有幾個原子直徑，因此電容容量可以比常規的電容器容量要大得多。

未來還可以應用一種超導儲能系統（SMES）裝置儲存磁場中的能量[3]。將直流電充到線圈上，創建磁場，儲存磁場能量。當直流電勢消失時，能量也隨即釋放。使用低耗超導線圈可存儲更多的磁能量。超導儲能系統（SMES）用來改進配電網的供電質量[4]。

在地鐵供電系統中增設能量儲存裝置可以提高供電網的電壓調節質量，同時也能改進對再生制動利用的效率。儲能裝置可以增設在線路旁或地鐵車輛上。

圖2為在變電站增設能量儲存裝置的示意圖，即將超級電容器安置在配電站內。原則上能量儲存裝置也可安裝在軌道的任一位置。

超級電容器可以看作是一個帶有電壓源的等效電路，一個等效串聯電阻（ESR）和一個等效并聯電阻（EPR），見圖3。

能量儲存裝置也可以安置在軌道的側面，采用這種安裝方案，所儲存的能量需要通過架空線向地鐵列車傳送，這種方案的缺點是存在電能傳輸過程損耗。為避免電能傳輸過程的損耗，可將儲能裝置安裝在地鐵車輛上[5]。

4 結論

本文介紹了使用再生制動并結合能量儲存裝置節約電能提高地鐵供電系統供電品質的組合方案。這種能量儲存裝置可以安裝在變電站內，線路側，也可以安裝在地鐵列車上。隨著超級電容器技術與設備的發展及應用，這種組合節能方案將有很大的應用可行性。

參考文獻：

[1]英國倫敦地鐵環境.熱負載調查實用熱力工程[D]，2004（24）：633-645.