超級電容儲能系統在蘇州地鐵的應用

楊陽 張國紅 鐘龍 董健 李振 王寶平

摘要：介紹了城市軌道交通儲能系統的幾種裝置類型，對蘇州地鐵2號線超級電容儲能系統的應用進行了介紹。并通過對裝置掛網運營數據分析了充電閾值和放電閾值對裝置節電量的影響。

關鍵詞：城市軌道交通、超級電容儲能系統

1 概述

新型城鎮化和公共交通優先發展戰略下，城市軌道交通以其運量大、節能環保、安全快捷等優勢，在國內的發展和應用速度越來越快，并開始從一線城市向省會城市再向三四線城市發展。且軌道交通線路規劃城市數量在持續增加，截至2017年末全國地鐵開通運營3883公里，在建5291公里，規劃建設7321公里。

地鐵運營成本中電力費用占40%以上，電力費用中牽引供電占到50%，可回收利用占牽引供電的比例20%以上。進行牽引供電節能研究意義重大。

隨著城市軌道交通的快速發展，城市軌道交通供電系統中再生制動電能的回收利用也成為城市軌道交通領域的一個重要研究方向。

2 再生制動能量回收系統分類

目前應用于城市軌道交通供電系統的再生制動能量回收裝置類型有：地面制動電阻消耗裝置;逆變回饋型再生制動能量回收系統和儲能型再生制動能量回收系統。

根據與交流電網的接口電壓制式，逆變回饋型再生制動能量回收系統又可分為中壓逆變回饋型（多指AC35kV或AC10kV）和低壓逆變回饋型（多指AC400V）。

根據儲能元件的種類，儲能型再生制動能量回收系統又可分為飛輪儲能型、蓄電池儲能型和超級電容儲能型。目前國內全線應用案例應用較多是中壓逆變回饋型再生制動能量回收系統和超級電容儲能型。

國內還有使用兩種回收裝置混合使用實現同一線路再生能量回收的系統和方法，該方法在無錫和蘇州等多個城市得到了應用。同時隨著超級電容器技術發展，還出現了鋰離子超級電容器作為儲能元件的鋰離子超級電容儲能系統，在青島地鐵8號線得到了應用。

為了對比研究超級電容儲能系統與逆變回饋系統在地鐵中的應用效果，蘇州地鐵在2號線的桐涇公園站安裝了一套1MW超級電容儲能系統，并在同一線路的徐圖港站安裝了一套2MW中壓逆變回饋系統。其中蘇州地鐵2號線桐涇公園站的超級電容儲能系統于2019年3月投運并運營至今。

桐涇公園站安裝的超級電容儲能裝置基本參數如下：

額定功率：1MW

額定電壓：DC1500V

額定電流：1500A（電容側）

電容規格：960V/49.5F

儲電量：? 6.34kWh

3 蘇州市超級電容儲能系統的應用

經過節能量數據統計，觀察設備的運行情況。桐涇公園站超級電容儲能系統設備投運至今已實現正向節電35.7萬kWh，平均每天節電量約1000kWh。

桐涇公園站儲能設備每季度節電量如圖16所示，從圖中可以看出，儲能設備在第3季度明顯比其他季度普遍減少。據統計夏季7、8、9月份節電量相對于其他季節，節電量偏少。

第1季度平均日節電量962.4 kWh;第2季度平均日節電量1011kwh;第3季度日均節電量759.2kWh;第4季度平均日節電量999.8kWh。

第三季度7-9月份節電量較少的原因是由于夏季空調開放，車輛輔助用電量較大，線路可回收的再生制動能量較少，因此節電量與其他季度相比偏低。

為了研究裝置的充電閾值和放電閾值對節能效果的影響，三季度各個月份調整了裝置的充放電閾值，其中裝置2019年7月份的充放電閾值設定為1740/1610;8月份的充放電閾值為1730/1610（1日至15日）、1730/1620（16日-31日）;9月份的充放電閾值為1740/1620。

由圖4、圖5、圖6可以看出，桐涇公園站儲能設備7月節能量為21727kWh。8月節能量為22344kWh，9月節能量為25768kWh。

8月份下半月設備放電閾值由1610V上調至1620V后，設備日節電量與上半月相比增加了30kWh，增幅4%。9月份日均節電量比7月份日均節電量增加18%。可以看出，適度的上調儲能型的放電閾值，可以改善裝置的可用存儲容量，可以提升儲能型的節電效率。

7月日均節能量與8月份上半月相比，其放電閾值同為1610V，充電閾值比8月份高10V，節能數據顯示7月日均節電量比8月上半月低33kWh，節電量同比下降約4%。 可以得出，適當降低設備的啟動閾值，可以增加設備再生制動回收的范圍，增加裝置的可回收電能。

4 總結

超級電容儲能系統由于其較高的功率密度、及循環壽命，與軌道交通啟動制動頻繁，啟動制動功率大，且儲電量要求高的工況特點相吻合，目前在國際上多個國家得到了應用。

本文介紹了超級電容儲能系統在蘇州地鐵的應用現狀，并根據在掛網應用過程中的節能及設備閾值的變化情況，對調整設備充電閾值和放電閾值引起節能量變化的原因進行了簡要分析。

參考文獻：

[1] 張國紅.并聯式混合軌道再生制動研究[J].建筑工程與設計， 2019 （8）：207.

[2] 楊宇. 鋰離子電容器的未來與展望[J]. 國外鐵道車輛， 2019，56（6）：25-28.

[3]胡敏，黃嘉燁，王婷.鋰離子超級電容器在軌交能量回收系統中的應用 [J]. 儲能技術專輯， 2016，14：85-91