有軌電車儲(chǔ)能式系統(tǒng)配置方案及供電系統(tǒng)研究

劉宗澤 侯 飛 劉海全 馬澤宇 梁 玨 李 軍 吳 健

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢； 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司， 250011， 濟(jì)南；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 266111， 青島； 4.北京北交新能科技有限公司， 100044， 北京；5.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 100044， 北京∥第一作者， 工程師)

1 有軌電車車載儲(chǔ)能技術(shù)概況

目前我國(guó)已有超過21條有軌電車線路投入正式運(yùn)營(yíng)，表1為采用不同供電方式的有軌電車線路概況。

表1 國(guó)內(nèi)采用不同供電方式的有軌電車線路概況

隨著車載儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，在有軌電車上直接裝載儲(chǔ)能系統(tǒng)作為能量源，無需從供電網(wǎng)獲取能量，這種供電方式比傳統(tǒng)的架空接觸網(wǎng)供電有諸多優(yōu)勢(shì)。儲(chǔ)能式有軌電車兼有傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)有軌電車的優(yōu)點(diǎn)[3]，同時(shí)無需建設(shè)供電網(wǎng)，其前期建設(shè)費(fèi)用可以大幅度降低，其工程施工時(shí)間也進(jìn)一步縮短；無架網(wǎng)設(shè)計(jì)，占用城市地面空間較少；在實(shí)際運(yùn)行過程中，可通過儲(chǔ)能系統(tǒng)回收制動(dòng)能量，能量損耗低，能量利用效率更高；無供電網(wǎng)的網(wǎng)側(cè)故障隱患，提高了其運(yùn)行的可靠性。隨著新能源技術(shù)不斷發(fā)展，動(dòng)力電池、超級(jí)電容、動(dòng)力電池與超級(jí)電容混合等不同儲(chǔ)能式有軌電車迅速發(fā)展[4]。

目前廣泛應(yīng)用于有軌電車的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為超級(jí)電容儲(chǔ)能方式和動(dòng)力電池儲(chǔ)能方式兩種。兩種儲(chǔ)能方式的技術(shù)性能對(duì)比如表2所示。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由電池與傳統(tǒng)電容器之間的一種雙電層電容儲(chǔ)能元件串并聯(lián)成組構(gòu)成，超級(jí)電容的工作原理特殊，在實(shí)際充放電過程中僅發(fā)生電子的移動(dòng)而并未發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，因而超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較高的充放電倍率和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

表2 超級(jí)電容儲(chǔ)能方式和動(dòng)力電池儲(chǔ)能方式技術(shù)性能對(duì)比

本文針對(duì)儲(chǔ)能式有軌電車的配置及其供電系統(tǒng)進(jìn)行研究，以降低運(yùn)營(yíng)成本和建設(shè)成本為目標(biāo)，提出車載儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案以及供電系統(tǒng)的配套改進(jìn)方案，對(duì)改進(jìn)后的有軌電車儲(chǔ)能系統(tǒng)和供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證和經(jīng)濟(jì)性分析，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期下的累計(jì)成本進(jìn)行對(duì)比分析，以為后續(xù)有軌電車車地一體化系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)提供有效參考。改進(jìn)方案在保證運(yùn)輸安全與運(yùn)輸能力的前提下，選用不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置，對(duì)提高系統(tǒng)的能量利用效率、降低系統(tǒng)的總建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有重要工程應(yīng)用意義。

2 間歇式供電有軌電車車地一體化

有軌電車的間歇式供電與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)持續(xù)式供電有所不同，間歇式供電利用車載儲(chǔ)能系統(tǒng)作為能量源，通過在站點(diǎn)設(shè)置充電設(shè)備給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；根據(jù)線路中充電站的數(shù)量，可采用部分無接觸網(wǎng)模式或全線無接觸網(wǎng)模式設(shè)計(jì)；在全線無架空接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)充電站的設(shè)置方式，其充電方式可分為首末站充電方式、隔站充電方式以及站站充電方式[5]。

2.1 線路情況

本文基于國(guó)內(nèi)某條已開通運(yùn)營(yíng)的有軌電車線路進(jìn)行分析，該線路采用間歇式供電的站站充電方式，其車載儲(chǔ)能系統(tǒng)基于超級(jí)電容設(shè)計(jì)。該線全長(zhǎng)7.7 km，采用全線無網(wǎng)設(shè)計(jì)，共設(shè)11座車站。列車在每站的充電時(shí)間為10 s，列車在站充電時(shí)間較短，因此需要可適應(yīng)大功率充電的儲(chǔ)能系統(tǒng)以進(jìn)行快速充電，且需要配備大功率充電設(shè)備。高峰時(shí)段列車運(yùn)行時(shí)間間隔為3 min，平峰時(shí)段列車運(yùn)行時(shí)間間隔為5 min，低峰時(shí)段列車運(yùn)行時(shí)間間隔為8 min。有軌電車全天運(yùn)營(yíng)14 h，其中高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)間為3 h，平峰運(yùn)營(yíng)時(shí)間為4 h，低峰運(yùn)營(yíng)時(shí)間為7 h。列車編組形式為3動(dòng)1拖，最大載客量為380人，最高運(yùn)行速度為70 km/h。

2.2 間歇式供電有軌電車動(dòng)力系統(tǒng)

本文研究的間歇式供電有軌電車動(dòng)力系統(tǒng)主要由車載儲(chǔ)能系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 間歇式供電有軌電車動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求,將車載儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分為兩種：車載儲(chǔ)能原件(超級(jí)電容或動(dòng)力電池)與有軌電車的直流母線直接連接；車載儲(chǔ)能原件先與DC/DC模塊連接后再與有軌電車的直流母線相連。由于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)具有承受輸入輸出大功率沖擊的能力，因此該線路中的有軌電車采用車載超級(jí)電容與有軌電車直流母線直接連接的拓?fù)浞绞?如圖2所示)，這種設(shè)計(jì)方案可減少部分由DC/DC所產(chǎn)生的電能消耗。

注：VVVF——變頻調(diào)速系統(tǒng)；DC BUS——直流母線。

該線有軌電車共配置3組超級(jí)電容，每組容量為55 F，共計(jì)165 F，電量為13.92 kWh。由于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度低，需在每站充電，因此，在多車同時(shí)運(yùn)行時(shí)線路中總充電功率較大，總供電系統(tǒng)容量需10 MVA。該線有軌電車在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的續(xù)航里程為2～3 km。

3 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)改進(jìn)方案

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中,車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在的主要問題如下：

1) 車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)雖具有良好的功率特性，能進(jìn)行大功率充放電且循環(huán)壽命較長(zhǎng)，但是超級(jí)電容作為儲(chǔ)能系統(tǒng)其能量密度較低，導(dǎo)致存儲(chǔ)電量較低，續(xù)航里程短，充電頻繁。

2) 由于其續(xù)航里程短，當(dāng)充電站的供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或因外因停車等待時(shí)，容易引起因能量耗盡而停車。因此系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較差。

3) 充電時(shí)，功率需求較大，充電電流較大，需要的變壓器、電力電子裝備的容量和功率等級(jí)較高。因此配電系統(tǒng)基本容量費(fèi)較高。

4) 每座車站都需要單獨(dú)建充電站及配套設(shè)施。因此工程建設(shè)成本高。

5) 間歇式充電方式導(dǎo)致變壓器負(fù)載率較低，使得供電系統(tǒng)效率較低。

為解決上述問題，本文提出了兩種車載儲(chǔ)能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的改進(jìn)方案。

3.1 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案一

為解決原方案中超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)電量過少而導(dǎo)致的一系列問題，改進(jìn)方案一按照現(xiàn)有車載儲(chǔ)能系統(tǒng)空間以及車重要求，將原3組超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)改為2組(超級(jí)電容的可用容量為110 F，電量為9.28 kWh)，增加1組鈦酸鋰動(dòng)力電池及雙DC/DC，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。改進(jìn)后的動(dòng)力電池組電量為30 kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)總電量為39.28 kWh，有軌電車的實(shí)際續(xù)航里程可增加至7～8 km。

圖3 車載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在原純超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入動(dòng)力電池組使其電度數(shù)和續(xù)航里程增加，則有軌電車在該儲(chǔ)能系統(tǒng)配置條件下運(yùn)行無需站站充電，只需進(jìn)行隔站充電，充電站數(shù)量可減少至5座，其建設(shè)費(fèi)用相應(yīng)減少。多車同時(shí)充電數(shù)量減少使總充電功率下降，供電系統(tǒng)容量可降低至8 MVA，每年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用中的基礎(chǔ)容量費(fèi)也會(huì)相應(yīng)降低。

3.2 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案二

基于方案一的研究，考慮選用純動(dòng)力電池方案，進(jìn)一步減少充電站的數(shù)量以降低供電系統(tǒng)容量成本。在原方案中，選用純超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要考慮因素是超級(jí)電容可在大倍率的電流環(huán)境中正常穩(wěn)定工作。目前有軌電車主流的動(dòng)力電池有磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池，兩者的性能對(duì)比如表3所示。若選用磷酸鐵鋰電池，則整車儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量可較高但最高功率達(dá)不到系統(tǒng)要求；若選用技術(shù)成熟的功率型鈦酸鋰電池，因其工作倍率較大，則可達(dá)到系統(tǒng)倍率與功率需求，能使?fàn)恳到y(tǒng)特性保持一致。

表3 磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池性能對(duì)比

方案二按照現(xiàn)有車載儲(chǔ)能系統(tǒng)空間以及車重要求，選用3組鈦酸鋰電池，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。不裝載DC/DC模塊，其空間可搭載容量可達(dá)到150 kWh，實(shí)際續(xù)航里程可增加至25～30 km；整條線路只需在首站設(shè)置充電站，可取消地面供電系統(tǒng)10 kV中壓環(huán)網(wǎng)，可大幅降低建設(shè)投資(10 kV中壓環(huán)網(wǎng)建設(shè)投資大約為1 500萬元/km)；且此供電系統(tǒng)方案下的容量可大幅下降，僅需1.5 MVA，其利用率提高且基礎(chǔ)容量費(fèi)得到大幅降低。

圖4 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案二拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案仿真驗(yàn)證

選取該線路某次運(yùn)行工況對(duì)改進(jìn)后的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證[6]，該工況的運(yùn)行速度曲線如圖5所示，整車需求功率如圖6所示，仿真試驗(yàn)得到的原方案與兩種改進(jìn)方案在該線路運(yùn)行時(shí)的電池與超級(jí)電容的SOC(荷電狀態(tài))如圖7所示。仿真試驗(yàn)結(jié)構(gòu)證明兩種改進(jìn)方案均可滿足該線路有軌電車的運(yùn)行要求。

圖5 有軌電車運(yùn)行速度曲線

圖6 有軌電車需求功率曲線

圖7 車載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)原方案與兩種改進(jìn)方案SOC曲線

4 各車載儲(chǔ)能系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性分析

表4為原方案與兩種改進(jìn)方案的車載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)比與費(fèi)用估算(該線路按10列列車運(yùn)營(yíng)計(jì)算)。

表5為原方案與兩種改進(jìn)方案的車載儲(chǔ)能系統(tǒng)以及采用接觸網(wǎng)供電方案的供電系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目以及建設(shè)費(fèi)用與每年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(基礎(chǔ)容量費(fèi)+電費(fèi))的估算對(duì)比。

表6為采用不同供電方式的有軌電車各項(xiàng)費(fèi)用匯總對(duì)比表。

表4 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)不同方案的性能指標(biāo)與費(fèi)用估算

表5 采用不同供電方式的有軌電車供電系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目與各項(xiàng)費(fèi)用估算

表6 采用不同供電方式的有軌電車各項(xiàng)費(fèi)用對(duì)比

由表4～6對(duì)比分析可知：原超級(jí)電容方案與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電方案相比，兩者的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用與建設(shè)費(fèi)用基本一致；而超級(jí)電容方案需采購超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此其總費(fèi)用比傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電方案更高。

改進(jìn)方案通過將超級(jí)電容車載儲(chǔ)能系統(tǒng)部分或完全改用動(dòng)力電池組有如下優(yōu)勢(shì)：

1) 可提高車載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量，增加有軌電車實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中的續(xù)航里程，由此可減少充電站數(shù)量，同時(shí)減少了中壓環(huán)網(wǎng)建設(shè)，因此供電系統(tǒng)建設(shè)投入大幅減少。

2) 因動(dòng)力電池充電時(shí)間充足，所需充電功率相比超級(jí)電容較低，可有效降低有軌電車的供電系統(tǒng)容量，因此可獲得每年較低的基礎(chǔ)容量費(fèi)。

由表5可知：改進(jìn)方案一通過增加鋰電池增加了有軌電車的續(xù)航里程；改進(jìn)方案二由于采用全部鋰電設(shè)計(jì)，只需建設(shè)單個(gè)充電站，無需建設(shè)中壓環(huán)網(wǎng)；兩種改進(jìn)方案的供電系統(tǒng)的建設(shè)投入和基礎(chǔ)容量費(fèi)隨之大幅度降低。

圖8為采用不同供電方式的有軌電車全壽命周期(按30年計(jì)算)累計(jì)成本對(duì)比圖。

圖8 采用不同供電方式有軌電車全壽命

由圖8可知：在全壽命周期中，改進(jìn)方案二的初始儲(chǔ)能系統(tǒng)采購與供電系統(tǒng)建設(shè)系統(tǒng)的投入費(fèi)用為2 500萬元，與原方案(13 550萬元)、改進(jìn)方案一(12 000萬元)和傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)供電方案(11 550萬元)相比，費(fèi)用大幅下降；在全壽命周期中，改進(jìn)方案二運(yùn)營(yíng)與建設(shè)的總成本為17 850萬元，與原方案(36 550萬元)、改進(jìn)方案一(34 750萬元)和傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)供電方案(32 550萬元)相比，改進(jìn)方案二為最優(yōu)方案；在全壽命周期中，改進(jìn)方案二與原方案相比，供電系統(tǒng)的建設(shè)、儲(chǔ)能系統(tǒng)采購與運(yùn)營(yíng)的總費(fèi)用降低了51.14%。

5 結(jié)語

本文以國(guó)內(nèi)某有軌電車運(yùn)營(yíng)線路的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究背景，對(duì)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)進(jìn)行研究。以降低運(yùn)營(yíng)與供電系統(tǒng)建設(shè)成本為目標(biāo)，提出兩種車載儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)方案，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果為全鋰電池方案的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，與原方案相比，該供電系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的總費(fèi)用大幅降低。本文研究成果可為未來有軌電車的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的參考價(jià)值，具有較好工程應(yīng)用前景。