城市軌道交通供電系統(tǒng)再生制動能量回收裝置節(jié)能影響因素分析

安 秋 穎

(大連地鐵運營有限公司 供電中心，遼寧 大連 116021)

城市軌道交通作為一種大運量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演著越來越重要的角色。地鐵具有站間運行距離短、運行速度較高、啟動及制動頻繁等特點。目前城市軌道交通地鐵車輛普遍采用車載電阻制動的方式，當(dāng)列車電制動產(chǎn)生的再生制動能量不能被線網(wǎng)中的負載吸收導(dǎo)致線網(wǎng)電壓過高時，可通過使用車載電阻制動將多余的再生制動能量消耗。一般城市軌道交通再生制動能量可達到供電系統(tǒng)中牽引用電的30%～40%，可有效回收利用的再生制動能量占城市軌道交通供電系統(tǒng)牽引用電的15%左右。

在城市軌道交通線路沿線的供電系統(tǒng)中設(shè)置合理類型和功率的再生制動能量回收裝置，不但可以回收再生制動能量，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟價值，還可以間接解決單純使用車載制動產(chǎn)生的上述問題，提高供電系統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，延長供電系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。

1 再生制動能量回收裝置簡介

目前應(yīng)用在供電系統(tǒng)中的再生制動能量回收裝置主要有以下3類：(1)能量存儲型再生制動能量回收裝置(以下簡稱“儲能型裝置”)；(2)能量回饋型再生制動能量回收裝置(以下簡稱“能饋型裝置”)；(3)基于儲能型裝置和能饋型裝置的混合型再生制動能量回收裝置(以下簡稱“混合型裝置”)。

1.1 儲能型裝置

儲能型裝置沒有直流變交流的逆變環(huán)節(jié)，將再生制動能量在供電系統(tǒng)的直流側(cè)內(nèi)部完成回收和利用，從而避免了向城市電網(wǎng)返送電能的問題，因此具有獨特的優(yōu)勢。圖1為儲能型裝置的工作原理。

圖1 儲能型裝置工作原理

儲能型裝置包括飛輪儲能型裝置、超級電容儲能型裝置、電池儲能型裝置3種[1]，目前超級電容儲能型裝置應(yīng)用較多。

飛輪儲能型裝置的儲能單元采用飛輪形式，有再生制動能量需要吸收時，飛輪加速轉(zhuǎn)動，以機械能形式儲存能量；當(dāng)需要輸出能量時，飛輪轉(zhuǎn)速降低，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能向接觸網(wǎng)反饋。目前該裝置在北京地鐵房山線有應(yīng)用。

電池儲能型裝置與超級電容儲能型裝置一致，通過雙向DC/DC變換器吸收能量時，雙向DC/DC變換器從接觸網(wǎng)上吸收電能并將其轉(zhuǎn)換存儲到電池或超級電容器中。其中電池儲能型裝置是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，超級電容儲能型裝置不存在不同能量之間的轉(zhuǎn)換，僅有不同電勢的變換。當(dāng)需要輸出能量時，雙向DC/DC變換器再將電池或超級電容器中存儲的能量變換成電壓，輸出至供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)中。電池儲能型裝置在日本、韓國有應(yīng)用，國內(nèi)北京地鐵八通線也有試點應(yīng)用。由于電池儲能型裝置能量存儲環(huán)節(jié)多使用鋰電池，在供電系統(tǒng)維護使用方面不如雙電層超級電容器安全便捷，目前在國內(nèi)尚未推廣應(yīng)用。超級電容儲能型裝置在國內(nèi)的北京地鐵8號線、香港機場線已批量配置，并已穩(wěn)定運營。此外，在北京、青島、蘇州、無錫、廣州等多個城市的地鐵供電系統(tǒng)中也有試點應(yīng)用。除了傳統(tǒng)的雙電層超級電容器用作儲能元件外，青島地鐵8號線使用電池型超級電容器作為其能量存儲環(huán)節(jié)，該類型超級電容器性能介于鋰電池和雙電層超級電容器之間，在軌道交通中的應(yīng)用尚屬首次。

1.2 能饋型裝置

能饋型裝置主要采用電力電子器件IGBT構(gòu)成DC/AC三相逆變器，并配置變壓器。逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的直流母線相連，其交流側(cè)接至變壓器，通過變壓器接到供電系統(tǒng)的交流電網(wǎng)上[2]。根據(jù)接入供電系統(tǒng)交流電網(wǎng)電壓制式的區(qū)別，能饋型裝置分為低壓400 V能饋型裝置和中壓能饋型裝置。其中低壓400 V能饋型裝置由于容量、功率受限于當(dāng)前變電所的用電功耗，在國內(nèi)未得到推廣使用。而中壓能饋型裝置因其價格適中，裝置功率沒有儲能環(huán)節(jié)限制，瞬時功率大，在國內(nèi)已得到推廣應(yīng)用。

能饋型裝置再生制動能量回收的原理為：當(dāng)車輛的再生制動能量導(dǎo)致供電系統(tǒng)線網(wǎng)電壓超過能饋型裝置的啟動值時，DC/AC三相逆變器啟動并從直流線網(wǎng)吸收電能，將直流電能逆變成工頻交流電回饋至供電系統(tǒng)的交流電網(wǎng)中，由供電系統(tǒng)電網(wǎng)中動力照明用電消耗或由同段母線中其他變電所的整流機組用電消耗。當(dāng)某時刻供電系統(tǒng)中電能回饋總功率大于用電總負荷時，會有回饋電能被返送至城市電網(wǎng)的現(xiàn)象。在分散供電的供電系統(tǒng)中，中壓能饋型裝置的返送電比例可達30%，會對城市電網(wǎng)造成一定的沖擊。中壓能饋型裝置的工作原理見圖2。

圖2 中壓能饋型裝置的工作原理

能饋型裝置與供電系統(tǒng)中的交直流電網(wǎng)均有接口，與儲能型裝置相比，其應(yīng)用時涉及到交流電網(wǎng)的繼電保護，相對復(fù)雜；能饋型裝置與交流電網(wǎng)并網(wǎng)時，會產(chǎn)生一定的諧波注入到既有的交流電網(wǎng)中，可能會影響中壓電網(wǎng)乃至城市電網(wǎng)的供電質(zhì)量，而儲能型裝置僅與直流電網(wǎng)存在電氣關(guān)聯(lián)，對外部電網(wǎng)沒有影響；能饋型裝置的節(jié)能去向難以統(tǒng)計，而儲能型裝置的節(jié)能去向明確，為車輛的牽引或輔助用電。

1.3 混合型裝置

混合型裝置主要包含2種混合方式，一是單套設(shè)備內(nèi)集成儲能型裝置和能饋型裝置，可同時實現(xiàn)能量存儲和能量回饋；二是在整條地鐵線路的不同站點分別布置儲能型裝置和能饋型裝置，并加以協(xié)同控制。

單套設(shè)備內(nèi)集成儲能型裝置和能饋型裝置的混合型裝置目前尚未見應(yīng)用。而在整條地鐵線路的不同站點分別布置儲能型裝置和能饋型裝置可以有效地解決能饋型裝置返送電以及儲能型裝置成本高、體積大的問題，能以較為經(jīng)濟的方式實現(xiàn)再生制動能量的回收利用。目前在無錫地鐵1號線、蘇州地鐵2號線、青島地鐵8號線、北京地鐵8號線等線路均有試點應(yīng)用。

2 再生制動能量回收裝置節(jié)能影響因素分析

在應(yīng)用過程中，影響其再生制動能量回收裝置節(jié)能效果的因素較多，包括線路條件、車輛載荷、發(fā)車密度、裝置容量、氣候因素、再生制動能量回收裝置的特性及混合型裝置的配置。

下文將從車輛運行圖、季節(jié)因素、裝置的啟動閾值及裝置的容量等方面對比分析不同因素對再生制動能量回收裝置節(jié)電量的影響，并從潮流仿真計算角度分析驗證能饋型裝置和儲能型裝置結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢。

2.1 運行圖因素影響分析

經(jīng)過運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)通過合理的規(guī)劃運行圖，調(diào)整合適的發(fā)車間隔，同一供電區(qū)段內(nèi)在某車制動時讓鄰車處于牽引狀態(tài)，可大幅減少此區(qū)間需回收的再生制動能量。

以青島地鐵3號線為例，自2017年4月27日與5月6日起分別對工作日和周末高峰期的發(fā)車間隔進行了調(diào)整，增加了高峰期的發(fā)車對數(shù)，高峰期發(fā)車間隔由6 min 45 s調(diào)整為6 min 15 s，調(diào)整前后對比見圖3。

圖3 青島地鐵3號線高峰期發(fā)車間隔調(diào)整前后對比圖

由圖3(a)可以看出，在原運行圖發(fā)車間隔下，在延安三路地鐵站周邊供電區(qū)間內(nèi)的江西路站、太平角公園站及人民會堂站存在多車同時制動的情況，在此工況下列車可回收的再生制動能量較多。由圖3(b)可以看出，發(fā)車間隔調(diào)整為6 min 15 s后，當(dāng)延安三路站有車輛制動時，在江西路站、中山公園站存在多車同時牽引的情況，在此工況下鄰車吸收再生制動能量效果較好，再生制動能量回收裝置可回收的再生制動能量較少。據(jù)統(tǒng)計，在運行圖調(diào)整前超級電容儲能型裝置日均節(jié)電量為1 100 kW·h，運行圖調(diào)整后日均節(jié)電量僅約600 kW·h，可回收再生制動能量減少約50%。

2.2 季節(jié)因素影響分析

經(jīng)過運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在相同運行圖下同一地鐵線路不同季節(jié)也可引起再生制動能量回收裝置節(jié)電量的較大變化。其中夏季列車空調(diào)的開啟會引起線網(wǎng)中可回收利用的再生制動能量減少，列車輔助功率的大小也會影響線路再生制動能量回收裝置的節(jié)電量。

以無錫地鐵為例，研究季節(jié)因素對再生制動能量回收裝置節(jié)電量的影響。圖4為2019年無錫地鐵天一地鐵站的儲能型裝置日均節(jié)電量數(shù)據(jù)。

圖4 2019年無錫地鐵天一站儲能型裝置日均節(jié)電量

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2019年第3季度儲能型裝置的日均節(jié)電量比其他季度明顯減少，分析原因為夏季列車空調(diào)開啟，列車輔助功率大，線路鄰車之間吸收再生制動能量的效果明顯增強，導(dǎo)致線網(wǎng)區(qū)間可回收的再生制動能量減少。

2.3 裝置啟動閾值對節(jié)能影響分析

合理調(diào)整再生制動能量回收裝置的啟動閾值，可以有效地延長裝置可回收再生制動能量的距離，進而提高裝置的節(jié)電量及使用率。圖5為無錫地鐵天一站儲能型裝置在充電啟動閾值分別為1 750 V、1 770 V、1 780 V、1 790 V時日均節(jié)電量圖(放電啟動值均為1 610 V)。

圖5 不同啟動閾值時儲能型裝置日均節(jié)電量

通過研究分析無錫地鐵天一站儲能型裝置在相同運行圖、不同啟動閾值時的節(jié)電量變化，可以發(fā)現(xiàn)，啟動閾值位于1 770～1 790 V時，閾值下調(diào)后裝置節(jié)電量明顯得到提升，其中閾值每下調(diào)10 V，裝置的日均節(jié)電量可提升100 kW·h。據(jù)計算分析，啟動閾值每下調(diào)10 V，可增加有效回收再生制動能量距離約1.73 km。對于配置再生制動能量回收裝置較少的線路，可以使用該方式增加線路總體再生制動能量回收量。

2.4 裝置容量對節(jié)能影響分析

圖6為超級電容儲能型裝置的工作狀態(tài)。

圖6 超級電容儲能型裝置的工作狀態(tài)

從圖6超級電容儲能型裝置吸收再生制動能量的過程曲線可以看出，當(dāng)電容電壓上升至最高電壓后，裝置的充放電電流被迫降至0，超出裝置可存儲容量部分的再生制動能量無法進行回收利用。

儲能型裝置由于能量存儲單元容量有限，導(dǎo)致不能持續(xù)長時間吸收再生制動能量。超級電容型裝置在超級電容器電壓達到最大工作電壓后無法再吸收能量，同時超級電容器電壓較低時也無法輸出最大功率，因此同等功率的中壓能饋型裝置和超級電容儲能型裝置在同一供電區(qū)間投運時，超級電容儲能型裝置的節(jié)電量往往低于中壓能饋型裝置。

因此，在城市軌道交通供電系統(tǒng)中裝配超級電容儲能型裝置時，應(yīng)充分考慮近期、遠期各種可能的運營條件，進行科學(xué)的供電系統(tǒng)能量潮流仿真計算，綜合選定裝置的容量，并盡可能在同一地鐵線路中同時裝配能饋型裝置彌補儲能型裝置容量不足的缺點，以避免頻繁出現(xiàn)再生制動能量無法回收的情況。

在使用混合型裝置時，應(yīng)使用潮流仿真計算軟件，通過合理的仿真計算來配置再生制動能量回收裝置的類型、容量及選址。這樣可充分發(fā)揮能饋型裝置和儲能型裝置相結(jié)合的優(yōu)點，既能充分回收利用再生制動能量，又能避免能饋型裝置出現(xiàn)返送電的現(xiàn)象，還能減少線路上裝置容量的過度配置。

以青島地鐵11號線為例，在全線配置13套3 MW能饋型裝置的情況下，從潮流仿真計算軟件分析計算結(jié)果可以看出，中國海洋大學(xué)主變電所Ⅰ段和皋虞主變電所Ⅰ段均有返送電情況(圖7)。據(jù)統(tǒng)計，2個主變電所每日共返送電量1 336.87 kW·h。

圖7 青島地鐵11號線能饋型裝置配置方案變電所用電情況

將再生制動能量回收裝置配置方案調(diào)整為7套3 MW能饋型裝置和6套1.5 MW儲能型裝置后，中國海洋大學(xué)主變電所Ⅰ段和皋虞主變電所Ⅰ段的返送電現(xiàn)象消失，如圖8所示。且經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn)，線路日均總節(jié)電量差異不大。因此通過合理使用潮流仿真計算，可以在線路設(shè)計規(guī)劃階段優(yōu)化系統(tǒng)的配置及選型，充分發(fā)揮能饋型和儲能型兩裝置的優(yōu)點。

3 總結(jié)

目前國內(nèi)中壓能饋型裝置方案占據(jù)著較大的市場份額，但由于中壓能饋型裝置存在諧波及返送電情況,

圖8 青島地鐵11號線混合型裝置配置方案變電所用電情況

導(dǎo)致國際上應(yīng)用仍以儲能型裝置方案為主，且出現(xiàn)了以色列等全線批量招標(biāo)使用超級電容儲能型裝置的案例。隨著儲能元器件尤其是超級電容儲能技術(shù)的快速發(fā)展，儲能型裝置的安全性及性價比將逐步上升，其市場占有率將有較大的上升空間。

在儲能型裝置應(yīng)用過程中，影響其節(jié)能效果的因素較多。研究如何充分挖掘儲能型尤其是超級電容儲能型裝置的潛力，提升裝置在壽命期限內(nèi)的使用率及節(jié)能效果有較大的現(xiàn)實意義。隨著國內(nèi)儲能型裝置和能饋型裝置混合應(yīng)用的案例越來越多，針對此類應(yīng)用工況中對儲能型裝置節(jié)電因素的影響，后續(xù)還需要根據(jù)實際使用情況和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行深入的研究和分析。