軌道交通能源利用與節(jié)能技術(shù)研究

摘要：隨著能源利用與節(jié)能技術(shù)的迅速發(fā)展，低碳可持續(xù)的綠色能源將為城市軌道交通系統(tǒng)帶來深刻變革。將光伏發(fā)電應(yīng)用于城軌供電，不僅提升可再生能源占比，減輕供電壓力，還能降低運營成本，推動“綠色交通”發(fā)展，完全符合我國構(gòu)建低碳交通模式的戰(zhàn)略方向。探討了城市軌道交通領(lǐng)域中的能源利用與節(jié)能技術(shù)，重點分析了風(fēng)能、熱能和太陽能的采集技術(shù)。在城市軌道交通能源應(yīng)用研究中，提出了分布式光伏-儲能供電系統(tǒng)方案，并詳細(xì)闡述了其能源節(jié)能技術(shù)路線。通過對光伏發(fā)電接入城市軌道交通系統(tǒng)后的不同供電模式進行對比，進一步研究了多分布式光伏-儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制策略。該策略旨在通過考慮儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）均衡，優(yōu)化系統(tǒng)的能量流動，減少線路損耗，提高系統(tǒng)的整體能效。此研究對于推動城市軌道交通的綠色、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；能源利用；能源節(jié)能技術(shù)；分布式光伏-儲能系統(tǒng)；協(xié)同控制策略

0 前言

隨著全球氣候變化和能源危機的日益嚴(yán)峻，城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其能源利用與節(jié)能技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。如何在確保城市軌道交通高效、安全運行的同時，減少能源消耗、降低碳排放，成為行業(yè)內(nèi)外研究的熱點［1-2］。本文重點探討城市軌道交通領(lǐng)域的能源利用與節(jié)能技術(shù)，特別是風(fēng)能采集、熱能采集以及太陽能采集等方面的技術(shù)進展。在此基礎(chǔ)上，本文進一步分析分布式光伏-儲能供電系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用，并提出多分布式光伏-儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制策略，以期為實現(xiàn)城市軌道交通的綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展提供有益的思路和方法。

1 城市軌道交通領(lǐng)域能源利用與能源節(jié)能技術(shù)分類

1. 1 風(fēng)能采集

城市軌道交通，作為現(xiàn)代城市出行的重要支柱，其節(jié)能與環(huán)保的發(fā)展尤為關(guān)鍵。在尋求可持續(xù)能源解決方案的浪潮中，風(fēng)能采集技術(shù)因其綠色、可再生的特性而備受矚目［3］。哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)電氣與電子工程系的研究團隊，專門針對城市軌道交通的環(huán)境特點，提出了一種革命性的車頂風(fēng)能采集裝置設(shè)計方案［4］。通過SolidWorks仿真技術(shù)，他們深入研究了風(fēng)力渦輪機在高速行駛和隧道穿越時的空氣動力學(xué)特性，并評估了其對列車運行效率的影響。研究成果令人振奮：盡管風(fēng)力渦輪機為列車帶來了一定的空氣阻力，但其采集的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為的電力，遠(yuǎn)超過了列車為克服阻力所消耗的電力。這不僅證實了風(fēng)能采集在城市軌道交通中的實用性，還預(yù)示了該技術(shù)對提升能源自給率和減少傳統(tǒng)能源依賴的巨大潛力。環(huán)保層面，風(fēng)能采集技術(shù)將顯著降低城市軌道交通的碳排放，為行業(yè)的綠色發(fā)展注入新動力。展望未來，隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，風(fēng)能采集技術(shù)有望在更多城市軌道交通線路中廣泛應(yīng)用。

1. 2 熱能采集

在城市軌道交通中，高效能源利用與節(jié)能技術(shù)是實現(xiàn)綠色交通的關(guān)鍵。熱能采集技術(shù)嶄露頭角，通過熱電發(fā)電機將微小溫差轉(zhuǎn)化為電能，為能源利用開辟新道路。在韓國研究所的先進車輛團隊中，運用熱電模塊（TEM）技術(shù)，回收列車運行過程中產(chǎn)生的廢熱，將其轉(zhuǎn)化為電能，不僅為低功耗設(shè)備供電，還降低列車過熱風(fēng)險［5］。這一創(chuàng)新研究為城市軌道交通的綠色發(fā)展提供了新的可能性，助力構(gòu)建更加環(huán)保、可持續(xù)的交通體系。

研究人員通過實驗嚴(yán)格驗證了熱電模塊在不同溫差下的轉(zhuǎn)換效率，并通過流體動力學(xué)分析優(yōu)化冷卻翅片，確保熱能采集系統(tǒng)（TEHS）高效運作［6］。他們設(shè)計并測試了優(yōu)化的TEHS 系統(tǒng)，在實際車輛中分析其能源回收性能。這一研究凸顯了熱能采集技術(shù)在城市軌道交通中的巨大潛力，并為后續(xù)研究提供了寶貴經(jīng)驗。隨著技術(shù)成熟和成本降低，熱能采集技術(shù)有望在更多城市軌道交通中推廣，推動交通系統(tǒng)向綠色、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展，助力環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)實現(xiàn)。

1. 3 太陽能采集

太陽能作為一種清潔、可再生的能源，在城市軌道交通領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。有研究人員針對鐵路沿線的特定環(huán)境，設(shè)計了基于微型逆變器和去耦光伏組件的新型解決方案［7］。該方案有效解決了車頂光伏板面臨的朝向、移動和陰影問題，顯著提高了太陽能采集效率。實驗證明，該方案相比傳統(tǒng)技術(shù)，能量產(chǎn)量提升高達23%，從2% 躍升至25%，為城市軌道交通的綠色能源應(yīng)用開辟了新的道路。

該研究不僅驗證了太陽能技術(shù)在城市軌道交通中的高效性和可行性，更為未來研究和應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)支撐［8-9］。他們揭示了太陽能技術(shù)在多式聯(lián)運中的廣闊前景，結(jié)合其他綠色技術(shù)，推動城市交通向綠色、低碳轉(zhuǎn)型。這一創(chuàng)新為城市軌道交通的能源利用和節(jié)能技術(shù)注入了新活力，不僅促進能源回收和循環(huán)利用，減少對傳統(tǒng)能源的依賴，還成為推動綠色交通發(fā)展的重要途徑。隨著技術(shù)進步和成本降低，太陽能技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用將更加廣泛，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

2 城市軌道交通能源利用與能源節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究

2. 1 城軌交通系統(tǒng)用分布式光伏-儲能供電系統(tǒng)方案

能源節(jié)能技術(shù)路線和光伏發(fā)電接入城市軌道交通系統(tǒng)后不同供電模式對比見表1。

從上述表1 可以分析出，在城市軌道交通中，光伏發(fā)電通過不同的供電模式為直流牽引供電系統(tǒng)注入綠色能源。模式一和二雖在高壓側(cè)并網(wǎng)，但模式一適合遠(yuǎn)距離供電，如車輛段停車場，然而長距離輸電會帶來損耗。而模式三簡便易用，適用于高架車站、高架區(qū)間和地下站出入口，因其投資成本低且經(jīng)濟效益顯著。模式四則直接接入牽引側(cè)，結(jié)合儲能技術(shù)確保供電穩(wěn)定。

鑒于牽引網(wǎng)電壓波動大及列車高峰負(fù)荷重，光伏直接接入直流牽引網(wǎng)不僅提升了電能質(zhì)量，還通過智能控制策略優(yōu)化了能量流動。車輛段/停車場因其開闊空間，成為光伏大規(guī)模接入的理想選擇。高架車站雖接入面積受限，但隨著擴建，已具備為列車供電的潛力。有效利用面積決定了光伏電能的規(guī)模，當(dāng)面積足夠時，光伏電能將助力城市軌道交通實現(xiàn)綠色、高效的能源利用。

2. 2 多分布式光伏-儲能系統(tǒng)協(xié)同控制策略

在城市軌道交通系統(tǒng)中，高效管理多光伏-儲能系統(tǒng)、牽引變電所與列車間的能量交互對于節(jié)能穩(wěn)壓具有重要意義。傳統(tǒng)的下垂控制方法因固定的下垂系數(shù)，難以適應(yīng)初始荷電狀態(tài)（SOC）不均衡的多儲能系統(tǒng)，可能導(dǎo)致儲能設(shè)備性能受損。

為此，本文提出了一種創(chuàng)新的改進型下垂控制策略，該策略特別考慮了SOC 的均衡性。通過引入動態(tài)下垂系數(shù)，我們實現(xiàn)了SOC 與充放電下垂系數(shù)的動態(tài)調(diào)整。具體而言，當(dāng)儲能設(shè)備處于充電狀態(tài)時，SOC 較低的設(shè)備將獲得更高的充電優(yōu)先級，即充電下垂系數(shù)與SOC 呈負(fù)相關(guān)；而在放電狀態(tài)下，SOC 較高的設(shè)備將優(yōu)先放電，即放電下垂系數(shù)與SOC 呈正相關(guān)。

這種動態(tài)調(diào)整方式允許我們通過靈活設(shè)置調(diào)速因子v，根據(jù)儲能設(shè)備的實時SOC 狀態(tài)來優(yōu)化功率分配。這樣，不僅確保了所有儲能設(shè)備在安全、高效的范圍內(nèi)運行，還顯著提高了系統(tǒng)整體的能量利用率和穩(wěn)定性。

仿真實驗驗證了這一策略的有效性。與傳統(tǒng)方法相比，改進型下垂控制不僅大幅降低了線路損耗，還實現(xiàn)了SOC 的均衡管理。線路損耗與調(diào)速因子呈正相關(guān)，表明可以通過調(diào)整調(diào)速因子來進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。此外，該策略展示了系統(tǒng)在能量流動管理上的高度靈活性，為城市軌道f372e5394c7dabb58d0d5785bb4559bd交通的能源利用與節(jié)能提供了有力的技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

在全球倡導(dǎo)使用綠色、低碳能源的背景下，城市軌道交通在能源技術(shù)方面取得了重要進展。風(fēng)能、熱能、太陽能等可再生能源的引入，為軌道交通系統(tǒng)注入了新動力。其中，分布式光伏-儲能供電系統(tǒng)以其高效、環(huán)保特性，成為城市軌道交通的重要選擇。該系統(tǒng)不僅減輕了供電壓力，還提高了能效。此外，多系統(tǒng)的協(xié)同控制策略確保了能量的優(yōu)化流動和系統(tǒng)穩(wěn)定。展望未來，隨著技術(shù)創(chuàng)新，城市軌道交通在能源利用和節(jié)能方面將繼續(xù)取得突破，為實現(xiàn)綠色交通和低碳生活目標(biāo)做出更大貢獻，為全球可持續(xù)發(fā)展注入新動力。

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