基于超级电容储能的城轨供电系统效能提升*论文

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　　摘要：城市轨道交通具有站间距离短、行车密度高等特点， 列车在运营过程中会频繁地启动和制动， 产生可观的制动能量。本文 针对制动能量的再生利用效率提升问题， 提出了一种基于超级电容储能装置和全线规划布置的超级电容地面储能系统， 对其系统 节能能力、牵引网稳压能力进行研究。首先， 针对超级电容储能装置从单体级、模组级到系统级进行了设计; 接着， 以实际线路 为例， 从变电所输出功率、直流侧电压以及系统运营总能耗 3 个方面在 MATLAB/Simulink 平台上进行节能仿真。仿真结果表明， 超 级电容地面储能系统能够有效地降低城市轨道交通系统运营能耗， 节能率可达12.78%， 同时稳压效果明显， 电压波动幅度由290 V 减 小至 190 V， 提升了牵引供电系统的供电安全性。

　　2. Ningbo CRRC New Energy Technology Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315112. China; 3. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082. China;

　　4. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044. China)

　　Abstract: Urban rail transit has the characteristics of short distance between stations and high traveling density, which makes the train start and brake frequently during operation and generates considerable regenerative braking energy . In this paper, a super capacitor ground energy storage system based on super capacitor energy storage device and full-line planning arrangement is proposed for the regenerative use efficiency improvement of braking energy, and its system energy saving capability and traction network voltage stabilization capability are studied. Firstly, the super capacitor energy storage device is designed from single unit level, module level to system level; then, taking the actual line as an example, an energy-saving simulation is conducted on MATLAB/Simulink platform in three aspects: substation output power, DC-side voltage, and total energy consumption for system operation. The simulation results show that the super capacitor ground energy storage system can effectively reduce the energy consumption of urban rail transit system with energy saving rate up to 12.78%, while the voltage stabilization effect is obvious, the voltage fluctuation amplitude is reduced from 290 V to 190 V, and the power supply safety of traction power supply system is improved.

　　Key words: urban rail transit; super capacitor; regenerative braking; ground energy storage; planning configuration

　　0 引言

　　现代社会人口数量多， 汽车保有量也逐渐达到饱和， 交通拥堵已成为一种社会现象， 严重影响了人们的出行 效率[1-2]。同时， 在全球能源危机以及环境问题日益突 出的大背景下， 我国提出了“双碳”目标战略， 倡导节 能减排、绿色发展。汽车交通的碳排放量占比约为总体 碳排放的 20%， 是节能减排工作的一座“大山” [3-4]。 相较于汽车， 城市轨道交通作为一种公共交通， 载客量 大且行驶效率高， 按照同等运力计算， 其耗能仅为汽车的 1/9[5]。为了实现节能环保的目标， 同时提高人们的出 行效率， 城市轨道交通正在快速发展。

　　城市轨道交通的总牵引能耗约占总运营能耗的 50%， 总制动能耗又占总牵引能耗的 30%~40%， 量级相当可 观[6]。为了利用列车制动能量， 现有的列车都采用再生 制动方案[7]， 当列车制动时， 牵引电机作为发电机使用， 将列车的动能转换为电能回送至牵引网。但对于实际情 况而言， 制动时产生的大量能量无法被牵引列车及时吸 收， 从而导致牵引网电压升高， 增加牵引网故障率， 影响牵引供电系统的安全运行[8]。因此， 需要设置一种再 生制动能量吸收装置， 以有效地吸收或者耗散多余的能 量， 从而稳定牵引网的电压， 提高能源利用率。

　　目前常用的几类再生制动能量吸收装置主要包括电 阻耗能型、逆变回馈型和器件储能型[9- 10]。电阻耗能型 是将多余的再生制动能量通过电阻转换为热能消耗掉， 并未实现能量的回收利用， 还会对环境释放大量的热能， 正逐步被淘汰[11]。逆变回馈型是将制动能量通过逆变装 置回馈到交流电网， 虽然效率高， 但是其能量回馈回路 经过供电系统， 若出现故障会影响整体的供电， 安全性 有待提高[12]。器件储能型包括超级电容型、飞轮型和电 池型等， 均可以将制动能量吸收储存， 并在列车启动时 释放能量， 是未来的发展方向[13]。其中飞轮型因为维护难 度大、成本过高等原因很难实现工程化应用，电池型则由 于功率密度较小， 不适合在城市轨道交通中大规模应用。 相较之下，超级电容型以其瞬时功率大、使用寿命长、可 频繁充放电等优点在国内外城市轨道交通上得以大量的应 用[14- 15]， 学者们也对超级电容型储能技术在城市轨道交通 中的发展进行广泛研究[16- 18]。但是目前大多数研究都是针 对储能装置本身的优势如节能能力、稳压能力等，并未考 虑超级电容储能装置与变电所之间能量输入、输出的联动 性， 即超级电容释放能量辅助变电所牵引供电的能力， 也未对不同发车间隔下储能系统的节能水平进行研究。

　　为了更好地实现城市轨道交通节能环保目标， 本文 提出了一种超级电容地面储能系统， 并对其节能能力、 稳压能力以及与变电所的能量联动能力等进行研究。具 体工作为： 首先对超级电容储能装置进行原理分析和系 统设计， 然后以额定电压 DC 750 V 的实际线路为例， 从 变电所输出功率、直流侧电压以及系统运营总能耗 3 个方 面进行节能仿真， 以求减少全线总体能耗， 降低运营成本。

　　1 超级电容储能装置系统设计

　　考虑到不同城市轨道交通线路的供电条件不同， 因 此不同线路的储能装置系统设计需求参数也会有差异。 为了适配不同的交通线路， 减少设计工作量， 本文先提 出单元柜的概念， 即一个单元柜的功率为 0.5 MW， 容量 为 47.7 F。然后根据实际需求将单元柜之间通过串并联 的方式进行连接， 达到目标需求参数。

　　1.1 超级电容单体选型

　　参考工程经验以及大多数城市轨道交通的应用工况，本文选用 2.7 V/3 000 F 的超级电容单体， 如图 1 所示。该超级电容器具有高功率密度、低内阻、循环寿命长、绿色环保、免维护等特性，在 25 ℃， 循 环 电 压 1.35 ~2.7 V 的条件下， 循环寿命可以达到 100 万次或 10 a。单 体参数如表 1 所示。

　　1.2 超级电容模组选型

　　根据单元柜的参数要求和超级电容单体的参数确定超级电容模组配置。本文选用 MDCL2000C0-0016R0WLA 超级电容器模组， 该模组总共包含 24 支超级电容器单体， 串并联方式为 4 并 6 串 (4P-6S， 其中 P 代表 并联， S 代表串联)， 如图 2 所示。此外， 模组中还包含 均衡电路板、采集线束、温度传感器及结构件。均衡电 路板安装在模组正面， 可以监控超级电容单体电压、模 组温度等信息， 并将这些信息通过 CAN 总线上报至主控 系统， 由主控系统统一进行数据处理并下发相应的动作 指令。同时该均衡电路板具有单体电压均衡功能， 可以 有效减小单体间电压差， 提高单体容量利用率， 延长产 品使用寿命。 MDCL2000C0-0016R0WLA 超级电容器模 组已广泛应用于轨道交通再生制动能量回馈系统、重型 机械、储能式充电站等领域。模组参数如表 2 所示。

　　通过采用 44 套上述超级电容器模组， 以 44 串1 并的 形式组成储能单元再配套接触器、熔断器、 HMI、消防、 CMS 等装置来组成一套独立的 0.5 MW 功率标准柜。

　　1.3 储能单元柜设计

　　超级电容型储能系统采用单元柜设计理念， 单元柜 采用前后两面双开门的形式， 如图 3 所示。正面门板上布置有电压表、 HMI 显示屏、急停开关及若干指示灯、 按钮。前后门板下部布置有进气滤网， 滤网采用卡扣的 形式固定在门板上， 可以在不开门的情况下拆卸、更换 滤网。单元柜参数如表 3 所示。

　　超级电容模组采用抽屉式的形式布置在机柜内; 机 柜顶部及中部各布置有 6台风机， 用于系统的散热; 机 柜中部布置有温湿度控制器及气溶胶灭火装置， 用于系 统内部湿度控制及火灾险情的消除; 机柜底部布置系统 的对外正、负极接线排、接地点及 CMS 控制器。

　　在单元柜设计完成后， 可以根据不同的交通线路的 供电条件以及实际储能系统的设计方案， 对单元柜进行 串并联连接， 实现不同功率的储能装置系统。

　　2 超级电容地面储能系统节能仿真

　　为了体现超级电容地面储能系统的节能能力、稳压 能力以及与变电所的能量联动能力， 以实际线路为例， 基于 MATLAB/Simulink 平台进行节能仿真， 对比加装储 能装置前后的能耗情况。

　　加装超级电容储能装置系统后， 其车站及其牵引变 电站的储能装置详细容量配置如表 4 所示。然后基于上 述储能装置容量配置， 对变电所的输出功率、直流侧电 压以及不同发车间隔下变电所输出能量的数据进行了对 比分析。

　　2.1 变电所输出功率分析

　　安装储能装置前后各变电站输出功率对比如图 4 所示， 取其中 10 个变电所的结果进行分析。

　　可以看出， 各站变电所输出功率都有不同程度的减 小， 尤其是出力高峰时期， 安装储能装置后通州北苑站、 梨园站和土桥站在出力高峰时期变电所输出功率减小约一半， 体现了优秀的节能能力， 也体现了该储能系统与 变电所之间的能量联动能力。另外， 储能装置在减小变 电所输出功率的同时， 还减少了牵引机组高负载工作的 时间， 有利于降低设备故障率和延长设备寿命。

　　2.2 变电所直流侧电压分析

　　安装储能装置前后各变电站直流侧电压情况如图 5 所示。

　　可以看出， 当未配置储能装置时， 各站电压波动 范围在 DC 670~960 V 之间， 相对于额定电压波动范围 为[- 10.67%， +28%]; 当配置储能装置后， 各站电压波 动范围在 DC 710~900 V 之间， 相对于额定电压波动范围 为[-5.33%， +20%]， 波动范围由 38.67% 减小至 25.33%， 直流侧网侧电压质量明显改善， 稳压效果明显。

　　2.3 不同发车间隔下变电所输出能量分析

　　未安装储能装置和投入储能装置情况下， 各发车间 隔变电所输出能量、储能装置充放电量、系统能耗以及 制动电阻能耗值分别如表 5~6 所示。可以看出， 在投入 储能系统后， 各发车间隔下的变电所输出能量和系统能 耗值明显降低。这是因为储能系统在列车制动时吸收的 能量在列车起动时释放出来辅助变电所牵引供电， 降低 了变电所实际输出的能量。同时， 从表中也能看出， 在投入储能系统后， 原消耗在制动电阻的能量大大减少， 更多的制动能量被储能系统吸收， 得以利用。

　　接着提取提升列车运量后的平日和双休列车运行图， 针对不同发车间隔进行全线仿真， 得到各发车间隔下安 装储能系统前后的系统能耗数据。调整运行图后平日、 双休不同发车间隔下系统能耗和频次统计如表 7~8 所示。

　　从表中可以看出， 在安装储能系统后， 各发车间隔 下的系统能耗值明显降低， 且发车间隔较大情况下节能 效果相较于发车间隔较小时更加明显。结合上述数据以 及不同发车间隔在实际运行中的分布测算。未安装储能 系统时， 折合至平日每日系统能耗为 63 355.61 kWh， 双 休每日系统能耗为 58 214.75 kWh; 安装储能系统后， 折 合至平日每日系统能耗为 55 653.49 kWh， 双休每日系统 能耗为 49 788.08 kWh; 节能率可达 12.78%。

　　3 结束语

　　本文提出了一种基于超级电容储能装置和轨道全线 规划布置的超级电容地面储能系统方案。首先， 根据工 程经验以及大多数城市轨道交通的应用工况对超级电容 储能装置进行系统设计， 提出了单元柜的概念。然后， 以具体线路为例， 设置一种储能装置配置方案并从节能 能力、稳压能力以及与变电所的能量联动能力方面进行 节能仿真。仿真结果表明， 全线布置超级电容地面储能系统后能够有效降低城市轨道交通的系统能耗， 节能率 可达 12.78%， 且有效稳定供电电压， 提升牵引供电系统 的供电安全。

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