池年虎周巧蓮

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上海∥第一作者，研究生）

西門子運輸系統(tǒng)儲能裝置的特性

池年虎1周巧蓮2

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上?！蔚谝蛔髡?，研究生）

介紹了西門子運輸系統(tǒng)儲能裝置（SITRASSES）的運行模式和工作原理，對儲能裝置的動態(tài)響應(yīng)特性曲線進(jìn)行分析。介紹了SITRASSES節(jié)能效果的仿真計算和仿真結(jié)論，得出SITRASSES的節(jié)能優(yōu)點，可為牽引供電專業(yè)的節(jié)能方案提供相應(yīng)選擇。

軌道交通；牽引系統(tǒng)；西門子；儲能裝置

First-author'saddressRailway and Urban Mass Transit Research Institute，Tongji University，201804，Shanghai，China

在軌道交通系統(tǒng)中，當(dāng)列車再生制動時，牽引系統(tǒng)會將再生能量回饋給牽引電網(wǎng)。如果沒有能量儲存裝置，這部分再生制動能量只有當(dāng)附近有列車加速時，才能加以利用。為了充分利用這個再生制動能量，西門子智能電網(wǎng)集團(tuán)開發(fā)了西門子運輸系統(tǒng)儲能裝置（Siemens Transportation System Stationary Energy System，簡為SITRAS SES），其核心技術(shù)是雙層電容器及其控制。SITRAS SES可以將軌道交通中車輛的再生制動能量加以優(yōu)化利用，可以實現(xiàn)能量的快速存儲或釋放，從而使列車間能量的完全交換成為可能。此外，儲能裝置還可以起到穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓的作用，以改善牽引供電網(wǎng)的質(zhì)量。

1 SITRASSES簡介

SITRASSES由主回路設(shè)備、雙層電容器監(jiān)測單元和控制系統(tǒng)等組成。圖1為SITRASSES電路示意圖。

1.1 主回路設(shè)備

主回路設(shè)備的組成及其功能如下。

1）高速斷路器（Q01）：用于接通和斷開儲能裝置與牽引供電系統(tǒng)的連接，具有快速過流響應(yīng)的特性。

2）預(yù)充電電路（K01，F(xiàn)01，R01）：對直流母排電容進(jìn)行充電；控制系統(tǒng)對預(yù)充電過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)預(yù)充電過程發(fā)生故障時，SITRAS SES的啟動過程將被中斷。

3）變流器（A01，A02）：2臺變流器并聯(lián)連接，A01為主模塊，A02為從模塊。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）驅(qū)動電路的控制器集成于A01中，此控制器接收來自系統(tǒng)的充、放電指令，實現(xiàn)儲能裝置充、放電功能。

4）電抗器（L01，L02，L03）：L01為進(jìn)線電抗器，減小來自供電系統(tǒng)電網(wǎng)震蕩的影響；L02，L03為平波電抗器，減少變流器輸出諧波對雙層電容組的影響。

5）接觸器（Q02，Q03）：用于接通和斷開雙層電容器與主回路的連接，受控制系統(tǒng)監(jiān)控。

6）雙層電容器（C11，…，C65）：多個電容器集成于電容器模塊ESM 125，形成2套儲能單元，存儲列車制動時產(chǎn)生的再生能量。

7）放電接觸器（K21，…，K26）：系統(tǒng)正常工作時，放電接觸器為閉合狀態(tài)；當(dāng)需要對雙層電容器放電時，放電接觸器斷開。

圖1 SITRASSES電路示意圖

8）放電電阻（R21，R22）：當(dāng)雙層電容器的電壓超過電壓上限時，雙層電容器通過放電接觸器對放電電阻進(jìn)行放電。

9）保護(hù)熔斷器（F41，…，F(xiàn)53）：當(dāng)發(fā)生過流、內(nèi)部絕緣故障或變流器短路時，保護(hù)熔斷器斷開，以保護(hù)雙層電容器。

10）風(fēng)扇（M01，M02，M03）：可以通過強(qiáng)迫風(fēng)冷對變流器和雙層電容器進(jìn)行冷卻，其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有快、慢2個等級。

SITRASSES的核心部件為雙層電容器。圖2為MasWell公司的K2系列雙層電容器。雙層電容器集成在抽屜緊湊型的電容器模塊ESM 125中（見圖3）。各個ESM 125模塊由48個雙層電容器串聯(lián)組成，4個ESM 125模塊串聯(lián)連接形成1組，3組ESM 125模塊再并聯(lián)形成了1套儲能單元。SITRASSES有2套獨立的儲能單元，分別與2臺變流器相接。機(jī)柜中電容器模塊ESM 125的分布見圖4。

MasWell公司K2系列電容器為2.7 V、3 000 F雙層電容器。單個電容器的最大工作電壓為2.7 V，1套儲能單元充滿電后的最高電壓為518.4 V。2套儲能單元的全部電容器數(shù)量為1 152個，總電容為94 F，最大存儲能量為80 kWh。雙層電容器具有很多突出的優(yōu)點：它的使用壽命長、效率高，具有非常強(qiáng)的反復(fù)充電能力；雙層電容器可以真正做到免維護(hù)，這點較飛輪儲能裝置而言，具有無可比擬的優(yōu)勢。雙層電容器的電能儲存能力在短時間內(nèi)既可以成比例遞增，也可以直線下降。這種特征決定了SITRAS SES可以與軌道交通系統(tǒng)的動態(tài)要求完美地匹配。

圖2 雙層電容器

圖3 抽屜緊湊型電容器模塊ESM 125

1.2 雙層電容器監(jiān)測單元

監(jiān)測單元（D11，D12）：監(jiān)測單元通過控制器局域網(wǎng)（CAN）總線與所有雙層電容器連接，實現(xiàn)對各個雙層電容器狀態(tài)的監(jiān)測。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由SIMATIC PC和SIMATIC Flat Panel（觸摸屏）組成?？刂葡到y(tǒng)除了對SITRAS SES的集中管理和控制外，還有以下主要監(jiān)測功能：

1）過壓監(jiān)測：兩套儲能單元都安裝了過壓繼電器，如果雙層電容器超出整定電壓，過壓繼電器將斷開主回路中接觸器Q02、Q03，并且開始對雙層電容器放電。

2）絕緣故障檢測：柜體構(gòu)架必須與供電變電站的接地網(wǎng)絡(luò)相連，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測出有對地的電流時，整個裝置將被關(guān)斷。

3）狀態(tài)監(jiān)測：①相關(guān)接觸器的狀態(tài)監(jiān)測；②相關(guān)電壓、電流的狀態(tài)監(jiān)測；③冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測。

2 SITRASSES的運行模式和工作原理

SITRASSES具有2種運行模式：穩(wěn)定網(wǎng)壓運行模式和節(jié)能運行模式。2種運行模式的工作原理相似，SITRAS SES可以在這2種運行模式之間自動切換，以適應(yīng)不同的運行需求。

1）穩(wěn)定網(wǎng)壓運行模式：在這種運行模式下，SITRASSES儲存的能量始終保持在高水平，只有當(dāng)牽引網(wǎng)壓低于規(guī)定值時，它才向牽引網(wǎng)釋放電能。

2）節(jié)能運行模式：在這種運行模式下，SITRAS SES吸收列車制動時的能量，存儲在儲能介質(zhì)中。在隨后有列車加速時，SITRAS SES再將儲存的能量向牽引供電系統(tǒng)釋放出來。

SITRASSES的進(jìn)線輸入來自牽引供電系統(tǒng)，所以SITRASSES工作時的重要信號源是牽引線網(wǎng)電壓。其充放電曲線示意見圖5所示。當(dāng)列車制動時，線網(wǎng)電壓上升，SITRAS SES吸收能量；當(dāng)列車牽引時，線網(wǎng)電壓下降，SITRASSES釋放能量。

圖5 SITRASSES充放電曲線示意圖

SITRAS SES能實時監(jiān)測牽引線網(wǎng)電壓，并計算2個數(shù)值：線網(wǎng)電壓平均值，線網(wǎng)電壓瞬時值與平均值的差值。

1）當(dāng)牽引供電系統(tǒng)運行處于無載荷工況時，SITRASSES計算線網(wǎng)電壓的平均值，此平均值將作為其控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參考值。

2）若線網(wǎng)電壓瞬時值與平均值的差值超出充電電壓閥值，并呈上升趨勢時，SITRASSES對雙層電容器組進(jìn)行充電。充電電流取決于可參數(shù)化的充電斜率和最大充電電流。

3）若線網(wǎng)電壓瞬時值與平均值的差值超出放電電壓閥值，并呈下降趨勢時，SITRAS SES從雙層電容器組釋放電能。放電電流取決于可參數(shù)化的放電斜率和最大放電電流。

上述為SITRAS SES節(jié)能運行模式的工作原理。穩(wěn)壓運行模式的工作原理與節(jié)能運行模式非常相似。為了確保SITRASSES的能量處于較高的水平，以便在牽引網(wǎng)壓大幅度下降時，可以為牽引供電系統(tǒng)提供最大的電能，所以，當(dāng)線網(wǎng)電壓瞬時值與平均值的差值超出放電電壓閥值時，必須對雙層電容器組進(jìn)行持續(xù)的、恒定功率的充電。

3 SITRASSES的動態(tài)響應(yīng)特性

3.1 穩(wěn)定網(wǎng)壓運行模式的動態(tài)響應(yīng)

圖6為SITRASSES在穩(wěn)定網(wǎng)壓運行模式下的動態(tài)響應(yīng)特性曲線。在時間點t1由于線路上有若干列列車同時加速，造成牽引網(wǎng)電壓Us下降到臨

界值之下；SITRAS SES開始啟動穩(wěn)定網(wǎng)壓運行模式，持續(xù)向牽引網(wǎng)釋放足夠的電能（此時SITRAS SES的充電電流ISES為負(fù)），直到時間點t2，以維持系統(tǒng)電壓不低于510 V。一旦列車完成加速過程，牽引網(wǎng)電壓開始上升，SITRASSES就開始充電；此時的充電過程既可以由線路上列車的再生制動能量充電，也可以由直流變電所的牽引供電設(shè)備充電。圖6中的時間點t3和t4顯示，在列車輛制動時SITRASSES的充電電流快速上升，儲能WSES也進(jìn)一步提高。

圖6 SITRASSES在穩(wěn)定網(wǎng)壓運行模式下的動態(tài)響應(yīng)特性

3.2 節(jié)能運行模式的動態(tài)響應(yīng)

圖7為SITRASSES節(jié)能運行模式下的動態(tài)響應(yīng)特性曲線。時間點t1在供電區(qū)間3有一列車加速，其牽引電流I3為正；SITRASSES持續(xù)向牽引網(wǎng)釋放電能，WSES減小，ISES為負(fù)。時間點t2在供電區(qū)間2有1列車制動，其牽引電流I2為負(fù)；SITRAS SES充電，WSES增加，ISES為正。時間點t3在供電區(qū)間1有1列車制動，I1為負(fù)；SITRAS SES充電，ISES為正。時間點t4在供電區(qū)間1仍然有1列車制動，在供電區(qū)間4有1列車在加速；SITRASSES立刻從充電儲能運行狀態(tài)切換為釋放能量運行狀態(tài)，WSES減小，ISES為負(fù)。

4 節(jié)能效果的仿真計算

為研究如何充分發(fā)揮節(jié)能特性使其達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果，西門子公司智能電網(wǎng)部門的工程師們開發(fā)了節(jié)能效果評估的仿真計算工具。此仿真計算工具以車輛類型、列車最高運營速度、車站分布和運營時刻表等相關(guān)參數(shù)作為輸入，得出SITRAS SES在線路上安裝的最佳位置，從而為節(jié)能方案提供參考。如圖8為典型直流750 V的2條輕軌線路的仿真計算實例。其具體輸入?yún)?shù)如下：

1）2條線路每年總能耗：7 053 MWh。

2）2條線路情況：①線路1長10 km，有19座車站；②線路2長5 km，有13座車站。

3）車輛類型：Combino Plus。

4）列車最高運營速度：70 km/h。

5）每列車（3節(jié)車輛）能耗：25 kW。

6）運營時刻表：①線路1，每天運行6.5 h，10 min一班；②線路2，每天運行12.5 h，20 min一班。

圖8所列2條輕軌線路仿真計算的節(jié)能效果如表1所示。由表1可知，SITRAS SES的節(jié)能效果取決于其安裝的位置和列車運營的密度。本仿真計算中，SITRAS SES安裝在2條線路交叉處并為20 min一班車的行車密度時可取得最佳的節(jié)能效果。

表1 SITRASSES節(jié)能效果仿真計算結(jié)果MWh/年

圖7 SITRASSES在節(jié)能運行模式下的動態(tài)響應(yīng)特性

圖8 某兩條輕軌線路的SITRASSES安裝分布圖

5 結(jié)語

在當(dāng)今節(jié)能減排的大背景下，為了降低城市軌道交通運行的電能消耗，各個專業(yè)領(lǐng)域都在制定和實施節(jié)能措施來完成節(jié)能的指標(biāo)。SITRAS SES的節(jié)能特性，可為牽引供電專業(yè)節(jié)能方案的制定提供參考。北京地鐵5號線于2006年開始安裝應(yīng)用SITRASSES。

［1］ 趙立峰，張發(fā)明.北京地鐵5號線再生電能吸收裝置［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2008（1）：6.

［2］ 陳勇，羅銳鑫.城市軌道交通再生制動能量吸收方式的研究［J］.城市軌道交通研究，2012（8）：157.

Characteristics of Siemens Transportation System Stationary Energy System

Chi Nianhu，Zhou Qiaolian

The operation mode and working principle of Siemens Transportation System Stationary Energy System（SITRAS SES）is introduced，the character curve of SITRASSES dynamic response is analyzed.Then，the simulation calculation and aconclusion of the energy saving effect of SITRASSESare introduced，its advantage in energy saving is summarized.SITRAS SES it could provide corresponding selection of energy saving schemes in tractive power supply system.

rail transit；traction system；Simens；stationary energy system

U 270.35.9

2014-03-31）