安 秋 穎

(大連地鐵運(yùn)營(yíng)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(yùn)量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演著越來(lái)越重要的角色。地鐵具有站間運(yùn)行距離短、運(yùn)行速度較高、啟動(dòng)及制動(dòng)頻繁等特點(diǎn)。目前城市軌道交通地鐵車輛普遍采用車載電阻制動(dòng)的方式，當(dāng)列車電制動(dòng)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量不能被線網(wǎng)中的負(fù)載吸收導(dǎo)致線網(wǎng)電壓過(guò)高時(shí)，可通過(guò)使用車載電阻制動(dòng)將多余的再生制動(dòng)能量消耗。一般城市軌道交通再生制動(dòng)能量可達(dá)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(dòng)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(dòng)能量回收裝置，不但可以回收再生制動(dòng)能量，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還可以間接解決單純使用車載制動(dòng)產(chǎn)生的上述問(wèn)題，提高供電系統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)供電系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。

1 再生制動(dòng)能量回收裝置簡(jiǎn)介

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

1.1 儲(chǔ)能型裝置

儲(chǔ)能型裝置沒(méi)有直流變交流的逆變環(huán)節(jié)，將再生制動(dòng)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(wèn)題，因此具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。圖1為儲(chǔ)能型裝置的工作原理。

圖1 儲(chǔ)能型裝置工作原理

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

飛輪儲(chǔ)能型裝置的儲(chǔ)能單元采用飛輪形式，有再生制動(dòng)能量需要吸收時(shí)，飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，以機(jī)械能形式儲(chǔ)存能量；當(dāng)需要輸出能量時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，再將機(jī)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(chǔ)能型裝置與超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置一致，通過(guò)雙向DC/DC變換器吸收能量時(shí)，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(chǔ)到電池或超級(jí)電容器中。其中電池儲(chǔ)能型裝置是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置不存在不同能量之間的轉(zhuǎn)換，僅有不同電勢(shì)的變換。當(dāng)需要輸出能量時(shí)，雙向DC/DC變換器再將電池或超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量變換成電壓，輸出至供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)中。電池儲(chǔ)能型裝置在日本、韓國(guó)有應(yīng)用，國(guó)內(nèi)北京地鐵八通線也有試點(diǎn)應(yīng)用。由于電池儲(chǔ)能型裝置能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)多使用鋰電池，在供電系統(tǒng)維護(hù)使用方面不如雙電層超級(jí)電容器安全便捷，目前在國(guó)內(nèi)尚未推廣應(yīng)用。超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置在國(guó)內(nèi)的北京地鐵8號(hào)線、香港機(jī)場(chǎng)線已批量配置，并已穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。此外，在北京、青島、蘇州、無(wú)錫、廣州等多個(gè)城市的地鐵供電系統(tǒng)中也有試點(diǎn)應(yīng)用。除了傳統(tǒng)的雙電層超級(jí)電容器用作儲(chǔ)能元件外，青島地鐵8號(hào)線使用電池型超級(jí)電容器作為其能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，該類型超級(jí)電容器性能介于鋰電池和雙電層超級(jí)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(guò)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(guó)內(nèi)未得到推廣使用。而中壓能饋型裝置因其價(jià)格適中，裝置功率沒(méi)有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)限制，瞬時(shí)功率大，在國(guó)內(nèi)已得到推廣應(yīng)用。

能饋型裝置再生制動(dòng)能量回收的原理為：當(dāng)車輛的再生制動(dòng)能量導(dǎo)致供電系統(tǒng)線網(wǎng)電壓超過(guò)能饋型裝置的啟動(dòng)值時(shí)，DC/AC三相逆變器啟動(dòng)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(dòng)力照明用電消耗或由同段母線中其他變電所的整流機(jī)組用電消耗。當(dāng)某時(shí)刻供電系統(tǒng)中電能回饋總功率大于用電總負(fù)荷時(shí)，會(huì)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(dá)30%，會(huì)對(duì)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(jiàn)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(chǔ)能型裝置相比，其應(yīng)用時(shí)涉及到交流電網(wǎng)的繼電保護(hù)，相對(duì)復(fù)雜；能饋型裝置與交流電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波注入到既有的交流電網(wǎng)中，可能會(huì)影響中壓電網(wǎng)乃至城市電網(wǎng)的供電質(zhì)量，而儲(chǔ)能型裝置僅與直流電網(wǎng)存在電氣關(guān)聯(lián)，對(duì)外部電網(wǎng)沒(méi)有影響；能饋型裝置的節(jié)能去向難以統(tǒng)計(jì)，而儲(chǔ)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(chǔ)能型裝置和能饋型裝置，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和能量回饋；二是在整條地鐵線路的不同站點(diǎn)分別布置儲(chǔ)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(chǔ)能型裝置和能饋型裝置的混合型裝置目前尚未見(jiàn)應(yīng)用。而在整條地鐵線路的不同站點(diǎn)分別布置儲(chǔ)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(chǔ)能型裝置成本高、體積大的問(wèn)題，能以較為經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回收利用。目前在無(wú)錫地鐵1號(hào)線、蘇州地鐵2號(hào)線、青島地鐵8號(hào)線、北京地鐵8號(hào)線等線路均有試點(diǎn)應(yīng)用。

2 再生制動(dòng)能量回收裝置節(jié)能影響因素分析

在應(yīng)用過(guò)程中，影響其再生制動(dòng)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(dòng)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(yùn)行圖、季節(jié)因素、裝置的啟動(dòng)閾值及裝置的容量等方面對(duì)比分析不同因素對(duì)再生制動(dòng)能量回收裝置節(jié)電量的影響，并從潮流仿真計(jì)算角度分析驗(yàn)證能饋型裝置和儲(chǔ)能型裝置結(jié)合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

2.1 運(yùn)行圖因素影響分析

經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理的規(guī)劃運(yùn)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(dòng)時(shí)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(dòng)能量。

以青島地鐵3號(hào)線為例，自2017年4月27日與5月6日起分別對(duì)工作日和周末高峰期的發(fā)車間隔進(jìn)行了調(diào)整，增加了高峰期的發(fā)車對(duì)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(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 青島地鐵3號(hào)線高峰期發(fā)車間隔調(diào)整前后對(duì)比圖

由圖3(a)可以看出，在原運(yùn)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(huì)堂站存在多車同時(shí)制動(dòng)的情況，在此工況下列車可回收的再生制動(dòng)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(dòng)時(shí)，在江西路站、中山公園站存在多車同時(shí)牽引的情況，在此工況下鄰車吸收再生制動(dòng)能量效果較好，再生制動(dòng)能量回收裝置可回收的再生制動(dòng)能量較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在運(yùn)行圖調(diào)整前超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置日均節(jié)電量為1 100 kW·h，運(yùn)行圖調(diào)整后日均節(jié)電量?jī)H約600 kW·h，可回收再生制動(dòng)能量減少約50%。

2.2 季節(jié)因素影響分析

經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在相同運(yùn)行圖下同一地鐵線路不同季節(jié)也可引起再生制動(dòng)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(kāi)啟會(huì)引起線網(wǎng)中可回收利用的再生制動(dòng)能量減少，列車輔助功率的大小也會(huì)影響線路再生制動(dòng)能量回收裝置的節(jié)電量。

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

圖4 2019年無(wú)錫地鐵天一站儲(chǔ)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(chǔ)能型裝置的日均節(jié)電量比其他季度明顯減少，分析原因?yàn)橄募玖熊嚳照{(diào)開(kāi)啟，列車輔助功率大，線路鄰車之間吸收再生制動(dòng)能量的效果明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致線網(wǎng)區(qū)間可回收的再生制動(dòng)能量減少。

2.3 裝置啟動(dòng)閾值對(duì)節(jié)能影響分析

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

圖5 不同啟動(dòng)閾值時(shí)儲(chǔ)能型裝置日均節(jié)電量

通過(guò)研究分析無(wú)錫地鐵天一站儲(chǔ)能型裝置在相同運(yùn)行圖、不同啟動(dòng)閾值時(shí)的節(jié)電量變化，可以發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)閾值位于1 770～1 790 V時(shí)，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(jì)算分析，啟動(dòng)閾值每下調(diào)10 V，可增加有效回收再生制動(dòng)能量距離約1.73 km。對(duì)于配置再生制動(dòng)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(dòng)能量回收量。

2.4 裝置容量對(duì)節(jié)能影響分析

圖6為超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置的工作狀態(tài)。

圖6 超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置的工作狀態(tài)

從圖6超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置吸收再生制動(dòng)能量的過(guò)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(chǔ)容量部分的再生制動(dòng)能量無(wú)法進(jìn)行回收利用。

儲(chǔ)能型裝置由于能量存儲(chǔ)單元容量有限，導(dǎo)致不能持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間吸收再生制動(dòng)能量。超級(jí)電容型裝置在超級(jí)電容器電壓達(dá)到最大工作電壓后無(wú)法再吸收能量，同時(shí)超級(jí)電容器電壓較低時(shí)也無(wú)法輸出最大功率，因此同等功率的中壓能饋型裝置和超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置在同一供電區(qū)間投運(yùn)時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能型裝置時(shí)，應(yīng)充分考慮近期、遠(yuǎn)期各種可能的運(yùn)營(yíng)條件，進(jìn)行科學(xué)的供電系統(tǒng)能量潮流仿真計(jì)算，綜合選定裝置的容量，并盡可能在同一地鐵線路中同時(shí)裝配能饋型裝置彌補(bǔ)儲(chǔ)能型裝置容量不足的缺點(diǎn)，以避免頻繁出現(xiàn)再生制動(dòng)能量無(wú)法回收的情況。

在使用混合型裝置時(shí)，應(yīng)使用潮流仿真計(jì)算軟件，通過(guò)合理的仿真計(jì)算來(lái)配置再生制動(dòng)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(chǔ)能型裝置相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，既能充分回收利用再生制動(dòng)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(guò)度配置。

以青島地鐵11號(hào)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(jì)算軟件分析計(jì)算結(jié)果可以看出，中國(guó)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(jì)，2個(gè)主變電所每日共返送電量1 336.87 kW·h。

圖7 青島地鐵11號(hào)線能饋型裝置配置方案變電所用電情況

將再生制動(dòng)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(chǔ)能型裝置后，中國(guó)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(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，線路日均總節(jié)電量差異不大。因此通過(guò)合理使用潮流仿真計(jì)算，可以在線路設(shè)計(jì)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(chǔ)能型兩裝置的優(yōu)點(diǎn)。

3 總結(jié)

目前國(guó)內(nèi)中壓能饋型裝置方案占據(jù)著較大的市場(chǎng)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(hào)線混合型裝置配置方案變電所用電情況

導(dǎo)致國(guó)際上應(yīng)用仍以儲(chǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能型裝置的案例。隨著儲(chǔ)能元器件尤其是超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能型裝置的安全性及性價(jià)比將逐步上升，其市場(chǎng)占有率將有較大的上升空間。

在儲(chǔ)能型裝置應(yīng)用過(guò)程中，影響其節(jié)能效果的因素較多。研究如何充分挖掘儲(chǔ)能型尤其是超級(jí)電容儲(chǔ)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(shí)意義。隨著國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能型裝置和能饋型裝置混合應(yīng)用的案例越來(lái)越多，針對(duì)此類應(yīng)用工況中對(duì)儲(chǔ)能型裝置節(jié)電因素的影響，后續(xù)還需要根據(jù)實(shí)際使用情況和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的研究和分析。