城轨交通地面超级电容储能系统容量配置_刘陆洲.pdf
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1、第期 年月 研究开发文章编号:()城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲,张国红,刘伟,杨阳,王俊兴(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 )摘要:随着我国经济发展和城市化进程日新月异,城市轨道交通的开通运营里程也日益增长,城市轨道交通用电总量也越来越可观,列车牵引能耗是城市轨道交通用电比重最高的环节。使用能量回收装置或者使用双向变流装置替代现有的整流机组来回收列车再生制动能量,来降低城轨交通牵引能耗,已成为新建城市轨道交通线路的标准配置。当前主流应用的能量回收装置主要有储能型和中压能馈型两类,储能型能量回收装置又分为飞轮储能、电池储能和超级电容储能三种。本文对应用于城轨交通的超级电
2、容型再生制动能量回收装置的容量配置进行了初步探讨,介绍了供电系统、列车、地面超级电容储能系统的分析建模及牵引供电计算仿真方法,研究了车辆条件、运营条件、线路因素以及邻站吸收装置等因素与设备容量配置的关系,并对无锡地铁号线的实际应用数据进行了验证。关键词:城市轨道交通;列车再生制动能量回收;容量配置;供电系统;地面超级电容储能系统;邻站吸收;无锡地铁号线中图分类号:文献标志码:,(,):,:;收稿日期:第一作者:刘陆洲(),男,高级工程师。随着我国经济的发展,城市化进程日新月异,城市轨道交通的开通里程也迅速增长。城市轨道交通具有快速、准时、运量大等特点,可大大缓解大中型城市交通运输压力,是现代化
3、城市不可或缺的一部分。随着城市轨道交通开通营运里程的增加,其能耗占城市用电比例也逐年提高,有关轨道交通节能方面的研究也越来越受到关注。城市轨道交通用电主要由牵引用电和动力用电两部分组成,根据不同线路所占比例不同。线路运营初期动力用电所占比例较高,随着客流量及发车密度的调整,牵引用电比例将有相应提升。总体来讲轨城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲,张国红,刘 伟,杨 阳,王俊兴道交通牵引能耗与动力照明能耗各占总能耗的 左右。因此降低牵引能耗便成为了地铁节能的重要方法。列车再生制动时,牵引电机产生制动转矩处于发电状态,能够将列车制动时的动能转化为电能注入到地铁供电系统的直流供电网中。研究表明
4、该部分能量占列车牵引阶段消耗能量的 ,如果能将再生制动能量进行充分利用,轨道交通牵引能耗将能得到有效降低。使用能量回收装置或者使用双向变流装置替代现有整流机组回收列车再生制动能量,降低城轨交通牵引能耗,已成为新建城市轨道交通线路的标准配置。当前主流应用的能量回收装置主要有储能型和中压能馈型两类。能馈型能量回收装置由于成本低廉目前应用较多,但是中压能馈型能量回收装置和双向变流整流机组的应用仍存在一定的局限性,该方式不适用于分散式供电的市内线路和站间距较长的市域线路,此类线路中易产生返送电问题。储能型能量回收装置又分为飞轮储能、电池储能和超级电容储能三种。储能型能量回收装置的能量存储介质成本高昂,
5、是制约装置配置存储容量的主要因素。城市轨道交通地铁线路选用储能型能量回收装置时,应合理的设计及配置储能型能量回收装置的容量及可用储电量,以降低初期投入成本,有效地缩短投资回收期。以超级电容为储能介质的地面超级电容储能系统,在国内外城市轨道交通中已有多年的应用经验,但由于成本因素未能大规模推广。因此兼顾设备成本和节能效果而综合选取设备安装数量和设备容量就成为了地面超级电容储能系统的重要研究方向。地面超级电容储能系统容量配置及选址布置与线路条件、车辆条件、运营条件都存在较大的关系。超级电容储能系统的容量配置应系统地考虑线路条件、牵引系统中车载制动电阻或过压抑制电阻及其电空转换方式、本站或邻站再生能
6、量回收装置、邻车牵引耗能、线路损耗、载客量等因素,以及特殊运营工况下这些因素所发挥的不同作用,并将这些因素和路径都应用起来,最终达到容量配置最佳。本文将着重基于车辆参数、车辆运行、牵引供电计算等方面分析系统能耗,探讨设备容量配置与节能效果的关系。牵引供电系统能耗计算分析模型为了从系统角度分析地面超级电容储能系统装置容量配置问题,需要对城市轨道交通系统牵引供电相关部分进行整体建模分析。通常情况下,牵引供电系统结构如图所示,系统由整流机组、直流供电网、地面超级电容储能系统及上下行列车几部分组成,由于储能型能量回收装置在直流环节完成再生制动能量的回收利用,与交流侧电网没有关联,因此本系统中对牵引变压
7、器及其上一级的中压交流环网不作考虑。图城轨交通牵引供电系统结构示意图整流机组模型直流牵引变电所内的整流机组是地铁系统能量的来源。整流机组的外特性是指直流输出端电压随其负荷电流或短路电流变化的关系曲线,是呈非线性的。地铁线路中一般在牵引降压所中配置牵引变压器及整流机组,经 脉波整流后输出直流电至直流电网,供列车牵引用电。其外特性曲线进行线性化处理后作为计算模型,如图所示。图 脉波整流外特性曲线牵引网模型牵引网是城市轨道交通牵引供电系统中的重要组成部分,是为城轨列车提供电能的回路,由馈电线、接触网(轨)、轨道、回流线构成。图为牵引网模型,馈电线是连接整流机组和接触网之间的导线,电能由整流机组发出,
8、经过馈电线到达接触网(轨),通过接触网(轨)送达列车牵引传动系统,并通过走行轨和回流线缆回流至变电所负极。在正常双边供电下,列车从全线变电所取流,故在供电计算时,全线的牵引变电所都要考虑进去。列车模型在实际运行过程中,列车根据载重和牵引制动级位从牵引网吸收能量或向牵引网释放能量,建模时考第 卷第期 年月虑列车为功率源。由于牵引网电压的变化,列车等效电流随接触网压变化而变化,电流源模型带来的负阻抗特性,加剧了仿真计算的计算复杂性,增加了计算收敛难度。因此,本文中采用分段电流源模型,简化功率源模型分析的复杂性,当列车处于牵引工况时认为牵引网电压处于某恒定典型电压,列车处于制动工况时,列车处于某制动
9、典型电压。以此假设为基础,将功率源简化为电流源。图牵引网模型根据线路条件、牵引制动特性及运行时分析,可以得到计算模型的输入条件,通过表所示数据可以得到列车的电功率时间曲线以及位置时间曲线,计算流程如下。表列车数据参数符号参数名称单位车重速度 坡度,基本阻力公式参数 位置 根据列车牵引制动级位计算牵引加速度 ,并根据式()计算出列车的合力 :()其中为列车重量。按照式()计算阻力,列车阻力可以简化为列车基本阻力和坡道阻力,由于曲线阻力占总体阻力比重较少,因此为了简化计算将其忽略。()()其中是重力加速度,约为 。根据列车的运行状态计算牵引力或制动力,当列车处于牵引状态时,牵引力为:()则列车牵引
10、时的电功率为:()()当列车处于制动状态时,制动力为:()则电功率为:()()通过以上计算,即得到了列车的电功率时间序列。最终得到牵引和制动时列车等效电流源模型:牵引工况等效模型见公式(),制动工况等效模型见公式()。()()列车为了防止牵引逆变器过压,在其控制中加入了再生制动的限流曲线,对高电压情况下的再生电流进行限制。图为再生制动限流曲线,为限流区初始电压,是再生电流限值,为电压限值。图再生制动限流曲线地面超级电容储能系统等效模型地面超级电容储能系统由控制及双向 变流环节和超级电容环节构成,基本构成如图所示。超级电容环节包含超级电容器及其管理系统,用于储存双向 变流器回收的再生制动能量;控
11、制及双向 变流环节通过智能算法动态识别空载网压,将接触网中列车无法利用并导致接触网电压抬升的那部分再生制动能量吸收并存储在超级电容环节中,在列车牵引并导致接触网电压低于空载电压时,将存储在超级电容环节的能量释放至直流接触网。储能图超级电容储能系统构成城轨交通地面超级电容储能系统容量配置刘陆洲,张国红,刘 伟,杨 阳,王俊兴系统释放能量的工况下,列车的牵引功率由整流机组和储能系统共同提供,关系如式()所示。()储能系统吸收能量的工况下,列车的制动功率优先由本车的辅助和线路中其他列车牵引消耗,超过线路列车消耗能力的由储能系统吸收,此时功率关系如式()所示。()储能装置中存储介质超级电容器的储电状态
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