地铁储能方法对比--逆变回馈型与超级电容储能型

2016-10-27 来源：作者：西南交通大学教授郭世明 ;深圳市盛弘电气股份有限公司产品经理赵龙腾

本文摘要：城市轨道交通系统中,其运行工况特点为频繁启动与制动,启动时消耗大量电网电能,而制动时会产生可观的再生电能。

　　城市轨道交通系统中,其运行工况特点为频繁启动与制动,启动时消耗大量电网电能,而制动时会产生可观的再生电能。一般来说,地铁车辆在制动时产生的能量约占牵引能耗的40%~50%。这部分能量反馈回电网后,约有30%~50%(与发车间隔等多种因素有关)被相邻列车利用。由于牵引变电所中整流器采用二极管不控整流,能量只能单向流动,未被临车利用的能量将造成牵引网压升高,危及用电设备安全。

　　目前再生制动能量回收技术主要包括电阻耗散型,逆变回馈型和储能型三种。其中,耗散型是将再生制动能量以热能的方式通过制动电阻消耗掉,这也是国内外普遍采用的方式，此种制动方式在车辆制动时,将机车的动能转换为电能后消耗在电阻上,变成热能散发到大气中致使隧道和车站内的温度升高，再生制动能量没有被再利用,造成能源浪费,而且低速时制动效果差,还需保证机车有足够的通风量，因此不做详细对比。逆变回馈型是将制动能量通过逆变装置逆变并网,供电网上其他用电设备使用。储能型是将制动能量通过双向变换器储存在储能装置中,包括电池、飞轮和超级电容等。

　　逆变回馈型

　　再生制动能量逆变回馈系统主要采用电力电子功率模块IGBT构成大功率三相逆变器，该装置的直流侧与牵引电网的直流母线连接，交流侧与交流电网连接。当列车制动能量促使牵引电网的直流电压超过设定值时，再生制动能量回馈装置启动并从牵引电网中吸收电能并将电能回馈到交流电网中，供其他负载使用。

　　图1逆变回馈型配电示意图

　　再生制动能量逆变回馈装置采用高频电力电子开关器件IGBT实现的变流器具有具有谐波含量小、控制方法灵活并且动态性能好等优点。基于PWM并网逆变器的再生制动能量回馈方案除了可以在机车再生制动时稳定直流侧电压。具体优点如下：

　　（1）交流电网侧采用电感滤波，不存在换向电压畸变，且交流电流谐波含量小，对电网污染轻。入网功率因数高，并且不因回馈功率变化而变化，可减少无功补偿设备的投资。

　　（2）由于功率管的开关频率比较高，滤波器体积容量可以设计得比较小，滤波器损耗小，并且动态响应快。

　　（3）充分利用了地铁列车再生制动能量，提高了再生制动能量的利用效率，节能效果好，还可减小机车制动电阻的容量。其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻，因此对环境温度影响小。

　　相对于优点，逆变回馈型装置存在如下缺点:

　　（1）回馈至电网的交流电流虽然谐波含量小，但是存在的谐波也会对其他用电设备产生一定的影响。

　　（2）回馈至电网的电能，虽然可以达到重复利用的效果，但由于在传输线路上存在损耗，故达不到节能的最大化。

　　（3）逆变回馈装置的电路结构复杂，维护费用较高。

　　（4）逆变回馈装置中变压器始终接于电网上,造成较大的空载损耗.

　　（5）电能回馈给电网时，如若跟电网方协调不当，会产生二次的电费计算，使得地铁方承受更多的电费开支。

　　超级电容储能型

　　超级电容储能型再生制动能量吸收利用系统包括双向直流变换器和超级电容器储能系统两部分，并接在地铁列车的直流供电母线上。当地铁列车制动时，直流母线电压上升，双向直流变换器向超级电容器阵列充电，超级电容器阵列吸收制动能量；当地铁列车启动时，直流母线电压下降，超级电容器阵列存储的能量通过双向直流变换器释放能量。

　　图2超级电容储能型配电示意图

　　具体工作原理如下：

　　（1）当地铁车辆再生制动时,直流牵引电网电压升高,控制电路控制双向DC/DC变换器主电路工作于Buck电路模式,直流牵引电网与超级电容储能系统连接后,对其进行充电。超级电容组吸收再生制动能量,同时降低直流牵引电网电压。

　　（2）当地铁车辆处于加速或者启动工况时,直流牵引电网电压会被拉低,此时控制器控制双向DC/DC变换器工作于Boost电路模式,超级电容储能系统与直流牵引电网导通后,超级电容组通过升压电感对接触网进行能量反馈。此工况下,超级电容储能系统的投入使用,减少了交通运营对供电系统峰值功率的要求,使直流牵引电网电压的跌落得到了缓解。

　　（3）当地铁车辆惰行时,控制器可以根据超级电容组电量,控制双向DC/DC变换器主电路对超级电容组的能量存储状态进行调整。

　　超级电容阵列由大量超级电容单体串并联而组成,是超级电容储能系统的能

　　量存储单元,实现能量存储与稳定直流牵引电网电压的双重目的。当直流牵引电

　　网电压被抬升时,超级电容阵列进行能量存储;当直流牵引电网电压被拉低时,超级电容阵列将能量反馈给牵引电网。

　　超级电容储能型装置具体优点如下：

　　（1）超级电容储能装置，结构简单，没有附加的变压器等装置，能耗元件少，能耗小，易安装，维护费用少。

　　（2）采用超级电容储能装置，制动能量转换的电能直接存储在超级电容中，无能量回馈给电网，不会给电网造成污染或冲击。

　　（3）电能直接存储在超级电容中，地铁启动时，超级电容充分放电，储存的电能能够得到全部的释放，能够达到最大的节能效果。

　　（4）采用超级电容储能装置，能够提升接触网电压,减少接触网电压波动，降低直流母线上的能量损耗。

　　在超级电容储能型装置起步之初，由于超级的电容的价格较高，因此造成成本较高，但随着对超级电容的研究与生产，超级电容的成本日趋降低，因此这一缺点也不再成为超级电容储能装置的缺陷。

　　效益分析对比

　　1.整体效益分析

　　通过对逆变回馈型装置与超级电容储能装置的工作原理对比分析我们可以看出，相比于逆变回馈型，超级电容储能型装置有优点如下:

　　（1）超级电容储能装置结构简单，易安装，维护费用少，能耗小；

　　（2）超级电容储能装置制动能量直接存储于超级电容当中，充放电灵活，无须将能量回馈至电网，效率更高，不会给电网造成谐波污染或是冲击，同时能量历经的转换过程更简单可靠，消耗更少。

　　（3）逆变回馈型装置将制动能量回馈至电网，需经变压器/变换器两次转换，造成回馈效率降低,没能达到最佳的节能效果。

　　（4）超级电容储能装置比之逆变回馈装置，不需要加装变压器及其相关设施，不存在变压器及其相关设施待机工作持续耗电的问题，同时开关频率较小，损耗更小。

　　（5）不存在向电网回馈电能，因此不存在二次收费问题。

　　（6）在地铁车辆启动时，会引起母线电压的波动，通过采用超级电容储能装置能够起到稳压功能，稳定母线电压，避免其他用电设备收到干扰。

　　2.节能效益计算分析

　　无论是采用逆变回馈型还是超级电容储能型装置，均可以使地铁方减少在车载制动电阻购置方面的成本，同时减少制动电阻辅助散热风机能耗，减少站点与车辆通风空调系统运营成本，减轻地铁车辆的重量，达到节能减排的效果。因此两种装置对节能减排的作用主要由制动能量方面的节省来体现。

　　对两种装置装置进行假设分析：例如深圳市地铁五号线某站点，根据统计分析假设地铁发车间隔约为3分钟，以每天该站点工作时间6：30-23：00，工作16.5小时，共计发车次数为330次。据统计地铁每次牵引供电耗电量平均约为20度左右，其中40%~50%左右的电能为地铁制动能量(计算取值约为9度).这部分制动能量回馈到直流电网后,约30%~50%(计算取值约3.6度)被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，剩余的电能（约5.4度）则通过制动电阻消耗掉。

　　那么针对于逆变回馈型装置，单个站点全天电阻制动能量理论值为5.4x330=1782度，而通过变压器的逆变以及线路等损耗，假设为3MW系统，则变压器额定功率约为3150kVA，系统效率大于等于98%（厂家宣称效率，实际有待考证），取效率为98%进行分析计算，实际每天电阻制动能量回馈值，即节能值约为1782x98%-3150x0.8%x24=1141.56度，按深圳电费0.9元/度，折合节省电费为1141.56x0.9=1027.404元。

　　对于超级电容储能型装置，效率大于等于99%，取效率为99%，由于不存在变压器等装置带来的损耗，因此实际每天储能装置节省的电能值约为1782x99%=1764.18度，按深圳电费0.9元/度，折合节省电费为1764.18x0.9=1587.762元。

　　从每天单个站点节省的电费可以直观看出采用同等MW级的超级电容储能装置相比逆变回馈型要节省560.358元。

　　结论:

　　通过上面的对比分析与计算,可以看出采用超级电容储能的再生制动能量回收利用装置,具有比较好的节能效果,即使考虑价格因素,和其它回收利用装置相比也具有竞争力.

关键词：电容地铁方法

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