超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計要點分析*

胡 斌

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 ,300142,天津//工程師)

1 現(xiàn)代有軌電車供電技術(shù)概述

現(xiàn)代有軌電車供電制式可分為傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)供電方式和新型無網(wǎng)供電方式兩種。架空接觸網(wǎng)供電方式具有技術(shù)成熟、造價低廉、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢，但其景觀效果差，對凈空要求高，在城市中心設(shè)置很不美觀。新型無網(wǎng)供電方式不再在車輛上方架設(shè)接觸網(wǎng)，從而避免了上述缺點，是未來有軌電車供電制式的發(fā)展趨勢。無網(wǎng)供電系統(tǒng)按照車輛授流方式的不同又可分為地面供電方式和儲能元件供電方式。

常見的地面供電方式分為地面嵌入式接觸軌供電(APS)、電磁吸附式地面牽引供電(Tramwave)和電磁感應(yīng)式牽引供電(Primove)[1-3]。這3種地面供電方式均為國外廠商專有技術(shù)，技術(shù)引進(jìn)可能性小，且全套設(shè)備采購成本高，后期運營維護(hù)受供貨商制約，工程應(yīng)用可靠性較低，造價高昂。以我國現(xiàn)在的技術(shù)水平和實際情況，地面牽引供電方式目前尚不具備在有軌電車領(lǐng)域大面積推廣的條件。

儲能元件供電方式根據(jù)儲能元件的不同，大致可分為蓄電池供電方式、超級電容供電方式和飛輪儲能供電方式3種。其中，現(xiàn)代有軌電車的運行特點與超級電容特性具有良好的匹配性。

超級電容是新型儲能元器件的代表，目前在工業(yè)生產(chǎn)多個領(lǐng)域均有應(yīng)用。超級電容具有很多優(yōu)點[4-5]，如充放電速度快、循環(huán)壽命長、充放電電流大、能量轉(zhuǎn)換效率高、內(nèi)阻小、功率密度高,以及充放電過程無化學(xué)反應(yīng)、無污染等。本文從主要影響因素、外部電源、牽引負(fù)荷特性、主接線形式及運行方式等方面，對超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)的設(shè)計要點進(jìn)行深入分析。

2 供電系統(tǒng)設(shè)計要點分析

現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計是整個有軌電車設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，由于車輛受電方式的變化，其供電系統(tǒng)的設(shè)計與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)方式有較大區(qū)別。

2.1 主要影響因素

不同于傳統(tǒng)城市軌道交通(以下簡為“城軌”)車輛(動態(tài)負(fù)荷)，超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車是在各個車站內(nèi)，通過整流機組及充電裝置變換出車輛需要的電壓、電流，并在短時間內(nèi)(通常利用車輛停站時間，不超過30 s)向儲能元件充電，獲取下一區(qū)間車輛運行所需的電能。所以，此種車輛受流形式為靜態(tài)負(fù)荷。圖1為兩種牽引供電制式的對比示意圖。

a) 傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)牽引供電方式

b) 無網(wǎng)牽引供電方式

從圖1建立的模型分析可知，對于傳統(tǒng)的城軌供電系統(tǒng)設(shè)計，主要的設(shè)計影響因素為牽引負(fù)荷計算、牽引網(wǎng)電壓水平計算及走行軌對地電位計算等。而完成上述計算，應(yīng)具備以下基本計算條件[6-7]：

(1)線路資料：線路長度、坡度、車站數(shù)量、站間距等；

(2)行車資料：運行交路、車輛編組、高峰小時發(fā)車對數(shù)、發(fā)車時間、停站時間等；

(3)列車資料：列車電流曲線、列車速度曲線和列車時間曲線等；

(4)牽引網(wǎng)資料：接觸網(wǎng)和走行軌的單位阻抗等；

(5)電壓參數(shù)：牽引變電所空載電壓、牽引網(wǎng)額定電壓等。

對于超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車無網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)計，除上述影響因素外，還應(yīng)完成超級電容充放電功率計算、儲能量計算以及車輛續(xù)航里程計算等。這些計算除需上述計算條件外，還應(yīng)具備：

(1)超級電容參數(shù)：單體容量、電壓、電流、模組串并聯(lián)數(shù)等；

(2)平交路口資料：車輛路權(quán)方式，全線平交路口數(shù)量、位置，交通組織方式等；

(3)充電裝置資料：設(shè)備額定功率、電壓電流等級、運行方式等。

2.2 外部電源選擇

目前，我國城市電網(wǎng)對軌道交通的供電方式一般可歸納為主變電所集中供電和開閉所相對分散供電兩種。

主變電所集中供電方式的主要優(yōu)點在于調(diào)度管理方便、易實現(xiàn)軌道交通的資源共享。但電源點難以引入、運維成本高、工程實施難度大、工程投資巨大是其不可避免的缺點。

現(xiàn)代有軌電車屬中低運量軌道交通形式，通常定位于大型城市軌道交通的補充、延伸或中小城市軌道交通的骨干。所以，現(xiàn)代有軌電車的線網(wǎng)規(guī)劃規(guī)模通常不大，且線路選址常位于大型城市的片區(qū)內(nèi)或中小城市的市中心，不需要大量的主變電所資源共享，調(diào)度管理亦不復(fù)雜。此外，文獻(xiàn)[7]指出，現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)負(fù)荷等級基于制式特點、車輛特點和運營特點，選擇二級負(fù)荷更為合適，一旦發(fā)生現(xiàn)代有軌電車停運的情況，可通過租用社會公共交通資源對現(xiàn)代有軌電車客流進(jìn)行應(yīng)急性支援，弱化對城市公共交通的沖擊。綜上所述，現(xiàn)代有軌電車供電系統(tǒng)外部電源宜采用開閉所相對分散供電方式。

目前，城市配電網(wǎng)絡(luò)的主流電壓等級為10 kV，單回路饋線間隔容量為8 000～10 000 kVA。超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車無網(wǎng)供電系統(tǒng)牽引負(fù)荷性質(zhì)特殊，供電系統(tǒng)的設(shè)計需根據(jù)負(fù)荷特性對系統(tǒng)中外部電源容量校核。

2.3 牽引負(fù)荷特性分析

超級電容模組的功率密度大，充電時間短(≤30 s)，故牽引負(fù)荷總體呈脈沖狀，充電功率根據(jù)列車編組數(shù)量的不同而變化。常見的車載超級電容主要參數(shù)如表1所示。

表1 車載超級電容主要參數(shù)表

超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車牽引負(fù)荷特性如圖2所示。

圖2 牽引負(fù)荷特性示意圖

超級電容充電通常采用恒流充電及恒壓充電,或者兩種方式的結(jié)合。超級電容電壓、電流隨時間的變化曲線如圖3所示[8]。

注：t0為恒流充電區(qū)間；t1為恒壓充電區(qū)間；U0為超級電容起始充電電壓；U1為超級電容終止充電電壓；I額定為超級電容額定充電電流

結(jié)合圖2和圖3，可得到單個充電裝置充電功率的均方根值：

(1)

式中：

PRMS——單個充電裝置充電功率的均方根值；

P0——恒流充電區(qū)平均功率；

P1——恒壓充電區(qū)平均功率。

設(shè)供電臂內(nèi)同時運營的車輛有m輛，則總的牽引負(fù)荷可表示為：

PTac=k0mPRMS

(2)

式中：

PTac——供電臂內(nèi)總的牽引功率；

k0——車輛同時充電系數(shù),根據(jù)具體線路的條件、運營組織方案等因素確定。

2.4 主接線形式的選擇

目前，國內(nèi)常見的超級電容儲能型無網(wǎng)供電系統(tǒng)主接線形式主要分為單機組一對一型、單機組一對多型和雙機組一對多型3種。圖4給出了3種無網(wǎng)供電方案的主接線示意圖。3種接線形式在供電可靠性、工程可實施性、工程投資、運營維護(hù)、回流系統(tǒng)等方面各有優(yōu)缺點，如表2所示。

a) 單機組一對一主接線型

b) 單機組一對多主接線型

c) 雙機組一對多主接線型

從表2可以看出：單機組一對一型主接線形式由于區(qū)間無直流電纜敷設(shè)，車輛在車站內(nèi)完成回流，故電纜維護(hù)的工作量小，無鋼軌電位和雜散電流的問題，但由于每站都設(shè)置牽引所且不相互支援，結(jié)果帶來供電可靠性降低、工程可實施性差且投資高的問題；單機組一對多型主接線形式供電可靠性較高，變電所數(shù)量及各變電所內(nèi)設(shè)備數(shù)量均較少，工程實施性好，投資低，設(shè)備維護(hù)工作量小，但區(qū)間電纜工程量增大，且存在鋼軌電位偏高及雜散電流腐蝕問題；雙機組一對多型主接線形式的設(shè)計方案與單機組一對多型主接線形式類似，由于采用雙機組，使得供電可靠性進(jìn)一步提高，但對應(yīng)工程可實施性、工程投資方面與單機組一對多型相比沒有優(yōu)勢。綜合以上分析，筆者認(rèn)為，針對超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車無網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)計宜采用單機組一對多型主接線形式。

表2 無網(wǎng)供電系統(tǒng)主接線對比表

2.5 運行方式分析

現(xiàn)代有軌電車無網(wǎng)供電系統(tǒng)中，需要經(jīng)常變更系統(tǒng)的運行方式，以使系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、合理運行，或滿足檢修工作的要求。常見的無網(wǎng)供電系統(tǒng)運行方式包括正常情況、外部電源故障、牽引所故障以及充電裝置故障。

在正常運行情況下，中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)分開，各路外部電源負(fù)責(zé)本供電分區(qū)范圍內(nèi)的所有負(fù)荷，各牽引所向本所范圍內(nèi)的充電裝置輸出電能，滿足超級電容有軌電車的充電要求。

在一路外部電源故障退出的情況下，閉合中壓環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由相鄰?fù)獠侩娫赐ㄟ^中壓環(huán)網(wǎng)越區(qū)供電，負(fù)擔(dān)本區(qū)電源及故障電源范圍內(nèi)的所有高峰小時牽引負(fù)荷及動力照明的一、二級負(fù)荷。

在任一牽引所解列退出的情況下，運行方式需根據(jù)不同的主接線形式具體分析：

(1)對單機組一對一型主接線形式，牽引所解列等同于其對應(yīng)的充電裝置故障，此時需依靠超級電容儲能元件的續(xù)航能力，在故障車站停車時不充電，運行至下一正常供電的充電裝置時再補充電能；

(2)對單機組一對多型主接線形式，牽引所解列時閉合所內(nèi)越區(qū)隔離開關(guān)，由相鄰牽引所共同承擔(dān)故障所的供電負(fù)荷，構(gòu)成大雙邊供電方式，末端牽引所故障時，由相鄰牽引變電所越區(qū)單邊供電；

(3)對雙機組一對多型主接線形式，牽引所之間通過直流支援電纜連接，相互支援，任一牽引所解列后由相鄰支援牽引所負(fù)擔(dān)本所和故障所內(nèi)所有高峰小時牽引負(fù)荷及動力照明的一、二級負(fù)荷。

在充電裝置故障退出運行的情況下，通常不考慮相鄰充電裝置間的相互支援，而是依靠儲能元件本身的能量冗余為車輛提供續(xù)航。影響車輛續(xù)航能力的因素主要有以下幾點：

(1)儲能元件本身可用的能量；

(2)車輛的能耗，含牽引用電部分和輔助用電部分；

(3)車輛再生制動工況下回收能量的比率；

(4)具體的線路條件情況，如長大坡段、平交道口等。

車載超級電容的儲能量可表示為：

(3)

式中：

C——車輛超級電容總?cè)萘?，其值等于串并?lián)超級電容單體的容量總和。

車載超級電容的儲能量配置根據(jù)列車編組長度的不同而變化，常見的配置為10～20 kWh。而現(xiàn)代有軌電車的平均能耗可采用傳統(tǒng)城軌列車的能耗計算式進(jìn)行估算：

(4)

式中：

F牽引——列車總牽引力；

VA——列車起動過程中恒轉(zhuǎn)矩區(qū)終速；

t牽引——列車總牽引時間；

t運行——列車總運行時間。

結(jié)合現(xiàn)代有軌電車的車輛參數(shù)及運營經(jīng)驗，列車平均單位耗電量約為4～6 kWh/km。若考慮線路坡度、制動能量回收及平交道口延誤等因素的影響，可認(rèn)為超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車的有效續(xù)航里程約為2～3 km[9]。

文獻(xiàn)[10]指出，我國現(xiàn)代有軌電車的車站間距一般在0.6～1.0 km，可以滿足單個充電裝置故障退出運行，車輛跨站充電的續(xù)航里程要求。在工程實際中，若出現(xiàn)長大區(qū)間或多個路口延誤的情況，可根據(jù)具體條件在區(qū)間設(shè)置補充充電裝置并配備移動充電裝置，以保證車輛在區(qū)間的正常行駛。

3 結(jié)論

本文以超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車及其供電系統(tǒng)為主要研究對象，重點分析了無網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)計要點，并得出以下結(jié)論：

(1)在接觸網(wǎng)持續(xù)授流條件下，車輛牽引負(fù)荷為動態(tài)負(fù)荷，而在超級電容車站充電條件下，車輛牽引負(fù)荷為靜態(tài)負(fù)荷。

(2)無網(wǎng)供電系統(tǒng)外部電源推薦采用開閉所相對分散供電方式，外部電源容量需根據(jù)牽引負(fù)荷特性校核。

(3)牽引負(fù)荷根據(jù)超級電容的充電特性確定，總體呈現(xiàn)脈沖狀，牽引功率的計算采用均方根值，并考慮列車同時充電系數(shù)。

(4)無網(wǎng)供電系統(tǒng)的主接線形式可分為3種，通過技術(shù)經(jīng)濟比選，推薦采用單機組一對多型的主接線形式。

(5)根據(jù)充電裝置故障退出的運行方式分析，得出了超級電容儲能型現(xiàn)代有軌電車的有效續(xù)航里程和設(shè)計方案的匹配性。