有軌電車儲能式系統(tǒng)配置方案及供電系統(tǒng)研究

劉宗澤 侯 飛 劉海全 馬澤宇 梁 玨 李 軍 吳 健

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢； 2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司， 250011， 濟(jì)南；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 266111， 青島； 4.北京北交新能科技有限公司， 100044， 北京；5.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 100044， 北京∥第一作者， 工程師)

1 有軌電車車載儲能技術(shù)概況

目前我國已有超過21條有軌電車線路投入正式運(yùn)營，表1為采用不同供電方式的有軌電車線路概況。

表1 國內(nèi)采用不同供電方式的有軌電車線路概況

隨著車載儲能技術(shù)的發(fā)展，在有軌電車上直接裝載儲能系統(tǒng)作為能量源，無需從供電網(wǎng)獲取能量，這種供電方式比傳統(tǒng)的架空接觸網(wǎng)供電有諸多優(yōu)勢。儲能式有軌電車兼有傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)有軌電車的優(yōu)點(diǎn)[3]，同時無需建設(shè)供電網(wǎng)，其前期建設(shè)費(fèi)用可以大幅度降低，其工程施工時間也進(jìn)一步縮短；無架網(wǎng)設(shè)計(jì)，占用城市地面空間較少；在實(shí)際運(yùn)行過程中，可通過儲能系統(tǒng)回收制動能量，能量損耗低，能量利用效率更高；無供電網(wǎng)的網(wǎng)側(cè)故障隱患，提高了其運(yùn)行的可靠性。隨著新能源技術(shù)不斷發(fā)展，動力電池、超級電容、動力電池與超級電容混合等不同儲能式有軌電車迅速發(fā)展[4]。

目前廣泛應(yīng)用于有軌電車的車載儲能系統(tǒng)主要分為超級電容儲能方式和動力電池儲能方式兩種。兩種儲能方式的技術(shù)性能對比如表2所示。超級電容儲能系統(tǒng)主要由電池與傳統(tǒng)電容器之間的一種雙電層電容儲能元件串并聯(lián)成組構(gòu)成，超級電容的工作原理特殊，在實(shí)際充放電過程中僅發(fā)生電子的移動而并未發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，因而超級電容儲能系統(tǒng)具有較高的充放電倍率和較長的循環(huán)壽命。

表2 超級電容儲能方式和動力電池儲能方式技術(shù)性能對比

本文針對儲能式有軌電車的配置及其供電系統(tǒng)進(jìn)行研究，以降低運(yùn)營成本和建設(shè)成本為目標(biāo)，提出車載儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案以及供電系統(tǒng)的配套改進(jìn)方案，對改進(jìn)后的有軌電車儲能系統(tǒng)和供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證和經(jīng)濟(jì)性分析，并對儲能系統(tǒng)全壽命周期下的累計(jì)成本進(jìn)行對比分析，以為后續(xù)有軌電車車地一體化系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)提供有效參考。改進(jìn)方案在保證運(yùn)輸安全與運(yùn)輸能力的前提下，選用不同的儲能系統(tǒng)配置，對提高系統(tǒng)的能量利用效率、降低系統(tǒng)的總建設(shè)與運(yùn)營成本、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有重要工程應(yīng)用意義。

2 間歇式供電有軌電車車地一體化

有軌電車的間歇式供電與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)持續(xù)式供電有所不同，間歇式供電利用車載儲能系統(tǒng)作為能量源，通過在站點(diǎn)設(shè)置充電設(shè)備給儲能系統(tǒng)充電；根據(jù)線路中充電站的數(shù)量，可采用部分無接觸網(wǎng)模式或全線無接觸網(wǎng)模式設(shè)計(jì)；在全線無架空接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)充電站的設(shè)置方式，其充電方式可分為首末站充電方式、隔站充電方式以及站站充電方式[5]。

2.1 線路情況

本文基于國內(nèi)某條已開通運(yùn)營的有軌電車線路進(jìn)行分析，該線路采用間歇式供電的站站充電方式，其車載儲能系統(tǒng)基于超級電容設(shè)計(jì)。該線全長7.7 km，采用全線無網(wǎng)設(shè)計(jì)，共設(shè)11座車站。列車在每站的充電時間為10 s，列車在站充電時間較短，因此需要可適應(yīng)大功率充電的儲能系統(tǒng)以進(jìn)行快速充電，且需要配備大功率充電設(shè)備。高峰時段列車運(yùn)行時間間隔為3 min，平峰時段列車運(yùn)行時間間隔為5 min，低峰時段列車運(yùn)行時間間隔為8 min。有軌電車全天運(yùn)營14 h，其中高峰運(yùn)營時間為3 h，平峰運(yùn)營時間為4 h，低峰運(yùn)營時間為7 h。列車編組形式為3動1拖，最大載客量為380人，最高運(yùn)行速度為70 km/h。

2.2 間歇式供電有軌電車動力系統(tǒng)

本文研究的間歇式供電有軌電車動力系統(tǒng)主要由車載儲能系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 間歇式供電有軌電車動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求,將車載儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分為兩種：車載儲能原件(超級電容或動力電池)與有軌電車的直流母線直接連接；車載儲能原件先與DC/DC模塊連接后再與有軌電車的直流母線相連。由于超級電容儲能系統(tǒng)具有承受輸入輸出大功率沖擊的能力，因此該線路中的有軌電車采用車載超級電容與有軌電車直流母線直接連接的拓?fù)浞绞?如圖2所示)，這種設(shè)計(jì)方案可減少部分由DC/DC所產(chǎn)生的電能消耗。

注：VVVF——變頻調(diào)速系統(tǒng)；DC BUS——直流母線。

該線有軌電車共配置3組超級電容，每組容量為55 F，共計(jì)165 F，電量為13.92 kWh。由于超級電容儲能系統(tǒng)能量密度低，需在每站充電，因此，在多車同時運(yùn)行時線路中總充電功率較大，總供電系統(tǒng)容量需10 MVA。該線有軌電車在實(shí)際運(yùn)營中的續(xù)航里程為2～3 km。

3 車載儲能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)改進(jìn)方案

在實(shí)際運(yùn)營過程中,車載超級電容儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在的主要問題如下：

1) 車載超級電容儲能系統(tǒng)雖具有良好的功率特性，能進(jìn)行大功率充放電且循環(huán)壽命較長，但是超級電容作為儲能系統(tǒng)其能量密度較低，導(dǎo)致存儲電量較低，續(xù)航里程短，充電頻繁。

2) 由于其續(xù)航里程短，當(dāng)充電站的供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或因外因停車等待時，容易引起因能量耗盡而停車。因此系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較差。

3) 充電時，功率需求較大，充電電流較大，需要的變壓器、電力電子裝備的容量和功率等級較高。因此配電系統(tǒng)基本容量費(fèi)較高。

4) 每座車站都需要單獨(dú)建充電站及配套設(shè)施。因此工程建設(shè)成本高。

5) 間歇式充電方式導(dǎo)致變壓器負(fù)載率較低，使得供電系統(tǒng)效率較低。

為解決上述問題，本文提出了兩種車載儲能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的改進(jìn)方案。

3.1 車載儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案一

為解決原方案中超級電容儲能系統(tǒng)電量過少而導(dǎo)致的一系列問題，改進(jìn)方案一按照現(xiàn)有車載儲能系統(tǒng)空間以及車重要求，將原3組超級電容的儲能系統(tǒng)改為2組(超級電容的可用容量為110 F，電量為9.28 kWh)，增加1組鈦酸鋰動力電池及雙DC/DC，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。改進(jìn)后的動力電池組電量為30 kWh，儲能系統(tǒng)總電量為39.28 kWh，有軌電車的實(shí)際續(xù)航里程可增加至7～8 km。

圖3 車載混合儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在原純超級電容儲能系統(tǒng)中加入動力電池組使其電度數(shù)和續(xù)航里程增加，則有軌電車在該儲能系統(tǒng)配置條件下運(yùn)行無需站站充電，只需進(jìn)行隔站充電，充電站數(shù)量可減少至5座，其建設(shè)費(fèi)用相應(yīng)減少。多車同時充電數(shù)量減少使總充電功率下降，供電系統(tǒng)容量可降低至8 MVA，每年運(yùn)營費(fèi)用中的基礎(chǔ)容量費(fèi)也會相應(yīng)降低。

3.2 車載儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案二

基于方案一的研究，考慮選用純動力電池方案，進(jìn)一步減少充電站的數(shù)量以降低供電系統(tǒng)容量成本。在原方案中，選用純超級電容儲能系統(tǒng)的主要考慮因素是超級電容可在大倍率的電流環(huán)境中正常穩(wěn)定工作。目前有軌電車主流的動力電池有磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池，兩者的性能對比如表3所示。若選用磷酸鐵鋰電池，則整車儲能系統(tǒng)的電量可較高但最高功率達(dá)不到系統(tǒng)要求；若選用技術(shù)成熟的功率型鈦酸鋰電池，因其工作倍率較大，則可達(dá)到系統(tǒng)倍率與功率需求，能使?fàn)恳到y(tǒng)特性保持一致。

表3 磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池性能對比

方案二按照現(xiàn)有車載儲能系統(tǒng)空間以及車重要求，選用3組鈦酸鋰電池，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。不裝載DC/DC模塊，其空間可搭載容量可達(dá)到150 kWh，實(shí)際續(xù)航里程可增加至25～30 km；整條線路只需在首站設(shè)置充電站，可取消地面供電系統(tǒng)10 kV中壓環(huán)網(wǎng)，可大幅降低建設(shè)投資(10 kV中壓環(huán)網(wǎng)建設(shè)投資大約為1 500萬元/km)；且此供電系統(tǒng)方案下的容量可大幅下降，僅需1.5 MVA，其利用率提高且基礎(chǔ)容量費(fèi)得到大幅降低。

圖4 車載儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案二拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 車載儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案仿真驗(yàn)證

選取該線路某次運(yùn)行工況對改進(jìn)后的儲能系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證[6]，該工況的運(yùn)行速度曲線如圖5所示，整車需求功率如圖6所示，仿真試驗(yàn)得到的原方案與兩種改進(jìn)方案在該線路運(yùn)行時的電池與超級電容的SOC(荷電狀態(tài))如圖7所示。仿真試驗(yàn)結(jié)構(gòu)證明兩種改進(jìn)方案均可滿足該線路有軌電車的運(yùn)行要求。

圖5 有軌電車運(yùn)行速度曲線

圖6 有軌電車需求功率曲線

圖7 車載混合儲能系統(tǒng)原方案與兩種改進(jìn)方案SOC曲線

4 各車載儲能系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性分析

表4為原方案與兩種改進(jìn)方案的車載混合儲能系統(tǒng)的性能指標(biāo)對比與費(fèi)用估算(該線路按10列列車運(yùn)營計(jì)算)。

表5為原方案與兩種改進(jìn)方案的車載儲能系統(tǒng)以及采用接觸網(wǎng)供電方案的供電系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目以及建設(shè)費(fèi)用與每年運(yùn)營費(fèi)用(基礎(chǔ)容量費(fèi)+電費(fèi))的估算對比。

表6為采用不同供電方式的有軌電車各項(xiàng)費(fèi)用匯總對比表。

表4 車載儲能系統(tǒng)不同方案的性能指標(biāo)與費(fèi)用估算

表5 采用不同供電方式的有軌電車供電系統(tǒng)的建設(shè)項(xiàng)目與各項(xiàng)費(fèi)用估算

表6 采用不同供電方式的有軌電車各項(xiàng)費(fèi)用對比

由表4～6對比分析可知：原超級電容方案與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電方案相比，兩者的運(yùn)營費(fèi)用與建設(shè)費(fèi)用基本一致；而超級電容方案需采購超級電容儲能系統(tǒng)，因此其總費(fèi)用比傳統(tǒng)接觸網(wǎng)供電方案更高。

改進(jìn)方案通過將超級電容車載儲能系統(tǒng)部分或完全改用動力電池組有如下優(yōu)勢：

1) 可提高車載混合儲能系統(tǒng)的電量，增加有軌電車實(shí)際運(yùn)營過程中的續(xù)航里程，由此可減少充電站數(shù)量，同時減少了中壓環(huán)網(wǎng)建設(shè)，因此供電系統(tǒng)建設(shè)投入大幅減少。

2) 因動力電池充電時間充足，所需充電功率相比超級電容較低，可有效降低有軌電車的供電系統(tǒng)容量，因此可獲得每年較低的基礎(chǔ)容量費(fèi)。

由表5可知：改進(jìn)方案一通過增加鋰電池增加了有軌電車的續(xù)航里程；改進(jìn)方案二由于采用全部鋰電設(shè)計(jì)，只需建設(shè)單個充電站，無需建設(shè)中壓環(huán)網(wǎng)；兩種改進(jìn)方案的供電系統(tǒng)的建設(shè)投入和基礎(chǔ)容量費(fèi)隨之大幅度降低。

圖8為采用不同供電方式的有軌電車全壽命周期(按30年計(jì)算)累計(jì)成本對比圖。

圖8 采用不同供電方式有軌電車全壽命

由圖8可知：在全壽命周期中，改進(jìn)方案二的初始儲能系統(tǒng)采購與供電系統(tǒng)建設(shè)系統(tǒng)的投入費(fèi)用為2 500萬元，與原方案(13 550萬元)、改進(jìn)方案一(12 000萬元)和傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)供電方案(11 550萬元)相比，費(fèi)用大幅下降；在全壽命周期中，改進(jìn)方案二運(yùn)營與建設(shè)的總成本為17 850萬元，與原方案(36 550萬元)、改進(jìn)方案一(34 750萬元)和傳統(tǒng)架空接觸網(wǎng)供電方案(32 550萬元)相比，改進(jìn)方案二為最優(yōu)方案；在全壽命周期中，改進(jìn)方案二與原方案相比，供電系統(tǒng)的建設(shè)、儲能系統(tǒng)采購與運(yùn)營的總費(fèi)用降低了51.14%。

5 結(jié)語

本文以國內(nèi)某有軌電車運(yùn)營線路的超級電容儲能系統(tǒng)為研究背景，對車載儲能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)進(jìn)行研究。以降低運(yùn)營與供電系統(tǒng)建設(shè)成本為目標(biāo)，提出兩種車載儲能系統(tǒng)改進(jìn)方案，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果為全鋰電池方案的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，與原方案相比，該供電系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的建設(shè)與運(yùn)營的總費(fèi)用大幅降低。本文研究成果可為未來有軌電車的儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有效的參考價值，具有較好工程應(yīng)用前景。