城市軌道交通再生儲能與智能微電網(wǎng)的融合應(yīng)用探索

姜寶建

(北京城市軌道交通咨詢有限公司， 100071， 北京∥工程師)

城市軌道交通線路的站間距較短，列車在運(yùn)行過程中啟動、加速、制動及停車頻繁。目前，城市軌道交通列車的制動模式大多優(yōu)先采用電制動(再生制動+電阻制動)，并輔以空氣制動(盤形制動/輪對踏面制動)作為補(bǔ)充。列車在制動時，在同一供電區(qū)域內(nèi)的牽引列車將吸收部分再生制動能量，無法被臨近列車吸收的能量將供電網(wǎng)的網(wǎng)壓抬升至一定程度時，再生制動能量將通過制動電阻轉(zhuǎn)化成熱量，分散至隧道空氣中。大量的電阻制動熱能在隧道內(nèi)累積，隧道內(nèi)溫度不斷攀升，需要在隧道內(nèi)設(shè)置通風(fēng)散熱設(shè)備，導(dǎo)致大批能量的浪費(fèi)。此外，大多數(shù)制動電阻安裝在車體上，除了增加列車牽引能耗和布置空間外，還需考慮大功率散熱和復(fù)雜的熱保護(hù)，列車空氣制動的閘片、閘瓦磨耗也會造成隧道內(nèi)的大氣環(huán)境污染。因此，列車電阻制動大大增加了城市軌道交通線路的運(yùn)營成本和環(huán)控系統(tǒng)管理的壓力，城市軌道交通再生制動的有效吸收與利用成為了節(jié)能減排的熱點。

1 城市軌道交通再生制動能量的吸收與利用

1.1 再生制動能量的估算

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，城市軌道交通再生制動會把大部分的列車動能轉(zhuǎn)化為電能，其反饋能量一般為列車牽引動能的80%，約占從供電網(wǎng)獲取牽引能耗的40%。目前，國內(nèi)城市軌道交通線路的列車以4動2拖的6節(jié)編組、B型車為主，其車輛定員總質(zhì)量M的計算式為：

M=am1+bm2+(a+b)cm3

(1)

式中：

m1——拖車質(zhì)量；

a——拖車數(shù)量；

m2——動車質(zhì)量；

b——動車數(shù)量；

說明低磷環(huán)境抑制了苦蕎根系生長，不耐低磷苦蕎受影響更嚴(yán)重。同時，各苦蕎幼苗莖葉干重的變化大于根系干重，這是根冠比值上升的主要原因。與正常供磷濃度(P1)相比，P2濃度下，除‘KQ10-11’外，其它基因型苦蕎根冠比均有升高；P3濃度下，各基因型苦蕎根冠比顯著升高，而‘KQ10-11’的根冠比卻顯著降低。說明不耐低磷苦蕎品種‘KQ10-11’的根系對低磷脅迫更敏感，受低磷脅迫影響程度更大。

c——車輛(定員)平均載客量；

m3——乘客平均體重。

式(1)中，m1取32 t，m2取34 t，m3取0.06 t/人，a取2，b取4，c取250人/車，可得M為290 t。

在理想情況的電制動下，列車從最高速度降至電制動-空氣制動轉(zhuǎn)換點的速度，列車的再生制動能量的計算式為：

(2)

式中：

E——列車的再生制動能量；

η——能量轉(zhuǎn)換效率；

v1——列車的最高運(yùn)行速度；

v2——列車在電制動-空氣制動轉(zhuǎn)換點的速度；

因此，將列車的再生制動能量吸收存儲下來并進(jìn)行有效利用，是一筆很可觀的經(jīng)濟(jì)收入。目前，列車的再生制動能量吸收與利用的主流技術(shù)分為逆變能饋型與再生儲能型兩類。

1.2 逆變能饋型

逆變能饋型是指將直流牽引供電網(wǎng)無法吸收的列車再生制動電能通過牽引變電站的逆變升壓/降壓系統(tǒng)回饋至AC 35 kV的壓變電站或AC 400 V的低壓供電站中。目前，逆變能饋型系統(tǒng)在國內(nèi)部分城市軌道交通線路已有掛網(wǎng)應(yīng)用，其典型拓?fù)鋱D如圖1所示。

注：DC——直流電；AC——交流電；交流電網(wǎng)的類型包括0.40 kV、0.59 kV、1.18 kV、10 kV、20 kV、33 kV、35 kV。圖1 逆變能饋型系統(tǒng)典型拓?fù)鋱D[2]Fig.1 Typical topological diagram of inverter energy feed system[2]

逆變能饋系統(tǒng)的應(yīng)用特點有：① 節(jié)能環(huán)保，可減少制動電阻容量，但交流網(wǎng)無法吸收的電能還需制動電阻來消耗；② 技術(shù)應(yīng)用成熟，但城市軌道交通列車的制動能量很大，而逆變電力電子器件容量有限，該系統(tǒng)在可靠性上仍存在一定問題；③ 城市軌道交通列車的制動能量具有脈沖性和不固定性等特點，現(xiàn)有的電力電子器件逆變方式依然伴隨這波形畸變和諧波污染，該問題尚待解決；④ 逆變回饋至交流供電網(wǎng)還需與供電公司就反向回饋電能計費(fèi)問題進(jìn)行協(xié)商。

1.3 再生儲能型

再生儲能型是指采用儲能設(shè)備將直流牽引供電網(wǎng)無法吸收的再生制動能量存儲下來，在牽引供電網(wǎng)電壓較低時再釋放電能。再生儲能型具有穩(wěn)定供電電壓的作用，能較大限度地利用再生能量。再生儲能型系統(tǒng)的典型拓?fù)鋱D如圖2所示。

目前根據(jù)存儲設(shè)備的原理不同，再生儲能型主要分為飛輪儲能、超級電容儲能、電池儲能等類型。

1) 飛輪儲能。飛輪儲能是將轉(zhuǎn)子(飛輪)加速至極高速度的方式，使能量以旋轉(zhuǎn)動能的形式儲存于飛輪儲能系統(tǒng)中。飛輪儲能最大的優(yōu)點是，飛輪可以在極短時間內(nèi)釋放出存在其中的能量，因此具有極高的功率密度，其儲能效率在95%左右。然而，由于受材料和技術(shù)的限制，飛輪儲能設(shè)備每小時的自放電率為其儲能總量的20%，導(dǎo)致飛輪儲能的效率降低。目前，在國內(nèi)外的城市軌道交通行業(yè)中，采用該技術(shù)的應(yīng)用案例較多，如北京地鐵房山線廣陽城站、美國洛杉磯地鐵紅線等。

圖2 再生儲能型系統(tǒng)的典型拓?fù)鋱D[2]Fig.2 Typical topological diagram of regenerative energy storage system[2]

2) 超級電容儲能。超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻低、電容量大、內(nèi)阻小，儲能效率通常在85%～98%之間，且因其具有快充快放的特點，已經(jīng)被成功應(yīng)用到城市軌道交通車輛上，尤其是在有軌電車上的應(yīng)用較廣。有軌電車在站點用超級電容短暫充電后，可運(yùn)行2 km左右的距離。

3) 電池蓄能。電池蓄能是一種低成本的通用儲能技術(shù)，有成熟的技術(shù)方案。與其他蓄電池相比，鋰電池儲能具有能量密度大、自放電小、無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍廣，以及可快速充/放電、使用壽命長、環(huán)境污染小和不受地形等自然條件限制等優(yōu)點。隨著電動汽車的不斷普及，鋰電池儲能設(shè)備技術(shù)得到了快速發(fā)展，鋰電池的價格成本大幅下降，在儲能領(lǐng)域應(yīng)用更具經(jīng)濟(jì)性。

不同儲能技術(shù)的成熟度與成本差異較大，其應(yīng)用對比如表1所示。

表1 不同儲能技術(shù)的應(yīng)用對比

由表1可知，鋰電池儲能的裝載容量大、響應(yīng)時間短、壽命時間長、循環(huán)效率高，同時還具有自放電率低(每月的自放電率低于5%，未來可能達(dá)1%)、能量密度大(以日本松下21 700圓柱形單體為例，能量密度可達(dá)340 Wh/kg)、產(chǎn)品制造商眾多(符合《鋰離子電池行業(yè)規(guī)范條件》的企業(yè)名單已有40余家)等優(yōu)點。但是，鋰電池存在過充、過放、熱失控等問題，導(dǎo)致安全性差，可通過優(yōu)化電池組、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計、對組裝工藝進(jìn)行改進(jìn)，也可采用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)來保證設(shè)備的安全性。此外，鋰電池儲能技術(shù)可采用電動汽車退役下來的動力電池，使之得以梯次利用。根據(jù)北極星能源網(wǎng)報道，2020年新能源汽車退役動力電池預(yù)計約25 GWh(約20萬t)，鋰電池儲能不但可以使退役動力電池物盡其用、變廢為寶，還推動了社會價值、環(huán)保價值、經(jīng)濟(jì)效益的聯(lián)動，而且將極大削減鋰電池儲能的前期投入費(fèi)用。目前，國內(nèi)已有多家公司在此方面有所應(yīng)用，因此，鋰電池儲能技術(shù)可作為城市軌道交通再生儲能技術(shù)的首選。

2 城市軌道交通再生儲能與智能微電網(wǎng)的融合應(yīng)用

2.1 智能微電網(wǎng)

智能微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)配備了能量管理系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并連接到能量管理系統(tǒng)中，可解決電壓控制、潮流控制、保護(hù)控制等一系列問題。此外，智能微電網(wǎng)將原本分散的分布式電源進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，確保配電網(wǎng)的可靠性和安全性，為可再生能源系統(tǒng)的接入提供便利，從而實現(xiàn)用戶需求側(cè)管理和現(xiàn)有能源、資源的最大化利用。

在智能微電網(wǎng)中有各種類型的負(fù)荷，需要根據(jù)負(fù)荷的具體類型采取不同的能源供應(yīng)策略，并應(yīng)滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。智能微電網(wǎng)是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，可實現(xiàn)能源的就地轉(zhuǎn)換和消納，減少由于長距離輸電引起的損耗。智能微電網(wǎng)能夠很好地協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的技術(shù)矛盾，并具備一定的能量管理功能。智能微電網(wǎng)以分布式電源與用戶就地應(yīng)用為主要控制目標(biāo)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以“孤島”運(yùn)行。

2.2 城市軌道交通再生儲能與智能微電網(wǎng)的融合

在正常運(yùn)營時段，城市軌道交通列車不斷地再生制動，并將能量存儲到儲能設(shè)備中。由于存儲空間固定，在供電設(shè)備不出現(xiàn)電壓波動時，再生儲能設(shè)備的能量不會被利用。當(dāng)能量達(dá)到存儲上限時，解決多余的再生制動能力的方案有兩個：一是增大儲能設(shè)備容量；二是配備地面制動電阻，將多余的再生制動能量通過制動電阻熱能消耗掉。這兩種方案都會引起資源的浪費(fèi)，因此，如何將再生儲能設(shè)備中的再生能源進(jìn)行再次利用至關(guān)重要。

可將城市軌道交通再生儲能設(shè)備作為一個分布式電源，將其接入智能微電網(wǎng)，由智能微電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行控制，使之作為用戶端儲能設(shè)備，對外進(jìn)行供電。同時，城市軌道交通沿線的建筑可進(jìn)行光伏集成改造，如設(shè)置光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂?shù)?，使之成為光伏一體化建筑，以微型光伏發(fā)電站的形式接入微電網(wǎng)中；車輛段可根據(jù)具體的場地、地形情況，建設(shè)小型風(fēng)力發(fā)電站和電動汽車直流快充站等，并接入智能微電網(wǎng)中。上述多個分布式電源與能耗系統(tǒng)通過智能微電網(wǎng)直流線路互聯(lián)后，可在各自獨(dú)立運(yùn)行的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)各系統(tǒng)的電氣連接，從而實現(xiàn)能量的交換。智能微電網(wǎng)的聚合運(yùn)行及通過能量管理系統(tǒng)制定合理的控制策略，可實現(xiàn)對再生能源的消納，確保微電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)到高效協(xié)同、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

如圖3所示，城市軌道交通再生儲能與智能微電網(wǎng)融合后，可滿足再生制動能源存儲與利用的要求：

1) 鋰電池儲能設(shè)備通過雙向DC-DC變換器將在線運(yùn)營車輛的再生制動能量存儲下來。當(dāng)直流牽引供電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動時，可用于進(jìn)行穩(wěn)壓控制；在牽引供電設(shè)備故障時，還可通過雙向變流器接管供電運(yùn)營。

2) 當(dāng)中壓供電站甚至供電主所發(fā)生故障時，智能微電網(wǎng)進(jìn)行電能調(diào)度，鋰電池儲能設(shè)備通過DC-AC逆變設(shè)備進(jìn)行輔助供電，用以完成短時的供電接管，避免供電故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3) 鋰電池儲能設(shè)備將建筑光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及其他分布式發(fā)電設(shè)備的電能通過智能微電網(wǎng)存儲下來，完成再生能源的吸收。

4) 鋰電池儲能設(shè)備通過智能微電網(wǎng)進(jìn)行電能調(diào)度，可將電能與電動汽車直流充電樁相連，賺取電動汽車充電費(fèi)用；也可經(jīng)逆變設(shè)備供電給局域耗電用戶，賺取供電費(fèi)用。

5) 將智能微電網(wǎng)接入城市供電網(wǎng)，在城市軌道交通線路結(jié)束當(dāng)日運(yùn)營后，鋰電池儲能設(shè)備可參與削峰填谷(即在夜間電力低谷時從電網(wǎng)充電、在日間電力高峰時對用戶放電)，獲取峰谷供電差價的收益。此外，還可維持城市供電網(wǎng)的供電平衡，減少供電壓力，增加供電網(wǎng)的容量裕度。

注：DC——直流電；AC——交流電。

3 結(jié)語

本文提出將城市軌道交通的再生儲能設(shè)備接入智能微電網(wǎng)，建議可在城市軌道交通范圍內(nèi)推廣運(yùn)用。城市軌道交通的再生儲能與智能微電網(wǎng)的融合及協(xié)調(diào)運(yùn)行，一來可有效吸收、利用城市軌道交通列車的再生制動能量，二來可促進(jìn)城市軌道交通內(nèi)各分布式電源完善其功能，建立局域能源的合理利用模式，以達(dá)到節(jié)能減排的目的，并創(chuàng)造出一定的經(jīng)濟(jì)價值。