西門(mén)子運(yùn)輸系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的特性

池年虎周巧蓮

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上?！蔚谝蛔髡?，研究生）

西門(mén)子運(yùn)輸系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的特性

池年虎1周巧蓮2

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，201103，上海∥第一作者，研究生）

介紹了西門(mén)子運(yùn)輸系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置（SITRASSES）的運(yùn)行模式和工作原理，對(duì)儲(chǔ)能裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線進(jìn)行分析。介紹了SITRASSES節(jié)能效果的仿真計(jì)算和仿真結(jié)論，得出SITRASSES的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，可為牽引供電專業(yè)的節(jié)能方案提供相應(yīng)選擇。

軌道交通；牽引系統(tǒng)；西門(mén)子；儲(chǔ)能裝置

First-author'saddressRailway and Urban Mass Transit Research Institute，Tongji University，201804，Shanghai，China

在軌道交通系統(tǒng)中，當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，牽引系統(tǒng)會(huì)將再生能量回饋給牽引電網(wǎng)。如果沒(méi)有能量?jī)?chǔ)存裝置，這部分再生制動(dòng)能量只有當(dāng)附近有列車加速時(shí)，才能加以利用。為了充分利用這個(gè)再生制動(dòng)能量，西門(mén)子智能電網(wǎng)集團(tuán)開(kāi)發(fā)了西門(mén)子運(yùn)輸系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置（Siemens Transportation System Stationary Energy System，簡(jiǎn)為SITRAS SES），其核心技術(shù)是雙層電容器及其控制。SITRAS SES可以將軌道交通中車輛的再生制動(dòng)能量加以優(yōu)化利用，可以實(shí)現(xiàn)能量的快速存儲(chǔ)或釋放，從而使列車間能量的完全交換成為可能。此外，儲(chǔ)能裝置還可以起到穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓的作用，以改善牽引供電網(wǎng)的質(zhì)量。

1 SITRASSES簡(jiǎn)介

SITRASSES由主回路設(shè)備、雙層電容器監(jiān)測(cè)單元和控制系統(tǒng)等組成。圖1為SITRASSES電路示意圖。

1.1 主回路設(shè)備

主回路設(shè)備的組成及其功能如下。

1）高速斷路器（Q01）：用于接通和斷開(kāi)儲(chǔ)能裝置與牽引供電系統(tǒng)的連接，具有快速過(guò)流響應(yīng)的特性。

2）預(yù)充電電路（K01，F(xiàn)01，R01）：對(duì)直流母排電容進(jìn)行充電；控制系統(tǒng)對(duì)預(yù)充電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)預(yù)充電過(guò)程發(fā)生故障時(shí)，SITRAS SES的啟動(dòng)過(guò)程將被中斷。

3）變流器（A01，A02）：2臺(tái)變流器并聯(lián)連接，A01為主模塊，A02為從模塊。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）驅(qū)動(dòng)電路的控制器集成于A01中，此控制器接收來(lái)自系統(tǒng)的充、放電指令，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置充、放電功能。

4）電抗器（L01，L02，L03）：L01為進(jìn)線電抗器，減小來(lái)自供電系統(tǒng)電網(wǎng)震蕩的影響；L02，L03為平波電抗器，減少變流器輸出諧波對(duì)雙層電容組的影響。

5）接觸器（Q02，Q03）：用于接通和斷開(kāi)雙層電容器與主回路的連接，受控制系統(tǒng)監(jiān)控。

6）雙層電容器（C11，…，C65）：多個(gè)電容器集成于電容器模塊ESM 125，形成2套儲(chǔ)能單元，存儲(chǔ)列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量。

7）放電接觸器（K21，…，K26）：系統(tǒng)正常工作時(shí)，放電接觸器為閉合狀態(tài)；當(dāng)需要對(duì)雙層電容器放電時(shí)，放電接觸器斷開(kāi)。

圖1 SITRASSES電路示意圖

8）放電電阻（R21，R22）：當(dāng)雙層電容器的電壓超過(guò)電壓上限時(shí)，雙層電容器通過(guò)放電接觸器對(duì)放電電阻進(jìn)行放電。

9）保護(hù)熔斷器（F41，…，F(xiàn)53）：當(dāng)發(fā)生過(guò)流、內(nèi)部絕緣故障或變流器短路時(shí)，保護(hù)熔斷器斷開(kāi)，以保護(hù)雙層電容器。

10）風(fēng)扇（M01，M02，M03）：可以通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)變流器和雙層電容器進(jìn)行冷卻，其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有快、慢2個(gè)等級(jí)。

SITRASSES的核心部件為雙層電容器。圖2為MasWell公司的K2系列雙層電容器。雙層電容器集成在抽屜緊湊型的電容器模塊ESM 125中（見(jiàn)圖3）。各個(gè)ESM 125模塊由48個(gè)雙層電容器串聯(lián)組成，4個(gè)ESM 125模塊串聯(lián)連接形成1組，3組ESM 125模塊再并聯(lián)形成了1套儲(chǔ)能單元。SITRASSES有2套獨(dú)立的儲(chǔ)能單元，分別與2臺(tái)變流器相接。機(jī)柜中電容器模塊ESM 125的分布見(jiàn)圖4。

MasWell公司K2系列電容器為2.7 V、3 000 F雙層電容器。單個(gè)電容器的最大工作電壓為2.7 V，1套儲(chǔ)能單元充滿電后的最高電壓為518.4 V。2套儲(chǔ)能單元的全部電容器數(shù)量為1 152個(gè)，總電容為94 F，最大存儲(chǔ)能量為80 kWh。雙層電容器具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：它的使用壽命長(zhǎng)、效率高，具有非常強(qiáng)的反復(fù)充電能力；雙層電容器可以真正做到免維護(hù)，這點(diǎn)較飛輪儲(chǔ)能裝置而言，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。雙層電容器的電能儲(chǔ)存能力在短時(shí)間內(nèi)既可以成比例遞增，也可以直線下降。這種特征決定了SITRAS SES可以與軌道交通系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求完美地匹配。

圖2 雙層電容器

圖3 抽屜緊湊型電容器模塊ESM 125

1.2 雙層電容器監(jiān)測(cè)單元

監(jiān)測(cè)單元（D11，D12）：監(jiān)測(cè)單元通過(guò)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線與所有雙層電容器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)雙層電容器狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由SIMATIC PC和SIMATIC Flat Panel（觸摸屏）組成?？刂葡到y(tǒng)除了對(duì)SITRAS SES的集中管理和控制外，還有以下主要監(jiān)測(cè)功能：

1）過(guò)壓監(jiān)測(cè)：兩套儲(chǔ)能單元都安裝了過(guò)壓繼電器，如果雙層電容器超出整定電壓，過(guò)壓繼電器將斷開(kāi)主回路中接觸器Q02、Q03，并且開(kāi)始對(duì)雙層電容器放電。

2）絕緣故障檢測(cè)：柜體構(gòu)架必須與供電變電站的接地網(wǎng)絡(luò)相連，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出有對(duì)地的電流時(shí)，整個(gè)裝置將被關(guān)斷。

3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：①相關(guān)接觸器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；②相關(guān)電壓、電流的狀態(tài)監(jiān)測(cè)；③冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 SITRASSES的運(yùn)行模式和工作原理

SITRASSES具有2種運(yùn)行模式：穩(wěn)定網(wǎng)壓運(yùn)行模式和節(jié)能運(yùn)行模式。2種運(yùn)行模式的工作原理相似，SITRAS SES可以在這2種運(yùn)行模式之間自動(dòng)切換，以適應(yīng)不同的運(yùn)行需求。

1）穩(wěn)定網(wǎng)壓運(yùn)行模式：在這種運(yùn)行模式下，SITRASSES儲(chǔ)存的能量始終保持在高水平，只有當(dāng)牽引網(wǎng)壓低于規(guī)定值時(shí)，它才向牽引網(wǎng)釋放電能。

2）節(jié)能運(yùn)行模式：在這種運(yùn)行模式下，SITRAS SES吸收列車制動(dòng)時(shí)的能量，存儲(chǔ)在儲(chǔ)能介質(zhì)中。在隨后有列車加速時(shí)，SITRAS SES再將儲(chǔ)存的能量向牽引供電系統(tǒng)釋放出來(lái)。

SITRASSES的進(jìn)線輸入來(lái)自牽引供電系統(tǒng)，所以SITRASSES工作時(shí)的重要信號(hào)源是牽引線網(wǎng)電壓。其充放電曲線示意見(jiàn)圖5所示。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，線網(wǎng)電壓上升，SITRAS SES吸收能量；當(dāng)列車牽引時(shí)，線網(wǎng)電壓下降，SITRASSES釋放能量。

圖5 SITRASSES充放電曲線示意圖

SITRAS SES能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牽引線網(wǎng)電壓，并計(jì)算2個(gè)數(shù)值：線網(wǎng)電壓平均值，線網(wǎng)電壓瞬時(shí)值與平均值的差值。

1）當(dāng)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行處于無(wú)載荷工況時(shí)，SITRASSES計(jì)算線網(wǎng)電壓的平均值，此平均值將作為其控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參考值。

2）若線網(wǎng)電壓瞬時(shí)值與平均值的差值超出充電電壓閥值，并呈上升趨勢(shì)時(shí)，SITRASSES對(duì)雙層電容器組進(jìn)行充電。充電電流取決于可參數(shù)化的充電斜率和最大充電電流。

3）若線網(wǎng)電壓瞬時(shí)值與平均值的差值超出放電電壓閥值，并呈下降趨勢(shì)時(shí)，SITRAS SES從雙層電容器組釋放電能。放電電流取決于可參數(shù)化的放電斜率和最大放電電流。

上述為SITRAS SES節(jié)能運(yùn)行模式的工作原理。穩(wěn)壓運(yùn)行模式的工作原理與節(jié)能運(yùn)行模式非常相似。為了確保SITRASSES的能量處于較高的水平，以便在牽引網(wǎng)壓大幅度下降時(shí)，可以為牽引供電系統(tǒng)提供最大的電能，所以，當(dāng)線網(wǎng)電壓瞬時(shí)值與平均值的差值超出放電電壓閥值時(shí)，必須對(duì)雙層電容器組進(jìn)行持續(xù)的、恒定功率的充電。

3 SITRASSES的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

3.1 穩(wěn)定網(wǎng)壓運(yùn)行模式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6為SITRASSES在穩(wěn)定網(wǎng)壓運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線。在時(shí)間點(diǎn)t1由于線路上有若干列列車同時(shí)加速，造成牽引網(wǎng)電壓Us下降到臨

界值之下；SITRAS SES開(kāi)始啟動(dòng)穩(wěn)定網(wǎng)壓運(yùn)行模式，持續(xù)向牽引網(wǎng)釋放足夠的電能（此時(shí)SITRAS SES的充電電流ISES為負(fù)），直到時(shí)間點(diǎn)t2，以維持系統(tǒng)電壓不低于510 V。一旦列車完成加速過(guò)程，牽引網(wǎng)電壓開(kāi)始上升，SITRASSES就開(kāi)始充電；此時(shí)的充電過(guò)程既可以由線路上列車的再生制動(dòng)能量充電，也可以由直流變電所的牽引供電設(shè)備充電。圖6中的時(shí)間點(diǎn)t3和t4顯示，在列車輛制動(dòng)時(shí)SITRASSES的充電電流快速上升，儲(chǔ)能WSES也進(jìn)一步提高。

圖6 SITRASSES在穩(wěn)定網(wǎng)壓運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

3.2 節(jié)能運(yùn)行模式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖7為SITRASSES節(jié)能運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線。時(shí)間點(diǎn)t1在供電區(qū)間3有一列車加速，其牽引電流I3為正；SITRASSES持續(xù)向牽引網(wǎng)釋放電能，WSES減小，ISES為負(fù)。時(shí)間點(diǎn)t2在供電區(qū)間2有1列車制動(dòng)，其牽引電流I2為負(fù)；SITRAS SES充電，WSES增加，ISES為正。時(shí)間點(diǎn)t3在供電區(qū)間1有1列車制動(dòng)，I1為負(fù)；SITRAS SES充電，ISES為正。時(shí)間點(diǎn)t4在供電區(qū)間1仍然有1列車制動(dòng)，在供電區(qū)間4有1列車在加速；SITRASSES立刻從充電儲(chǔ)能運(yùn)行狀態(tài)切換為釋放能量運(yùn)行狀態(tài)，WSES減小，ISES為負(fù)。

4 節(jié)能效果的仿真計(jì)算

為研究如何充分發(fā)揮節(jié)能特性使其達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果，西門(mén)子公司智能電網(wǎng)部門(mén)的工程師們開(kāi)發(fā)了節(jié)能效果評(píng)估的仿真計(jì)算工具。此仿真計(jì)算工具以車輛類型、列車最高運(yùn)營(yíng)速度、車站分布和運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表等相關(guān)參數(shù)作為輸入，得出SITRAS SES在線路上安裝的最佳位置，從而為節(jié)能方案提供參考。如圖8為典型直流750 V的2條輕軌線路的仿真計(jì)算實(shí)例。其具體輸入?yún)?shù)如下：

1）2條線路每年總能耗：7 053 MWh。

2）2條線路情況：①線路1長(zhǎng)10 km，有19座車站；②線路2長(zhǎng)5 km，有13座車站。

3）車輛類型：Combino Plus。

4）列車最高運(yùn)營(yíng)速度：70 km/h。

5）每列車（3節(jié)車輛）能耗：25 kW。

6）運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表：①線路1，每天運(yùn)行6.5 h，10 min一班；②線路2，每天運(yùn)行12.5 h，20 min一班。

圖8所列2條輕軌線路仿真計(jì)算的節(jié)能效果如表1所示。由表1可知，SITRAS SES的節(jié)能效果取決于其安裝的位置和列車運(yùn)營(yíng)的密度。本仿真計(jì)算中，SITRAS SES安裝在2條線路交叉處并為20 min一班車的行車密度時(shí)可取得最佳的節(jié)能效果。

表1 SITRASSES節(jié)能效果仿真計(jì)算結(jié)果MWh/年

圖7 SITRASSES在節(jié)能運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

圖8 某兩條輕軌線路的SITRASSES安裝分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今節(jié)能減排的大背景下，為了降低城市軌道交通運(yùn)行的電能消耗，各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都在制定和實(shí)施節(jié)能措施來(lái)完成節(jié)能的指標(biāo)。SITRAS SES的節(jié)能特性，可為牽引供電專業(yè)節(jié)能方案的制定提供參考。北京地鐵5號(hào)線于2006年開(kāi)始安裝應(yīng)用SITRASSES。

［1］ 趙立峰，張發(fā)明.北京地鐵5號(hào)線再生電能吸收裝置［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2008（1）：6.

［2］ 陳勇，羅銳鑫.城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方式的研究［J］.城市軌道交通研究，2012（8）：157.

Characteristics of Siemens Transportation System Stationary Energy System

Chi Nianhu，Zhou Qiaolian

The operation mode and working principle of Siemens Transportation System Stationary Energy System（SITRAS SES）is introduced，the character curve of SITRASSES dynamic response is analyzed.Then，the simulation calculation and aconclusion of the energy saving effect of SITRASSESare introduced，its advantage in energy saving is summarized.SITRAS SES it could provide corresponding selection of energy saving schemes in tractive power supply system.

rail transit；traction system；Simens；stationary energy system

U 270.35.9

2014-03-31）