軌道交通能源利用與節(jié)能技術研究

摘要：隨著能源利用與節(jié)能技術的迅速發(fā)展，低碳可持續(xù)的綠色能源將為城市軌道交通系統帶來深刻變革。將光伏發(fā)電應用于城軌供電，不僅提升可再生能源占比，減輕供電壓力，還能降低運營成本，推動“綠色交通”發(fā)展，完全符合我國構建低碳交通模式的戰(zhàn)略方向。探討了城市軌道交通領域中的能源利用與節(jié)能技術，重點分析了風能、熱能和太陽能的采集技術。在城市軌道交通能源應用研究中，提出了分布式光伏-儲能供電系統方案，并詳細闡述了其能源節(jié)能技術路線。通過對光伏發(fā)電接入城市軌道交通系統后的不同供電模式進行對比，進一步研究了多分布式光伏-儲能系統的協同控制策略。該策略旨在通過考慮儲能系統的荷電狀態(tài)（SOC）均衡，優(yōu)化系統的能量流動，減少線路損耗，提高系統的整體能效。此研究對于推動城市軌道交通的綠色、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關鍵詞：城市軌道交通；能源利用；能源節(jié)能技術；分布式光伏-儲能系統；協同控制策略

0 前言

隨著全球氣候變化和能源危機的日益嚴峻，城市軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其能源利用與節(jié)能技術受到了廣泛關注。如何在確保城市軌道交通高效、安全運行的同時，減少能源消耗、降低碳排放，成為行業(yè)內外研究的熱點［1-2］。本文重點探討城市軌道交通領域的能源利用與節(jié)能技術，特別是風能采集、熱能采集以及太陽能采集等方面的技術進展。在此基礎上，本文進一步分析分布式光伏-儲能供電系統在城市軌道交通系統中的應用，并提出多分布式光伏-儲能系統的協同控制策略，以期為實現城市軌道交通的綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展提供有益的思路和方法。

1 城市軌道交通領域能源利用與能源節(jié)能技術分類

1. 1 風能采集

城市軌道交通，作為現代城市出行的重要支柱，其節(jié)能與環(huán)保的發(fā)展尤為關鍵。在尋求可持續(xù)能源解決方案的浪潮中，風能采集技術因其綠色、可再生的特性而備受矚目［3］。哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學電氣與電子工程系的研究團隊，專門針對城市軌道交通的環(huán)境特點，提出了一種革命性的車頂風能采集裝置設計方案［4］。通過SolidWorks仿真技術，他們深入研究了風力渦輪機在高速行駛和隧道穿越時的空氣動力學特性，并評估了其對列車運行效率的影響。研究成果令人振奮：盡管風力渦輪機為列車帶來了一定的空氣阻力，但其采集的風能轉化為的電力，遠超過了列車為克服阻力所消耗的電力。這不僅證實了風能采集在城市軌道交通中的實用性，還預示了該技術對提升能源自給率和減少傳統能源依賴的巨大潛力。環(huán)保層面，風能采集技術將顯著降低城市軌道交通的碳排放，為行業(yè)的綠色發(fā)展注入新動力。展望未來，隨著技術的成熟和成本的降低，風能采集技術有望在更多城市軌道交通線路中廣泛應用。

1. 2 熱能采集

在城市軌道交通中，高效能源利用與節(jié)能技術是實現綠色交通的關鍵。熱能采集技術嶄露頭角，通過熱電發(fā)電機將微小溫差轉化為電能，為能源利用開辟新道路。在韓國研究所的先進車輛團隊中，運用熱電模塊（TEM）技術，回收列車運行過程中產生的廢熱，將其轉化為電能，不僅為低功耗設備供電，還降低列車過熱風險［5］。這一創(chuàng)新研究為城市軌道交通的綠色發(fā)展提供了新的可能性，助力構建更加環(huán)保、可持續(xù)的交通體系。

研究人員通過實驗嚴格驗證了熱電模塊在不同溫差下的轉換效率，并通過流體動力學分析優(yōu)化冷卻翅片，確保熱能采集系統（TEHS）高效運作［6］。他們設計并測試了優(yōu)化的TEHS 系統，在實際車輛中分析其能源回收性能。這一研究凸顯了熱能采集技術在城市軌道交通中的巨大潛力，并為后續(xù)研究提供了寶貴經驗。隨著技術成熟和成本降低，熱能采集技術有望在更多城市軌道交通中推廣，推動交通系統向綠色、高效、可持續(xù)的方向發(fā)展，助力環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的目標實現。

1. 3 太陽能采集

太陽能作為一種清潔、可再生的能源，在城市軌道交通領域具有巨大應用潛力。有研究人員針對鐵路沿線的特定環(huán)境，設計了基于微型逆變器和去耦光伏組件的新型解決方案［7］。該方案有效解決了車頂光伏板面臨的朝向、移動和陰影問題，顯著提高了太陽能采集效率。實驗證明，該方案相比傳統技術，能量產量提升高達23%，從2% 躍升至25%，為城市軌道交通的綠色能源應用開辟了新的道路。

該研究不僅驗證了太陽能技術在城市軌道交通中的高效性和可行性，更為未來研究和應用提供了堅實的技術支撐［8-9］。他們揭示了太陽能技術在多式聯運中的廣闊前景，結合其他綠色技術，推動城市交通向綠色、低碳轉型。這一創(chuàng)新為城市軌道交通的能源利用和節(jié)能技術注入了新活力，不僅促進能源回收和循環(huán)利用，減少對傳統能源的依賴，還成為推動綠色交通發(fā)展的重要途徑。隨著技術進步和成本降低，太陽能技術在城市軌道交通中的應用將更加廣泛，為實現可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

2 城市軌道交通能源利用與能源節(jié)能技術應用研究

2. 1 城軌交通系統用分布式光伏-儲能供電系統方案

能源節(jié)能技術路線和光伏發(fā)電接入城市軌道交通系統后不同供電模式對比見表1。

從上述表1 可以分析出，在城市軌道交通中，光伏發(fā)電通過不同的供電模式為直流牽引供電系統注入綠色能源。模式一和二雖在高壓側并網，但模式一適合遠距離供電，如車輛段停車場，然而長距離輸電會帶來損耗。而模式三簡便易用，適用于高架車站、高架區(qū)間和地下站出入口，因其投資成本低且經濟效益顯著。模式四則直接接入牽引側，結合儲能技術確保供電穩(wěn)定。

鑒于牽引網電壓波動大及列車高峰負荷重，光伏直接接入直流牽引網不僅提升了電能質量，還通過智能控制策略優(yōu)化了能量流動。車輛段/停車場因其開闊空間，成為光伏大規(guī)模接入的理想選擇。高架車站雖接入面積受限，但隨著擴建，已具備為列車供電的潛力。有效利用面積決定了光伏電能的規(guī)模，當面積足夠時，光伏電能將助力城市軌道交通實現綠色、高效的能源利用。

2. 2 多分布式光伏-儲能系統協同控制策略

在城市軌道交通系統中，高效管理多光伏-儲能系統、牽引變電所與列車間的能量交互對于節(jié)能穩(wěn)壓具有重要意義。傳統的下垂控制方法因固定的下垂系數，難以適應初始荷電狀態(tài)（SOC）不均衡的多儲能系統，可能導致儲能設備性能受損。

為此，本文提出了一種創(chuàng)新的改進型下垂控制策略，該策略特別考慮了SOC 的均衡性。通過引入動態(tài)下垂系數，我們實現了SOC 與充放電下垂系數的動態(tài)調整。具體而言，當儲能設備處于充電狀態(tài)時，SOC 較低的設備將獲得更高的充電優(yōu)先級，即充電下垂系數與SOC 呈負相關；而在放電狀態(tài)下，SOC 較高的設備將優(yōu)先放電，即放電下垂系數與SOC 呈正相關。

這種動態(tài)調整方式允許我們通過靈活設置調速因子v，根據儲能設備的實時SOC 狀態(tài)來優(yōu)化功率分配。這樣，不僅確保了所有儲能設備在安全、高效的范圍內運行，還顯著提高了系統整體的能量利用率和穩(wěn)定性。

仿真實驗驗證了這一策略的有效性。與傳統方法相比，改進型下垂控制不僅大幅降低了線路損耗，還實現了SOC 的均衡管理。線路損耗與調速因子呈正相關，表明可以通過調整調速因子來進一步優(yōu)化系統性能。此外，該策略展示了系統在能量流動管理上的高度靈活性，為城市軌道f372e5394c7dabb58d0d5785bb4559bd交通的能源利用與節(jié)能提供了有力的技術支撐。

3 結語

在全球倡導使用綠色、低碳能源的背景下，城市軌道交通在能源技術方面取得了重要進展。風能、熱能、太陽能等可再生能源的引入，為軌道交通系統注入了新動力。其中，分布式光伏-儲能供電系統以其高效、環(huán)保特性，成為城市軌道交通的重要選擇。該系統不僅減輕了供電壓力，還提高了能效。此外，多系統的協同控制策略確保了能量的優(yōu)化流動和系統穩(wěn)定。展望未來，隨著技術創(chuàng)新，城市軌道交通在能源利用和節(jié)能方面將繼續(xù)取得突破，為實現綠色交通和低碳生活目標做出更大貢獻，為全球可持續(xù)發(fā)展注入新動力。

參考文獻

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