超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在蘇州地鐵的應(yīng)用

楊陽 張國(guó)紅 鐘龍 董健 李振 王寶平

摘要：介紹了城市軌道交通儲(chǔ)能系統(tǒng)的幾種裝置類型，對(duì)蘇州地鐵2號(hào)線超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。并通過對(duì)裝置掛網(wǎng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)分析了充電閾值和放電閾值對(duì)裝置節(jié)電量的影響。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

1 概述

新型城鎮(zhèn)化和公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略下，城市軌道交通以其運(yùn)量大、節(jié)能環(huán)保、安全快捷等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用速度越來越快，并開始從一線城市向省會(huì)城市再向三四線城市發(fā)展。且軌道交通線路規(guī)劃城市數(shù)量在持續(xù)增加，截至2017年末全國(guó)地鐵開通運(yùn)營(yíng)3883公里，在建5291公里，規(guī)劃建設(shè)7321公里。

地鐵運(yùn)營(yíng)成本中電力費(fèi)用占40%以上，電力費(fèi)用中牽引供電占到50%，可回收利用占牽引供電的比例20%以上。進(jìn)行牽引供電節(jié)能研究意義重大。

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通供電系統(tǒng)中再生制動(dòng)電能的回收利用也成為城市軌道交通領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

2 再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)分類

目前應(yīng)用于城市軌道交通供電系統(tǒng)的再生制動(dòng)能量回收裝置類型有：地面制動(dòng)電阻消耗裝置;逆變回饋型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)和儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)。

根據(jù)與交流電網(wǎng)的接口電壓制式，逆變回饋型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)又可分為中壓逆變回饋型（多指AC35kV或AC10kV）和低壓逆變回饋型（多指AC400V）。

根據(jù)儲(chǔ)能元件的種類，儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)又可分為飛輪儲(chǔ)能型、蓄電池儲(chǔ)能型和超級(jí)電容儲(chǔ)能型。目前國(guó)內(nèi)全線應(yīng)用案例應(yīng)用較多是中壓逆變回饋型再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)和超級(jí)電容儲(chǔ)能型。

國(guó)內(nèi)還有使用兩種回收裝置混合使用實(shí)現(xiàn)同一線路再生能量回收的系統(tǒng)和方法，該方法在無錫和蘇州等多個(gè)城市得到了應(yīng)用。同時(shí)隨著超級(jí)電容器技術(shù)發(fā)展，還出現(xiàn)了鋰離子超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能元件的鋰離子超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，在青島地鐵8號(hào)線得到了應(yīng)用。

為了對(duì)比研究超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與逆變回饋系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用效果，蘇州地鐵在2號(hào)線的桐涇公園站安裝了一套1MW超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，并在同一線路的徐圖港站安裝了一套2MW中壓逆變回饋系統(tǒng)。其中蘇州地鐵2號(hào)線桐涇公園站的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)于2019年3月投運(yùn)并運(yùn)營(yíng)至今。

桐涇公園站安裝的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置基本參數(shù)如下：

額定功率：1MW

額定電壓：DC1500V

額定電流：1500A（電容側(cè)）

電容規(guī)格：960V/49.5F

儲(chǔ)電量：? 6.34kWh

3 蘇州市超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

經(jīng)過節(jié)能量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，觀察設(shè)備的運(yùn)行情況。桐涇公園站超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備投運(yùn)至今已實(shí)現(xiàn)正向節(jié)電35.7萬kWh，平均每天節(jié)電量約1000kWh。

桐涇公園站儲(chǔ)能設(shè)備每季度節(jié)電量如圖16所示，從圖中可以看出，儲(chǔ)能設(shè)備在第3季度明顯比其他季度普遍減少。據(jù)統(tǒng)計(jì)夏季7、8、9月份節(jié)電量相對(duì)于其他季節(jié)，節(jié)電量偏少。

第1季度平均日節(jié)電量962.4 kWh;第2季度平均日節(jié)電量1011kwh;第3季度日均節(jié)電量759.2kWh;第4季度平均日節(jié)電量999.8kWh。

第三季度7-9月份節(jié)電量較少的原因是由于夏季空調(diào)開放，車輛輔助用電量較大，線路可回收的再生制動(dòng)能量較少，因此節(jié)電量與其他季度相比偏低。

為了研究裝置的充電閾值和放電閾值對(duì)節(jié)能效果的影響，三季度各個(gè)月份調(diào)整了裝置的充放電閾值，其中裝置2019年7月份的充放電閾值設(shè)定為1740/1610;8月份的充放電閾值為1730/1610（1日至15日）、1730/1620（16日-31日）;9月份的充放電閾值為1740/1620。

由圖4、圖5、圖6可以看出，桐涇公園站儲(chǔ)能設(shè)備7月節(jié)能量為21727kWh。8月節(jié)能量為22344kWh，9月節(jié)能量為25768kWh。

8月份下半月設(shè)備放電閾值由1610V上調(diào)至1620V后，設(shè)備日節(jié)電量與上半月相比增加了30kWh，增幅4%。9月份日均節(jié)電量比7月份日均節(jié)電量增加18%?？梢钥闯?，適度的上調(diào)儲(chǔ)能型的放電閾值，可以改善裝置的可用存儲(chǔ)容量，可以提升儲(chǔ)能型的節(jié)電效率。

7月日均節(jié)能量與8月份上半月相比，其放電閾值同為1610V，充電閾值比8月份高10V，節(jié)能數(shù)據(jù)顯示7月日均節(jié)電量比8月上半月低33kWh，節(jié)電量同比下降約4%。 可以得出，適當(dāng)降低設(shè)備的啟動(dòng)閾值，可以增加設(shè)備再生制動(dòng)回收的范圍，增加裝置的可回收電能。

4 總結(jié)

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)由于其較高的功率密度、及循環(huán)壽命，與軌道交通啟動(dòng)制動(dòng)頻繁，啟動(dòng)制動(dòng)功率大，且儲(chǔ)電量要求高的工況特點(diǎn)相吻合，目前在國(guó)際上多個(gè)國(guó)家得到了應(yīng)用。

本文介紹了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在蘇州地鐵的應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)在掛網(wǎng)應(yīng)用過程中的節(jié)能及設(shè)備閾值的變化情況，對(duì)調(diào)整設(shè)備充電閾值和放電閾值引起節(jié)能量變化的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張國(guó)紅.并聯(lián)式混合軌道再生制動(dòng)研究[J].建筑工程與設(shè)計(jì)， 2019 （8）：207.

[2] 楊宇. 鋰離子電容器的未來與展望[J]. 國(guó)外鐵道車輛， 2019，56（6）：25-28.

[3]胡敏，黃嘉燁，王婷.鋰離子超級(jí)電容器在軌交能量回收系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 儲(chǔ)能技術(shù)專輯， 2016，14：85-91