林飛：超級電容儲能系統(tǒng)在城市軌道交通中的應用
時間:2015-12-30 14:59來源:中國電池聯盟 作者:西顧
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目前，我們在軌道交通方面也進行了很多研究，主要有兩類的方式，第一類是能饋型，改成新的電子器件。這些整流器制動的時候回歸到電網，低壓能饋是到地鐵的400伏的系統(tǒng)。另外一種解決方案是用儲能的原件把再生制動能量儲存起來，一種是地面儲能，一種是車載儲能。地面儲能是放在線路中間或者地面，車載方面是裝載一些儲能的原件。
能饋型是回到地鐵本身400V的系統(tǒng)，給車站的照明和電梯供電。主要的好處是比較簡單，缺點是因為地鐵本身車站負載不均衡，不一定能夠吸收掉瞬時的制動功率，節(jié)能效果有限。另外一個是中央能饋，比如說并聯一個能饋型的電器，可以把再生制動能量回饋到電網。
和儲能型的優(yōu)點相比，它的儲能成本比較低，從開關、調用器以及電子器件來說，和儲能型用的設備一樣，但是它既沒有電池和電容，相當于把上一級的電網做了放大的儲能原件。從成本上來說，相對比較低一點。主要的問題是目前我們國家的城市電網，尤其是北京這種比較大的城市，很難處理瞬時的幾兆瓦的功率，回饋到電網也是對電網很大的沖擊。
這是逆變回饋的方式，我們國家在世界上也是比較領先，從廣州地鐵的實驗來看，北京地鐵14號線和其他的幾條線路也裝上了這種設備。我們有飛輪儲能，不過德國很早就有了。 功率是1兆瓦，儲能量12千瓦時，重量2.5噸左右，都比較適合于地鐵的應用，主要的問題是目前的國產化率還不是特別的高。
第二種儲能方式是電池儲能，日本的軌道交通用電池儲能的比較多，包括日本川崎和東芝也做了一些實驗，近期日本東芝有一個鈦酸鋰的地鐵系統(tǒng)，在東京做的實驗。和節(jié)能型儲能相比，除了節(jié)能以外還有一個應用，起到故障支援的能力。因為日本是地震多發(fā)的國家，遭受到一些自然災害停電以后，能夠通過儲能把車安全的回到車站。
除了地面儲能以外，現在有很多車載儲能裝置。不管是超級電容還是電池，都會造成車的截面增大，隧道面積會增大，不太核算。一般儲能式的車都是用在地面的有軌電車上，原來我們國家有一套鋰電池的儲能有軌電車，是在南京的一條有軌電車線上開始運行。另外，在國外都有類似的采用車載蓄電池的技術，法國還采用了鎳氫電池的有軌電車。
最后一個是超級電容，實際上也是很早以前就用在了有軌交通上面，比較有代表性的西門子的這套地面超級儲能系統(tǒng)。在北京五號線裝有這五套西門子的裝置，可惜的是效果非常不理想，基本上是一個失敗的產品，造成了超級電容一直在我們國家軌道交通界反響不好，本來對它是有很高的期望的，但是這套失敗的產品延緩了它在國內了應用。
當然主要的問題是多方面的，西門子的這套系統(tǒng)在咱們國家不太好用，但是在德國、西班牙的地鐵里一直運行的都比較好。此外，超級電容也有一些車載的應用，比如說龐巴迪采用的是雙電層電容器組成，阿爾斯通STEEM系統(tǒng)都采用了超級電容。這兩種車的主要目的不是從終點站到終點站的持續(xù)運行，而是在線路中間，尤其是在歐洲的城市中心，因為不希望有這種接觸網，這兩種車都是在有網和無網的緩和應用。大部分的時候是由接觸網給列車供電，但是在經過一些景觀或者保護期的時候，由于市政的需要，采用超級電容支撐它一公里到兩公里的距離。
超級電容儲能的有軌列車我們國家也在做，曹老師也提到南車，比如說廣州海珠線的有軌電車，江蘇淮安現在也有一套有軌電車在試運行。因為在座的都是專家，超級電容的功率密度比較理想，能量密度比較低。電池恰恰相反，現在有很多做混合儲能的，把超級電容和電池結合在一起。這是美國費城地鐵的一套超級電容儲能裝置，我們國家也在做這種研發(fā)工作�？傮w來說能饋型和儲能是目前能量的回收方式，能饋型結構及控制簡單，節(jié)能效果好。儲能星的功率密度大，壽命長，能量密度高，體積小，功率密度大。不管在國內還是國外，對交流電網的沖擊很大，而且我們國家地鐵公司返回到電網以后不會有收益。儲能型分地面式和車載式，目前主要是用超級電容和電池，當然在十幾年前歐洲用過飛輪儲能的電車，但是由于各種原因沒有得到推廣。車載方式主要用在有軌電車上，主要的目的一個是節(jié)能，另外一個是避免接觸網的架設和其他的問題。
對于大規(guī)模的地鐵來說，地面式的超級儲能用的更加廣泛一些，包括飛輪儲能都有應用。功率密度比較大，非常適合地鐵短時間剎車能量，因為地鐵剎車20秒左右，功率大概是在兆瓦級，超級電容的壽命也比較長，適合地鐵頻繁的剎車。缺點是能量應用比較大，體積比較大。接下來介紹一下我們在地鐵里應用碰到最大的問題，很難找到合適的變電站把很大體積的超級電容柜放在變電站里，尤其很多是在地下。
由于它的能量密度多，能起到回收短時間再生能量的作用，目前超級電容還不太現實。日本走的是電池路線，采用了很多鎳氫電池和鋰離子電池、碳酸鋰電池都有應用。主要特點是能量密度高，除了節(jié)能以外，還能起到支持網壓和列車運行的作用，壽命還受到一定限制。飛輪的綜合優(yōu)勢比較明顯，但是目前技術成熟度不是特別的理想。
下面給大家介紹一下地面式超級電容儲能的研究工作，它的主要優(yōu)點是功率密度大，使用密度長，能夠快速充放電。和地鐵里的啟動制動功率大，制動迅速的特點是相匹配的。因此，超級電容比較適合在城市交通軌道中作為儲能裝置，可以循環(huán)利用再生能量，當這個車牽引的時候把能量再放出來。
除了節(jié)能以外，還可以抑制地鐵里電壓過高或者過低的波動。當然還有很多其他的優(yōu)勢，單純從成本來看，節(jié)電的效果和投入并不是特別理想。但是它實際上帶來一些額外的收益，比如說裝了儲能裝置以后，地鐵剎車的機械制動磨損會大幅度降低，降低更換剎車片的成本。另外一個是避免粉塵在隧道中的分布，為了處理這些粉塵，地鐵里在線路中間有一些通風口，一個是它需要很多的電能來進行通風，修建隧道的時候，通風口的挖掘會建立很多成本，如果有一個合適的裝置，通風散熱的成本省掉。
這個項目大概在兩年前北京地鐵運營總公司和北京城建設計研究院和我們大學、傾倒四方車輛研究所，當時研究的目的是取代五號線西門子的超級電容組成裝置。首先做了一個仿真的系統(tǒng)做節(jié)能運算和評估，因為地鐵線路有環(huán)線，也有輻射狀的線，對儲能裝置的需求和配置不一樣。另外一個儲能裝置的能量和功率的需求，和發(fā)車密度等等關系很大。怎么樣能夠合適和優(yōu)化的安排儲能裝置的安裝位置以及它的功率和能量的配置，最早開展了這方面的研究，后來做了一個兩百千瓦的樣機，在北京地鐵的十號線和八通線做了測試，最后做了兩兆瓦的系統(tǒng)，在今年的春節(jié)前要在八通線做上線的實驗。
首先給大家介紹一下儲能系統(tǒng)的容量配置的研究，對地鐵來說并不是每一個列車的制動能量都要被儲能裝置吸收，因為地鐵的復雜線路來講，有的車在制動，同時有其他的車在牽引。因此所需要收集的制動能量是被其他牽引車吸收利用掉，隨著各種的因素不可能恰好被其他的車所吸收，多余的制動能量需要被儲能裝置吸收。
因此剩余的再生制動能量和參數以及車輛以及地鐵運行圖和發(fā)車的監(jiān)管密度有很大關系。因此我們當時做了一套仿真軟件，我考慮到線路車輛和行車的輸入條件，我可以計算出每列車的電壓電流和功率能量，在電器網絡計算中，我們把超級電容做了詳細的建模，可以考慮對系統(tǒng)的影響。這是其中的幾個模塊，第一個比較重要的是列車的牽引計算，根據列車動力建模酸處制動和牽引的能量，主要的輸出結果是列車運行的速度和時間、功率的曲線。
另外一個是地鐵直流網潮流解析結果，列車的網壓和網流以及變電站的波形，從比較詳細的控制策略來講，都給它考慮到模型里面，做一個比較詳細的仿真。這是我們當時算的超級電容和儲能裝置以及SOC的變化，因為這種軟件比較多，我們主要的優(yōu)點是考慮儲能裝置，地鐵不太放心，因為軟件賣的很多，仿真軟件準不準是一個問題。我們去年在地鐵亦莊線做了測試，我們學校和地鐵聯合做了大概一個星期的測試，把列車實際的車載的電壓電流和變電站的電壓電流記下來，仿真軟件做一個對比，最后的結果比較吻合，能耗和電壓電流比較吻合。
這個時候就優(yōu)化儲能裝置配置，這是我們仿真的實例。假如說我們在每個站都設儲能裝置的話，最大的節(jié)能率大概是21%，每天可以大概節(jié)8500度電，每年節(jié)省312萬千瓦時。通過優(yōu)化設計以后，不是在每個站都設，挑一些剩余再生能量比較多的站設置儲能裝置。挑了五個站設置，最大的節(jié)能率從21%下降到16%，但是剛才是13個站，現在只有5個站設置儲能裝置，成本會大幅度下降。
在仿真計算的同時我們也開發(fā)了兩百千瓦的儲能裝置的樣機，后面是超級電容。因為超級電容和電壓相對來說比較低，地鐵的網壓相對來說比較高，因此中間需要一個直流到直流的變換裝置。這是當時做的兩百千瓦的樣機，這兩個藍色的超級電容柜，右邊的柜子是直流斷路器以及DCBC。當時我們根據網壓的高低判斷超級電容的能量，假如說有牽引造成網壓下降的話，我們會讓超級電容放出制動能量，這是詳細的控制框圖。因為放電和充電DCBC是兩種工作狀態(tài)，因為系統(tǒng)的控制比較復雜，所以說控制還需要一些特殊的設計。
后來我們在實驗室做完了樣機實驗以后，2014年3月到6月在萬柳做了一個測試。當時在試車線，在空閑的時候配合我們老師和學生一起做實驗，考察超級電容的效果，這是當時牽引和制動實驗的數據。因為列車的牽引能耗在試車的時候牽引能耗2.7，超級電容提供了0.52度電，裝置的功率和能量比較小，大概提供了19%的能量。
制動階段因為沒有電阻和其他的吸收制動能量的裝置，我們人為的把制動司機的手柄用到最低級位的，電制動能量0.66千瓦時，其中儲能裝置吸收0.44千瓦時，也被其他負載吸收掉。當時我們還做了一些研究性的實驗，隨著超級電容放電閾值的設置越來越接近空載電壓，如果我通過設置一個合適的充放電閾值，就可以調整它的處置裝置的節(jié)能效果。
去年2月份我們在八通線正線做了一次接線圖，這是通州北苑站做的一個變電站。首先是夜間做了單車測試，晚上地鐵下班以后，把車回庫以后的實驗，不涉及正線的運行。這次實驗是在正常運行的八通線上做的實驗，為了安全我們首先做了單車的測試，只保留了管莊和果園的供電，專門有一個車和司機配合我們做實驗。這是當時做實驗的一些結果，比如說從從八里橋到通州北苑回收0.65度電，比較長，有一些制動的限速，通州北苑到果園是0.3。
做完了夜間單車實驗驗證了可靠性以后，我們正常的線路在跑，投入正常的運行。這是當時測試的實驗結果，需要有列車進站制動的時候把能量吸收起來，離開需要牽引的時候，可以進行運行。目前我們仍然在開展這方面的研究工作，通過做實驗發(fā)現牽引變電站和列車的運行參數對儲能裝置的研究效果有非常大的影響。
比如說列車的限流曲線，限制它的制動電流。如果和制動儲能系統(tǒng)配合的不好，吸收不了多少電，大部分的能量都被車載機械系統(tǒng)消耗掉了。八通線上也配了制動電阻，希望中間有一個協(xié)調。網絡的電壓由于列車的制動以外，本身的波動也比較大。夜間的電壓比白天電壓高很多，因此要根據空載電壓實時調整策略。此外，車載參數和工具對儲能系統(tǒng)正常運行有很大影響。
剛才說的都是一臺樣機，那么未來在一條線路有多個變電站，同時裝多個儲能裝置，能量管理策略怎么設計呢？包括車和牽引變電所本身的牽引變流器怎么協(xié)調控制呢？也是我們目前存在的措施，還在繼續(xù)對它進行優(yōu)化。以前只是位置的優(yōu)化，現在裝在參數上和容量一起進行優(yōu)化，就可以得到更好的節(jié)能效果。
第三個工作是和青島四方所開展了兩兆瓦的線路，我們是由四個并聯組成的。這是其中的電路器和正極柜以及變流器，一共有六個超級電容柜，占地面積是非常大的，在地鐵里很難找到一個合適的牽引變電站，尤其是在地下，把這十幾個柜子都運到地鐵里去。
我們兩兆瓦是分成每一兆的，運用到八通線，下個星期開始做上線的措施。同時，剛才我說到了用電器和電容混合儲能需要的有軌電車。比如說城市中某一個部分用儲能裝置來配合，如果我完全是一個無網系統(tǒng)，電池要多一些，假如說中間很少一段，只要用超級電容就可以了。根據線路的需求，可以進行系統(tǒng)的設置。因為他們的特性不一樣，把沖擊性變化符合比較高的，用電池和進行提供。
超級電容儲能系統(tǒng)可以非常有效的提高地鐵里面再生制動能量的利用率，抑制網壓波動。儲能系統(tǒng)的容量配置及安裝位置要進行優(yōu)化設計，還有儲能系統(tǒng)的控制參數需綜合考慮，全線路多個儲能裝置投入運行來協(xié)調。
謝謝大家！
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