新型城市軌道交通供電系統(tǒng)節(jié)能組合方案

摘 要：本文介紹了使用再生制動(dòng)并結(jié)合能量儲(chǔ)存裝置節(jié)約電能提高地鐵供電系統(tǒng)供電品質(zhì)的組合方案。這種能量儲(chǔ)存裝置可以安裝在變電站內(nèi)，線路側(cè)，也可以安裝在地鐵列車上。隨著超級(jí)電容器技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用，這種組合節(jié)能方案將有很大的應(yīng)用可行性。

關(guān)鍵詞：地鐵列車；供電系統(tǒng)；再生制動(dòng)；電阻制動(dòng)

地鐵列車，對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)來說是一種移動(dòng)變化的負(fù)載。這些移動(dòng)變化的負(fù)載對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)性能有很高的要求。雖然設(shè)計(jì)的地鐵列車能夠在一定的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，然而由于電機(jī)的性能受供電電壓范圍及等級(jí)的影響，因此當(dāng)電壓等級(jí)低于或超過設(shè)計(jì)的供電電壓范圍時(shí)，將會(huì)影響列車的動(dòng)力性能，進(jìn)而影響列車的運(yùn)行速度。不斷增加的能源成本一直以業(yè)是地鐵運(yùn)營管理部門嚴(yán)重關(guān)切的話題。如何降低能耗成為鐵路系統(tǒng)運(yùn)營商須優(yōu)先考慮的問題。

近年來，超級(jí)電容器技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，使應(yīng)用超級(jí)電容器作為能量儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存過度反饋的再生制動(dòng)能量成為一項(xiàng)可行的技術(shù)。

1 地鐵供電系統(tǒng)分析

地鐵供電系統(tǒng)是個(gè)非常復(fù)雜的電氣網(wǎng)絡(luò)。就像普通的配電網(wǎng)絡(luò)一樣，地鐵供電系統(tǒng)包括傳輸系統(tǒng)（架空線或?qū)щ娷墸┘柏?fù)載（地鐵列車）。所不同的是，地鐵供電系統(tǒng)的這些負(fù)載是移動(dòng)的，列車的速度和加速度隨時(shí)都在改變、加之列車位置的變化都會(huì)帶來地鐵供電系統(tǒng)負(fù)載的變化。

圖1所示為一段地鐵供電系統(tǒng)簡圖。Rs1和Rs2代表架空線阻抗。Rr1和Rr2代表回路導(dǎo)線阻抗。隨著地鐵列車的移動(dòng)，這些阻抗也發(fā)生著變化。列車牽引、惰行及制動(dòng)都會(huì)引起電流的改變，因此架空線電壓降會(huì)影響列車的運(yùn)行性能。

2 再生制動(dòng)的節(jié)能作用及原理

電阻制動(dòng)通過連接在電機(jī)兩端的電阻器來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)生成制動(dòng)電流通過電阻器耗散。這種制動(dòng)所產(chǎn)生的能量在較冷的環(huán)境下可以轉(zhuǎn)換為熱能用于車輛的采暖系統(tǒng)，但是更多時(shí)候熱量消散到周圍環(huán)境中去了。對(duì)于地鐵隧道系統(tǒng)，這些熱量將會(huì)造成隧道過熱[1]，因此，目前廣泛采用的是再生制動(dòng)系統(tǒng)。

再生制動(dòng)生成的電能反饋到架空線路上可被其它列車使用。再生制動(dòng)系統(tǒng)可以提高整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)的效率。然而再生制動(dòng)所產(chǎn)生的電流也會(huì)造成電壓的急劇上升并引起供電質(zhì)量問題。再生制動(dòng)的有效性取決于系統(tǒng)的接受能力。如果在此線路區(qū)段上沒有其它車輛在運(yùn)行，則再生的能量無法被使用，因此這些能量就必須通過制動(dòng)電阻來耗散。

上述與再生制動(dòng)相關(guān)的問題，可考慮通過使用能量儲(chǔ)存裝置來避免。能量儲(chǔ)存裝置可將再生的能量存儲(chǔ)在列車上或者線路旁，因此也就降低了電壓驟升的幅度。儲(chǔ)存在車輛上的能量可用于補(bǔ)充列車加速所需能源，故能降低架空線路上產(chǎn)生的加速電流，從而降低了電壓驟降的幅度。

3 能量儲(chǔ)存裝置

近期能量儲(chǔ)存裝置有了重大發(fā)展，特別是針對(duì)電動(dòng)車輛、供電系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。超級(jí)電容器由在液體電解質(zhì)內(nèi)的兩個(gè)固體電極組成。離子滲透分離器用于電極的電氣絕緣，但允許電解質(zhì)離子通過。超級(jí)電容器在固體電極和電解液界面處儲(chǔ)存電荷，形成雙電層，通過兩個(gè)單層形成電容[2]。電荷層之間的距離只有幾個(gè)原子直徑，因此電容容量可以比常規(guī)的電容器容量要大得多。

未來還可以應(yīng)用一種超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）裝置儲(chǔ)存磁場中的能量[3]。將直流電充到線圈上，創(chuàng)建磁場，儲(chǔ)存磁場能量。當(dāng)直流電勢消失時(shí)，能量也隨即釋放。使用低耗超導(dǎo)線圈可存儲(chǔ)更多的磁能量。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）用來改進(jìn)配電網(wǎng)的供電質(zhì)量[4]。

在地鐵供電系統(tǒng)中增設(shè)能量儲(chǔ)存裝置可以提高供電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)質(zhì)量，同時(shí)也能改進(jìn)對(duì)再生制動(dòng)利用的效率。儲(chǔ)能裝置可以增設(shè)在線路旁或地鐵車輛上。

圖2為在變電站增設(shè)能量儲(chǔ)存裝置的示意圖，即將超級(jí)電容器安置在配電站內(nèi)。原則上能量儲(chǔ)存裝置也可安裝在軌道的任一位置。

超級(jí)電容器可以看作是一個(gè)帶有電壓源的等效電路，一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）和一個(gè)等效并聯(lián)電阻（EPR），見圖3。

能量儲(chǔ)存裝置也可以安置在軌道的側(cè)面，采用這種安裝方案，所儲(chǔ)存的能量需要通過架空線向地鐵列車傳送，這種方案的缺點(diǎn)是存在電能傳輸過程損耗。為避免電能傳輸過程的損耗，可將儲(chǔ)能裝置安裝在地鐵車輛上[5]。

4 結(jié)論

本文介紹了使用再生制動(dòng)并結(jié)合能量儲(chǔ)存裝置節(jié)約電能提高地鐵供電系統(tǒng)供電品質(zhì)的組合方案。這種能量儲(chǔ)存裝置可以安裝在變電站內(nèi)，線路側(cè)，也可以安裝在地鐵列車上。隨著超級(jí)電容器技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用，這種組合節(jié)能方案將有很大的應(yīng)用可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]英國倫敦地鐵環(huán)境.熱負(fù)載調(diào)查實(shí)用熱力工程[D]，2004（24）：633-645.