廣州地鐵6號線潯峰崗地鐵站加裝節能系統的工程方案研究

侯 峰 余為俊 薛 敏

(1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州；2.寧波中車新能源科技有限公司，315112，寧波；3.廣州地鐵運營總部基地維修中心，510380，廣州∥第一作者，工程師)

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廣州地鐵6號線潯峰崗地鐵站加裝節能系統的工程方案研究

侯 峰1余為俊2薛 敏3

(1.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州；2.寧波中車新能源科技有限公司，315112，寧波；3.廣州地鐵運營總部基地維修中心，510380，廣州∥第一作者，工程師)

以廣州地鐵6號線潯峰崗牽引變電所為例,介紹了采用線路儲能裝置進行能量回饋利用的設計過程,分析了線路儲能裝置的加裝工程方案及其工作狀態，以及線路儲能裝置同制動電阻能耗系統的配合方式,分析了線路儲能裝置加裝工程完成后潯峰崗站的綜合能量消耗、線路儲能裝置回送能量及經濟效益。

廣州地鐵；能量回饋系統；線路儲能裝置；制動電阻能耗系統

First-author′s address Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd.,510010，China

隨著超級電容器技術的日臻成熟和廣泛使用,以超級電容器為核心器件的城市軌道交通直流牽引線路儲能裝置,在城市公共軌道交通系統節能降支方面發揮著重要作用。

本工程擬在廣州地鐵6號線潯峰崗站安裝試運行一套直流DC 1 500 V線路儲能裝置,以檢查和驗證該裝置技術經濟指標,深入探究該類裝置對直流牽引系統的影響和作用。這也為該類裝置得到廣泛而有效的應用,從而提高城市軌道交通能源利用水平,提供了設計、制造、安裝和運行方面的理論和實踐經驗。

1 線路儲能裝置

廣州地鐵6號線擬安裝試運行的線路儲能裝置采用一種基于吸收-儲存-能量回饋方式的節能系統(Energy Saving System,ESS),主要由電源變換系統(Power Conversion System,PCS)和超級電容器儲能系統(SS)組成。PCS包含1臺總柜、3臺變換柜及1臺放電柜。SS由3臺儲能柜組成。

在城市軌道交通行業中,ESS主要作用有以下幾點:①對接觸網網壓“消峰填谷”,維持網壓均衡穩定;②吸收儲存城軌車輛制動回饋的能量,在車輛牽引時回送儲能,節能環保;③降低牽引站峰值功率、供電損耗和供電容量;④大量減少地下隧道制動產生的熱量聚集。

ESS具有逆變回饋工頻中壓(或低壓)節能裝置不具備的優點:①與工頻電網完全無關,對工頻電網無電磁污染,也不會影響其安全穩定運行;②能更好地穩定直流牽引網壓,減少線路電壓損失;③可降低牽引站峰值功率,以減少供電損耗和供電容量;④在兩牽引站中間安裝ESS,可增加牽引站的設置距離,減少線路的牽引站數量,從而降低工程造價。

目前,ESS的不足之處主要是其設備體積略大,設備造價略高,設備壽命有待驗證。

2 廣州地鐵6號線潯峰崗車站概況

廣州地鐵6號線一期運營線路全長23.95 km,規劃有22座車站(目前投入使用的有20座)。其中,設置了牽引整流機的車站(以下簡稱為“牽引站”)有8座,車站間平均距離為1 140 m,牽引站間平均距離為3 421 m。線路西端的潯峰崗站(牽引站)、橫沙站及沙貝站為地上車站,其它為地下車站。配電監控中心設在潯峰崗站。

6號線車輛為L型直線電機牽引車輛,采用Mc(動車)+2Mp(拖車)+Mc編組。每輛動車有2臺150 kW直線電機,則整個編組的牽引功率為1 200 kW。車上無制動電阻。在每個牽引站和停車場的直流供電系統中設置制動電阻柜,以吸收車輛制動回饋的能量。

選擇潯峰崗站試裝ESS,有如下幾點優勢:

(1) 潯峰崗站是唯一的地面牽引站,其地面站設備用房條件相對寬松。ESS設備的改造、運輸及安裝相對容易。

(2) 潯峰崗站處于廣州地鐵6號線的西北端,緊鄰停車場,其客流量較少。故一旦發生問題,則影響面小,便于展開應急救援。

(3) 6號線控制中心設置在潯峰崗站,因此能更方便、更順利地開展試運行工作。

基于上述分析,ESS線路儲能裝置初步選址在潯峰崗車站安裝。潯峰崗站與相鄰的牽引站(河沙站)之間依次為橫沙站及沙貝站。站間距依次為807 m、810 m、2 160 m。潯峰崗到河沙站距離為3 777 m。

在潯峰崗站牽引變電所供電半徑(1 889 m)內,不同的運營時段運營的列車平均數統計見表1。

表1 潯峰崗站牽引變電所供電半徑內運營的列車數

潯峰崗站牽引整流機功率為2×2 200 kW。日均牽引電能消耗約為1.8萬kW·h。制動電阻柜的額定電流為1 320 A(斷續工作,工作時間為20 s,工作周期為120 s),平均功率為160 kW。制動電阻柜有2個支路,且每個支路熱態電阻為2.5 Ω。

2014年1—4月,制動電阻柜最大電流為761 A,制動電阻柜工作電流日最大值的平均值為475 A。潯峰崗站實際網壓范圍為1 400～1 800 V。

3 加裝ESS工程方案

3.1 6號線直線電機運行狀況

列車運行工況為AW0(空載)、AW1(滿載)、AW2(定載)及AW3(超載)。則列車的常規制動特性為:當速度為90～10 km/h時，采用發電制動,則電機最大制動力在AW2及AW3工況下為177 kN,在AW0工況下為121 kN。當速度為10～5 km/h，采用反接制動。當速度為5～0 km/h時采用空氣制動。

潯峰崗站—橫沙站、橫沙站—沙貝站的站間距均為810m左右,列車最高行駛速度一般約為60 km/h。根據直線電機車輛特性,按最高行駛速度為60 km/h計算,假設站間距為810 m,輔助電源輸入功率為86.7 kW，線路損耗為2%，計算粘著系數為0.15%，列車風阻系數為5.548 N/(km/h)2,逆變器效率為96%。則列車在不同運行工況下的功率、能量見表2。

3.2 ESS主接線及平面布置方案

3.2.1 主接線方案

潯峰崗站牽引變電所設有制動電阻柜,為不影響列車正常運營,本工程將ESS和制動電阻系統并聯接入潯F 7柜和潯N柜(見圖1)。制動電阻的動作電壓設置為1 750～1 800 V,ESS的吸收啟動電壓設置為1 680～1 730 V。這樣制動電阻系統可自動作為ESS的后備。當ESS異常時,可斷開ESS的高速斷路器(HSCB)和隔離開關(PDS),使ESS完全退出系統。ESS系統接線方案如圖1所示。

圖1 線路儲能裝置(ESS)主接線方案

3.2.2 設備平面布置方案

設備平面布置有兩個方案。方案一,將ESS設備安裝在預留備用房間。該預留備用房間緊靠直流開關柜室,且該備用房間下面的電纜夾層與直流開關室的電纜夾層完全貫通。此方案電纜敷設方便,只需新增電纜支架即可。但由于該房間面積較小,設備布置后無法保證有效的安全距離。

表2 列車在不同運行工況下的功率、能量表

方案二，將ESS設備安裝在既有的0.4 kV開關柜室。該房間面積較大,能較好地滿足線路儲能裝置的布置要求。但該房間與直流開關柜室距離約200 m,故電纜敷設距離較長,且占用了預留的0.4 kV開關柜柜位。

經綜合比較,本次加裝工程采用了方案二。設備平面布置圖如圖2所示。

圖2 ESS設備平面布置圖

3.3 ESS設備保護方案

3.3.1 ESS短路保護

ESS短路保護器件為熔斷器。總柜網側的熔斷器額定電流為1 200 A,變流柜儲能側熔斷器的額定電流為400 A。

當檢測熔斷器斷開時,ESS中止運行,同時總柜網側的HSCB斷開；然后，PDS斷開,ESS退出直流供電系統。

3.3.2 ESS過流保護

ESS過流保護裝置主要由網側電流傳感器、儲能側電流傳感器、網側HSCB和控制系統的HSCB組成。當達到過流保護條件時,ESS中止運行,HSCB斷開,ESS進入故障停機狀態。

進線電流大于1 200 A且持續20 ms時,觸發網側過流保護。儲能側電流大于460 A時觸發儲能側過流保護。

3.3.3 ESS過壓保護

ESS過壓保護裝置主要由電壓傳感器(MLPT)、網側HSCB和控制系統組成。當網側電壓≥1 900 V時，觸發網側過壓保護，ESS中止運行。HSCB斷開,ESS進入停機狀態。

3.3.4 ESS欠壓保護

ESS欠壓保護裝置主要由MLPT、網側HSCB和控制系統組成。當網側電壓≤1 300 V時觸發網側欠壓保護，ESS中止運行,HSCB斷開,ESS進入停機狀態。

3.3.5 ESS接地與框架漏電保護

ESS接地與框架漏電主要由接地與框架漏電檢測保護繼電器進行檢測。當檢測到ESS內部接地或框架漏電時,ESS中止運行,總柜網側的HSCB斷開,然后PDS斷開,ESS退出直流供電系統。

4 ESS運行狀態分析及與制動電阻能耗系統配合

4.1 ESS運行狀態

DC 1 500 V線路儲能裝置有停用、正常停機、故障停機、預充電、運行和放電6個一級狀態。

(1) 停用狀態。PCS的PDS、HSCB和主回路的所有直流接觸器斷開,各儲能柜主電路斷路器斷開,ESS裝置脫網停止工作。

(2) 正常停機狀態。PCS的HSCB和主回路的所有直流接觸器斷開,裝置因正常操作停止工作。

(3) 錯誤停機狀態。PCS的HSCB和主回路的所有直流接觸器斷開,裝置因故障、誤操作、狀態保護等錯誤停止工作。

(4) 放電狀態。HSCB和主回路的所有直流接觸器斷開,某個放電直流接觸器動作接通,相對應的儲能柜的能量通過放電柜釋放。

(5) 預充電狀態。HSCB合閘,主回路直流接觸器未接通,給PCS內的直流母線濾波電容充電。

(6) 運行狀態。HSCB合閘,主回路的直流接觸器動作接通,控制系統根據進線電壓高低控制變換柜工作。

運行狀態分吸收運行、回送運行及待機運行3個二級狀態：①吸收運行狀態。裝置處于運行狀態，且變換柜從進線吸收能量給儲能裝置充電,將能量存儲起來。②回送運行狀態。裝置處于運行狀態，且變換柜將儲能裝置電壓升高,儲能裝置放電將能量輸送到進線。③待機運行狀態。裝置處于運行狀態，且變換柜沒有進行能量傳輸。

4.2 ESS運行狀態轉換

ESS運行狀態轉換有兩種:停止狀態→放電狀態;停止狀態→預充電狀態→運行狀態→停止狀態。

ESS處于運行狀態時,其控制系統主要根據網壓(即進線電壓)和儲能柜電壓自動控制裝置在吸收、回送及待機狀態之間任意轉換。ESS運行狀態下進線電壓與電流的典型特性曲線見圖3，ESS運行狀態下儲能柜電壓與電流的典型特性曲線見圖4。

當一個吸收回送完成,儲能柜的電壓要保持在基準電壓USL附近,可在583～1 000 V范圍內調整。

當網壓超過吸收啟動網壓閾值時,ESS進入吸收運行狀態;當網壓低于吸收停止網壓閾值且高于回送啟動網壓閾值時,則原來處于吸收運行狀態的ESS裝置停止吸收能量,ESS進入待機運行狀態。當網壓低于回送啟動網壓閾值時,ESS進入回送運行狀態;當網壓高于回送停止網壓閾值且低于吸收啟動網壓閾值時,或儲能柜電壓低于下基準電壓USL時,原來處于回送運行狀態的裝置停止回送能量,ESS進入待機運行狀態。

圖3 ESS運行狀態下進線電壓與電流的典型特征曲線

圖4 ESS運行狀態下儲能柜電壓與電流的典型特性曲線

4.3 ESS線路儲能能力分析

4.3.1 功率

線路儲能裝置工作在牽引狀態時,單列車最大輸入功率為2 561 kW,ESS最大回送功率為1 330 kW,可提供單列車所需峰值功率的50%。牽引站整流機總輸出功率為 4 400 kW,ESS可為其提供最多30%的峰值功率補償,可以說,利用ESS最多可為整流機降低1 330 kW的峰值功率。

列車在制動時的最大回饋功率為1 470 kW,ESS在儲能電壓為820 V時的吸收功率為1 000 kW。隨著吸收的持續,回饋功率越來越小,而儲能電壓越來越高,ESS吸收功率越來越大。當儲能電壓達到1 140 V時,ESS吸收功率達到1 400 kW,即ESS基本可以回收全部回饋能量。正常運營時,即使制動初期有少量回饋能量沒有被ESS回收,也會被其它在線列車吸收,不會造成網壓較大的波動。

4.3.2 儲能

在吸收能量儲存能力方面,ESS最大單次吸收能量(儲能系統電壓從583 V升至1 166 V時)為30.7 MJ(8.5 kW·h),是單列車制動回饋給牽引網上的最大能量(14.4 MJ)的兩倍多。為兼顧吸收功率,儲能系統初始電壓設置為820 V,當儲能電壓從820 V升至1 166 V時ESS吸收功率達1 000 kW,ESS單次可吸收能量為20.72 MJ(5.76 kW·h),是單列車制動回饋給牽引網上的最大能量的1.44倍。

線路運營時,雖然供電范圍內有多列列車,但由于列車互相利用回饋能量,故單列車回饋的能量實際僅被ESS吸收30%～70%,而且，列車越多,ESS吸收的比例越小?？梢?，ESS的儲能能力足以承擔運營時列車回饋能量的存儲。

在回送能量能力方面,當儲能系統電壓從1 000 V或1 140 V下降到820 V時,ESS回送的能量相應為9.39 MJ或17.96 MJ,能為單列車的加速牽引提供21%～65%的能量。如果儲能系統電壓從1 000 V或1 140 V下降到583 V,則ESS回送的能量相應為18.91 MJ或27.49 MJ,能為單列車的加速牽引提供43%～100%的能量。

實際運營中,ESS可根據網壓及各運營時段的特點,來自動調整儲能水平,并輔助牽引站整流機組為列車加速牽引提供能量。這將降低網壓向下波動幅度,減少整流機的峰值功率。

4.4 ESS故障脫網退出

ESS發生可偵探故障時,將自動退出運行狀態,進入停機狀態。如發生未能偵探故障,則可通過本地急停開關、遠地急停開關、本地停機按鈕或遠程停機命令使ESS立即進入停機狀態。在停機狀態時,HSCB和所有直流接觸器均處于斷開狀態。

當發生嚴重故障或需要ESS脫網停用時,在確認設備處于停機狀態(HSCB和RUN(運行狀態)燈滅)后,可通過操作隔離開關PDS的“OFF”按鈕,使ESS脫網。如輔助電源失電,可打開PDS操作側門,用專用手動搖柄使PDS斷開;隨后通過操作儲能柜觸摸屏上的急停按鈕,斷開儲能柜主斷路器,或手動分斷主斷路器。

4.5 ESS裝置與制動電阻能耗系統配合

6號線潯峰崗站變電所設有的制動電阻能耗系統主要由制動電阻控制柜和制動電阻柜組成。制動電阻柜主要技術參數為:額定電流1 320 A(斷續工作,工作時間20 s,工作周期120 s),平均功率為160 kW;有2個支路,每個支路熱態電阻2.5 Ω。

ESS線路儲能裝置投運后,ESS與制動電阻能耗系統的運行配合,采用如下解決方案:

(1) 制動電阻柜的動作(能耗啟動)電壓設置為1 750～1 800 V,ESS吸收啟動電壓設置為1 650～1 730 V。這樣制動電阻能耗系統自動作為ESS的后備。

(2) 當ESS裝置異常時,通過斷開ESS的HSCB和PDS使ESS完全退出系統,并不影響制動電阻柜的運行。

(3) 改造前的制動電阻能耗系統動作電壓約為1 750 V。擬將ESS吸收啟動網壓閾值設置為1 670 V,吸收停止閾值設置為1 650 V,回送啟動網壓閾值設置為1 500 V,回送停止網壓閾值設置為1 600 V。則ESS與制動電阻能耗系統的運行關系為:①當網壓≥1 660 V時,ESS啟動能量吸收;當網壓≤1 650 V或網壓>1 900 V或ESS儲能柜電壓=1 166 V時,停止能量吸收。②當網壓≤1 500 V時,ESS啟動能量回送;當網壓≥1 600 V或網壓<1 300 V或ESS儲能柜電壓<583 V時,停止能量回送。③當網壓≥1 750 V時,制動電阻柜進行能量消耗。

制動電阻能耗系統啟動能量消耗的情況包括:①ESS停機或故障退出。②制動功率超出ESS的吸收功率,引起網壓升高到制動電阻柜啟動能耗的設置電壓。③ESS儲能柜因電壓過高而暫時關閉吸收能量功能。④當網壓>1 900 V時,ESS暫時關閉吸收功能。⑤ESS輔助電源斷電。

5 經濟效益分析

對ESS加裝工程完成后的潯峰崗站綜合能量消耗、ESS回送能量及經濟效益進行測算，見表3。

表3 ESS改造后潯峰崗站綜合能耗、ESS回送能量和經濟效益分析表

表3從回收利用列車制動回饋能量方面,對效益進行了分析,實際上,ESS穩定網壓的功能可為列車上的牽引逆變器、輔助電源逆變器帶來較好的電源條件,對延長逆變器的壽命、減少故障是有利的。ESS降低牽引站峰值功率的作用,對今后減少裝機容量、降低工程造價、減少供電損耗有較大幫助。

6 結語

潯峰崗站位于廣州地鐵6號線末端,該站牽引耗電量相對較低。在此情況下,通過對線路儲能裝置分析得出以下結論:

(1) 由于直流電機效率(0.6～0.8)比旋轉電機效率(≥0.9)低20%以上,廣州地鐵6號線存在牽引工況能耗大,制動工況回饋電能少的弱點,故利用線路儲能裝置節能效果要打折扣。

(2) 由于潯峰崗站是末端站,列車實際綜合載荷小。潯峰崗站日牽引用電量約1.8萬kW·h,能利用的能量消耗基數小。

(3) 由于潯峰崗站到停車場或從停車場到潯峰崗站的列車是空車,所以造成這一列列車的制動減速和牽引加速兩個過程的實際載荷差異較大。

(4) 早高峰制動回饋能量少,牽引能耗大；而晚高峰制動可能制動回饋能量大,牽引能耗相對下降。如果要達到節能、穩壓、降峰值功率的目標,就要根據實際情況,仔細調整和平衡設備的控制策略。

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Energy-saving System Installation at Xunfenggang Station on Guangzhou Metro Line 6

HOU Feng, YU Weijun, XUE Min

Taking Xunfenggang Station on Guangzhou metro Line 6 as an sample, the design process is introduced, which uses the energy storage device on the line for energy feedback. Then the installation, working status of ESS and the coordination method between energy storage device and braking resistance energy consumption system are analyzed, the comprehensive energy consumption, the feedback energy and the economic benefit of Xunfenggang Station after the installation of energy storage device are elaborated.

Guangzhou metro; energy feedback system route; energy storage system (ESS); braking resistance energy consumption system

TK 018：U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.06.008

2015-09-22)