有軌電車儲能式系統配置方案及供電系統研究

劉宗澤 侯 飛 劉海全 馬澤宇 梁 玨 李 軍 吳 健

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢； 2.濟南軌道交通集團建設投資有限公司， 250011， 濟南；3.中車青島四方機車車輛股份有限公司， 266111， 青島； 4.北京北交新能科技有限公司， 100044， 北京；5.北京交通大學電氣工程學院， 100044， 北京∥第一作者， 工程師)

1 有軌電車車載儲能技術概況

目前我國已有超過21條有軌電車線路投入正式運營，表1為采用不同供電方式的有軌電車線路概況。

表1 國內采用不同供電方式的有軌電車線路概況

隨著車載儲能技術的發展，在有軌電車上直接裝載儲能系統作為能量源，無需從供電網獲取能量，這種供電方式比傳統的架空接觸網供電有諸多優勢。儲能式有軌電車兼有傳統架空接觸網有軌電車的優點[3]，同時無需建設供電網，其前期建設費用可以大幅度降低，其工程施工時間也進一步縮短；無架網設計，占用城市地面空間較少；在實際運行過程中，可通過儲能系統回收制動能量，能量損耗低，能量利用效率更高；無供電網的網側故障隱患，提高了其運行的可靠性。隨著新能源技術不斷發展，動力電池、超級電容、動力電池與超級電容混合等不同儲能式有軌電車迅速發展[4]。

目前廣泛應用于有軌電車的車載儲能系統主要分為超級電容儲能方式和動力電池儲能方式兩種。兩種儲能方式的技術性能對比如表2所示。超級電容儲能系統主要由電池與傳統電容器之間的一種雙電層電容儲能元件串并聯成組構成，超級電容的工作原理特殊，在實際充放電過程中僅發生電子的移動而并未發生其他化學反應，因而超級電容儲能系統具有較高的充放電倍率和較長的循環壽命。

表2 超級電容儲能方式和動力電池儲能方式技術性能對比

本文針對儲能式有軌電車的配置及其供電系統進行研究，以降低運營成本和建設成本為目標，提出車載儲能系統改進方案以及供電系統的配套改進方案，對改進后的有軌電車儲能系統和供電系統進行仿真驗證和經濟性分析，并對儲能系統全壽命周期下的累計成本進行對比分析，以為后續有軌電車車地一體化系統中儲能系統與供電系統的選型和設計提供有效參考。改進方案在保證運輸安全與運輸能力的前提下，選用不同的儲能系統配置，對提高系統的能量利用效率、降低系統的總建設與運營成本、提高系統經濟性有重要工程應用意義。

2 間歇式供電有軌電車車地一體化

有軌電車的間歇式供電與傳統接觸網持續式供電有所不同，間歇式供電利用車載儲能系統作為能量源，通過在站點設置充電設備給儲能系統充電；根據線路中充電站的數量，可采用部分無接觸網模式或全線無接觸網模式設計；在全線無架空接觸網設計中，根據充電站的設置方式，其充電方式可分為首末站充電方式、隔站充電方式以及站站充電方式[5]。

2.1 線路情況

本文基于國內某條已開通運營的有軌電車線路進行分析，該線路采用間歇式供電的站站充電方式，其車載儲能系統基于超級電容設計。該線全長7.7 km，采用全線無網設計，共設11座車站。列車在每站的充電時間為10 s，列車在站充電時間較短，因此需要可適應大功率充電的儲能系統以進行快速充電，且需要配備大功率充電設備。高峰時段列車運行時間間隔為3 min，平峰時段列車運行時間間隔為5 min，低峰時段列車運行時間間隔為8 min。有軌電車全天運營14 h，其中高峰運營時間為3 h，平峰運營時間為4 h，低峰運營時間為7 h。列車編組形式為3動1拖，最大載客量為380人，最高運行速度為70 km/h。

2.2 間歇式供電有軌電車動力系統

本文研究的間歇式供電有軌電車動力系統主要由車載儲能系統、牽引系統和輔助系統構成，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 間歇式供電有軌電車動力系統拓撲結構

可根據不同的系統需求,將車載儲能系統設計方案分為兩種：車載儲能原件(超級電容或動力電池)與有軌電車的直流母線直接連接；車載儲能原件先與DC/DC模塊連接后再與有軌電車的直流母線相連。由于超級電容儲能系統具有承受輸入輸出大功率沖擊的能力，因此該線路中的有軌電車采用車載超級電容與有軌電車直流母線直接連接的拓撲方式(如圖2所示)，這種設計方案可減少部分由DC/DC所產生的電能消耗。

注：VVVF——變頻調速系統；DC BUS——直流母線。

該線有軌電車共配置3組超級電容，每組容量為55 F，共計165 F，電量為13.92 kWh。由于超級電容儲能系統能量密度低，需在每站充電，因此，在多車同時運行時線路中總充電功率較大，總供電系統容量需10 MVA。該線有軌電車在實際運營中的續航里程為2～3 km。

3 車載儲能系統與供電系統改進方案

在實際運營過程中,車載超級電容儲能系統設計方案存在的主要問題如下：

1) 車載超級電容儲能系統雖具有良好的功率特性，能進行大功率充放電且循環壽命較長，但是超級電容作為儲能系統其能量密度較低，導致存儲電量較低，續航里程短，充電頻繁。

2) 由于其續航里程短，當充電站的供電系統出現故障或因外因停車等待時，容易引起因能量耗盡而停車。因此系統運行可靠性較差。

3) 充電時，功率需求較大，充電電流較大，需要的變壓器、電力電子裝備的容量和功率等級較高。因此配電系統基本容量費較高。

4) 每座車站都需要單獨建充電站及配套設施。因此工程建設成本高。

5) 間歇式充電方式導致變壓器負載率較低，使得供電系統效率較低。

為解決上述問題，本文提出了兩種車載儲能系統與供電系統的改進方案。

3.1 車載儲能系統改進方案一

為解決原方案中超級電容儲能系統電量過少而導致的一系列問題，改進方案一按照現有車載儲能系統空間以及車重要求，將原3組超級電容的儲能系統改為2組(超級電容的可用容量為110 F，電量為9.28 kWh)，增加1組鈦酸鋰動力電池及雙DC/DC，其拓撲結構如圖3所示。改進后的動力電池組電量為30 kWh，儲能系統總電量為39.28 kWh，有軌電車的實際續航里程可增加至7～8 km。

圖3 車載混合儲能系統改進方案一拓撲結構

在原純超級電容儲能系統中加入動力電池組使其電度數和續航里程增加，則有軌電車在該儲能系統配置條件下運行無需站站充電，只需進行隔站充電，充電站數量可減少至5座，其建設費用相應減少。多車同時充電數量減少使總充電功率下降，供電系統容量可降低至8 MVA，每年運營費用中的基礎容量費也會相應降低。

3.2 車載儲能系統改進方案二

基于方案一的研究，考慮選用純動力電池方案，進一步減少充電站的數量以降低供電系統容量成本。在原方案中，選用純超級電容儲能系統的主要考慮因素是超級電容可在大倍率的電流環境中正常穩定工作。目前有軌電車主流的動力電池有磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池，兩者的性能對比如表3所示。若選用磷酸鐵鋰電池，則整車儲能系統的電量可較高但最高功率達不到系統要求；若選用技術成熟的功率型鈦酸鋰電池，因其工作倍率較大，則可達到系統倍率與功率需求，能使牽引系統特性保持一致。

表3 磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池性能對比

方案二按照現有車載儲能系統空間以及車重要求，選用3組鈦酸鋰電池，其拓撲結構如圖4所示。不裝載DC/DC模塊，其空間可搭載容量可達到150 kWh，實際續航里程可增加至25～30 km；整條線路只需在首站設置充電站，可取消地面供電系統10 kV中壓環網，可大幅降低建設投資(10 kV中壓環網建設投資大約為1 500萬元/km)；且此供電系統方案下的容量可大幅下降，僅需1.5 MVA，其利用率提高且基礎容量費得到大幅降低。

圖4 車載儲能系統改進方案二拓撲結構

3.3 車載儲能系統改進方案仿真驗證

選取該線路某次運行工況對改進后的儲能系統進行仿真驗證[6]，該工況的運行速度曲線如圖5所示，整車需求功率如圖6所示，仿真試驗得到的原方案與兩種改進方案在該線路運行時的電池與超級電容的SOC(荷電狀態)如圖7所示。仿真試驗結構證明兩種改進方案均可滿足該線路有軌電車的運行要求。

圖5 有軌電車運行速度曲線

圖6 有軌電車需求功率曲線

圖7 車載混合儲能系統原方案與兩種改進方案SOC曲線

4 各車載儲能系統方案的經濟性分析

表4為原方案與兩種改進方案的車載混合儲能系統的性能指標對比與費用估算(該線路按10列列車運營計算)。

表5為原方案與兩種改進方案的車載儲能系統以及采用接觸網供電方案的供電系統的建設項目以及建設費用與每年運營費用(基礎容量費+電費)的估算對比。

表6為采用不同供電方式的有軌電車各項費用匯總對比表。

表4 車載儲能系統不同方案的性能指標與費用估算

表5 采用不同供電方式的有軌電車供電系統的建設項目與各項費用估算

表6 采用不同供電方式的有軌電車各項費用對比

由表4～6對比分析可知：原超級電容方案與傳統接觸網供電方案相比，兩者的運營費用與建設費用基本一致；而超級電容方案需采購超級電容儲能系統，因此其總費用比傳統接觸網供電方案更高。

改進方案通過將超級電容車載儲能系統部分或完全改用動力電池組有如下優勢：

1) 可提高車載混合儲能系統的電量，增加有軌電車實際運營過程中的續航里程，由此可減少充電站數量，同時減少了中壓環網建設，因此供電系統建設投入大幅減少。

2) 因動力電池充電時間充足，所需充電功率相比超級電容較低，可有效降低有軌電車的供電系統容量，因此可獲得每年較低的基礎容量費。

由表5可知：改進方案一通過增加鋰電池增加了有軌電車的續航里程；改進方案二由于采用全部鋰電設計，只需建設單個充電站，無需建設中壓環網；兩種改進方案的供電系統的建設投入和基礎容量費隨之大幅度降低。

圖8為采用不同供電方式的有軌電車全壽命周期(按30年計算)累計成本對比圖。

圖8 采用不同供電方式有軌電車全壽命

由圖8可知：在全壽命周期中，改進方案二的初始儲能系統采購與供電系統建設系統的投入費用為2 500萬元，與原方案(13 550萬元)、改進方案一(12 000萬元)和傳統架空接觸網供電方案(11 550萬元)相比，費用大幅下降；在全壽命周期中，改進方案二運營與建設的總成本為17 850萬元，與原方案(36 550萬元)、改進方案一(34 750萬元)和傳統架空接觸網供電方案(32 550萬元)相比，改進方案二為最優方案；在全壽命周期中，改進方案二與原方案相比，供電系統的建設、儲能系統采購與運營的總費用降低了51.14%。

5 結語

本文以國內某有軌電車運營線路的超級電容儲能系統為研究背景，對車載儲能系統與供電系統進行研究。以降低運營與供電系統建設成本為目標，提出兩種車載儲能系統改進方案，并對其經濟性進行分析，結果為全鋰電池方案的系統經濟性最優，與原方案相比，該供電系統全壽命周期內的建設與運營的總費用大幅降低。本文研究成果可為未來有軌電車的儲能系統設計提供有效的參考價值，具有較好工程應用前景。