城市軌道交通再生儲能與智能微電網的融合應用探索

姜寶建

(北京城市軌道交通咨詢有限公司， 100071， 北京∥工程師)

城市軌道交通線路的站間距較短，列車在運行過程中啟動、加速、制動及停車頻繁。目前，城市軌道交通列車的制動模式大多優先采用電制動(再生制動+電阻制動)，并輔以空氣制動(盤形制動/輪對踏面制動)作為補充。列車在制動時，在同一供電區域內的牽引列車將吸收部分再生制動能量，無法被臨近列車吸收的能量將供電網的網壓抬升至一定程度時，再生制動能量將通過制動電阻轉化成熱量，分散至隧道空氣中。大量的電阻制動熱能在隧道內累積，隧道內溫度不斷攀升，需要在隧道內設置通風散熱設備，導致大批能量的浪費。此外，大多數制動電阻安裝在車體上，除了增加列車牽引能耗和布置空間外，還需考慮大功率散熱和復雜的熱保護，列車空氣制動的閘片、閘瓦磨耗也會造成隧道內的大氣環境污染。因此，列車電阻制動大大增加了城市軌道交通線路的運營成本和環控系統管理的壓力，城市軌道交通再生制動的有效吸收與利用成為了節能減排的熱點。

1 城市軌道交通再生制動能量的吸收與利用

1.1 再生制動能量的估算

根據相關統計，城市軌道交通再生制動會把大部分的列車動能轉化為電能，其反饋能量一般為列車牽引動能的80%，約占從供電網獲取牽引能耗的40%。目前，國內城市軌道交通線路的列車以4動2拖的6節編組、B型車為主，其車輛定員總質量M的計算式為：

M=am1+bm2+(a+b)cm3

(1)

式中：

m1——拖車質量；

a——拖車數量；

m2——動車質量；

b——動車數量；

說明低磷環境抑制了苦蕎根系生長，不耐低磷苦蕎受影響更嚴重。同時，各苦蕎幼苗莖葉干重的變化大于根系干重，這是根冠比值上升的主要原因。與正常供磷濃度(P1)相比，P2濃度下，除‘KQ10-11’外，其它基因型苦蕎根冠比均有升高；P3濃度下，各基因型苦蕎根冠比顯著升高，而‘KQ10-11’的根冠比卻顯著降低。說明不耐低磷苦蕎品種‘KQ10-11’的根系對低磷脅迫更敏感，受低磷脅迫影響程度更大。

c——車輛(定員)平均載客量；

m3——乘客平均體重。

式(1)中，m1取32 t，m2取34 t，m3取0.06 t/人，a取2，b取4，c取250人/車，可得M為290 t。

在理想情況的電制動下，列車從最高速度降至電制動-空氣制動轉換點的速度，列車的再生制動能量的計算式為：

(2)

式中：

E——列車的再生制動能量；

η——能量轉換效率；

v1——列車的最高運行速度；

v2——列車在電制動-空氣制動轉換點的速度；

因此，將列車的再生制動能量吸收存儲下來并進行有效利用，是一筆很可觀的經濟收入。目前，列車的再生制動能量吸收與利用的主流技術分為逆變能饋型與再生儲能型兩類。

1.2 逆變能饋型

逆變能饋型是指將直流牽引供電網無法吸收的列車再生制動電能通過牽引變電站的逆變升壓/降壓系統回饋至AC 35 kV的壓變電站或AC 400 V的低壓供電站中。目前，逆變能饋型系統在國內部分城市軌道交通線路已有掛網應用，其典型拓撲圖如圖1所示。

注：DC——直流電；AC——交流電；交流電網的類型包括0.40 kV、0.59 kV、1.18 kV、10 kV、20 kV、33 kV、35 kV。圖1 逆變能饋型系統典型拓撲圖[2]Fig.1 Typical topological diagram of inverter energy feed system[2]

逆變能饋系統的應用特點有：① 節能環保，可減少制動電阻容量，但交流網無法吸收的電能還需制動電阻來消耗；② 技術應用成熟，但城市軌道交通列車的制動能量很大，而逆變電力電子器件容量有限，該系統在可靠性上仍存在一定問題；③ 城市軌道交通列車的制動能量具有脈沖性和不固定性等特點，現有的電力電子器件逆變方式依然伴隨這波形畸變和諧波污染，該問題尚待解決；④ 逆變回饋至交流供電網還需與供電公司就反向回饋電能計費問題進行協商。

1.3 再生儲能型

再生儲能型是指采用儲能設備將直流牽引供電網無法吸收的再生制動能量存儲下來，在牽引供電網電壓較低時再釋放電能。再生儲能型具有穩定供電電壓的作用，能較大限度地利用再生能量。再生儲能型系統的典型拓撲圖如圖2所示。

目前根據存儲設備的原理不同，再生儲能型主要分為飛輪儲能、超級電容儲能、電池儲能等類型。

1) 飛輪儲能。飛輪儲能是將轉子(飛輪)加速至極高速度的方式，使能量以旋轉動能的形式儲存于飛輪儲能系統中。飛輪儲能最大的優點是，飛輪可以在極短時間內釋放出存在其中的能量，因此具有極高的功率密度，其儲能效率在95%左右。然而，由于受材料和技術的限制，飛輪儲能設備每小時的自放電率為其儲能總量的20%，導致飛輪儲能的效率降低。目前，在國內外的城市軌道交通行業中，采用該技術的應用案例較多，如北京地鐵房山線廣陽城站、美國洛杉磯地鐵紅線等。

圖2 再生儲能型系統的典型拓撲圖[2]Fig.2 Typical topological diagram of regenerative energy storage system[2]

2) 超級電容儲能。超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻低、電容量大、內阻小，儲能效率通常在85%～98%之間，且因其具有快充快放的特點，已經被成功應用到城市軌道交通車輛上，尤其是在有軌電車上的應用較廣。有軌電車在站點用超級電容短暫充電后，可運行2 km左右的距離。

3) 電池蓄能。電池蓄能是一種低成本的通用儲能技術，有成熟的技術方案。與其他蓄電池相比，鋰電池儲能具有能量密度大、自放電小、無記憶效應、工作溫度范圍廣，以及可快速充/放電、使用壽命長、環境污染小和不受地形等自然條件限制等優點。隨著電動汽車的不斷普及，鋰電池儲能設備技術得到了快速發展，鋰電池的價格成本大幅下降，在儲能領域應用更具經濟性。

不同儲能技術的成熟度與成本差異較大，其應用對比如表1所示。

表1 不同儲能技術的應用對比

由表1可知，鋰電池儲能的裝載容量大、響應時間短、壽命時間長、循環效率高，同時還具有自放電率低(每月的自放電率低于5%，未來可能達1%)、能量密度大(以日本松下21 700圓柱形單體為例，能量密度可達340 Wh/kg)、產品制造商眾多(符合《鋰離子電池行業規范條件》的企業名單已有40余家)等優點。但是，鋰電池存在過充、過放、熱失控等問題，導致安全性差，可通過優化電池組、冷卻系統的設計、對組裝工藝進行改進，也可采用先進的電池管理系統來保證設備的安全性。此外，鋰電池儲能技術可采用電動汽車退役下來的動力電池，使之得以梯次利用。根據北極星能源網報道，2020年新能源汽車退役動力電池預計約25 GWh(約20萬t)，鋰電池儲能不但可以使退役動力電池物盡其用、變廢為寶，還推動了社會價值、環保價值、經濟效益的聯動，而且將極大削減鋰電池儲能的前期投入費用。目前，國內已有多家公司在此方面有所應用，因此，鋰電池儲能技術可作為城市軌道交通再生儲能技術的首選。

2 城市軌道交通再生儲能與智能微電網的融合應用

2.1 智能微電網

智能微電網是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置等組成的小型發配電系統。微電網配備了能量管理系統，通過互聯網技術進行數據采集，并連接到能量管理系統中，可解決電壓控制、潮流控制、保護控制等一系列問題。此外，智能微電網將原本分散的分布式電源進行相互協調，確保配電網的可靠性和安全性，為可再生能源系統的接入提供便利，從而實現用戶需求側管理和現有能源、資源的最大化利用。

在智能微電網中有各種類型的負荷，需要根據負荷的具體類型采取不同的能源供應策略，并應滿足用戶對電能質量和供電安全等方面的要求。智能微電網是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，可實現能源的就地轉換和消納，減少由于長距離輸電引起的損耗。智能微電網能夠很好地協調大電網與分布式電源間的技術矛盾，并具備一定的能量管理功能。智能微電網以分布式電源與用戶就地應用為主要控制目標，既可以與外部電網并網運行，也可以“孤島”運行。

2.2 城市軌道交通再生儲能與智能微電網的融合

在正常運營時段，城市軌道交通列車不斷地再生制動，并將能量存儲到儲能設備中。由于存儲空間固定，在供電設備不出現電壓波動時，再生儲能設備的能量不會被利用。當能量達到存儲上限時，解決多余的再生制動能力的方案有兩個：一是增大儲能設備容量；二是配備地面制動電阻，將多余的再生制動能量通過制動電阻熱能消耗掉。這兩種方案都會引起資源的浪費，因此，如何將再生儲能設備中的再生能源進行再次利用至關重要。

可將城市軌道交通再生儲能設備作為一個分布式電源，將其接入智能微電網，由智能微電網進行調度運行控制，使之作為用戶端儲能設備，對外進行供電。同時，城市軌道交通沿線的建筑可進行光伏集成改造，如設置光電瓦屋頂、光電幕墻和光電采光頂等，使之成為光伏一體化建筑，以微型光伏發電站的形式接入微電網中；車輛段可根據具體的場地、地形情況，建設小型風力發電站和電動汽車直流快充站等，并接入智能微電網中。上述多個分布式電源與能耗系統通過智能微電網直流線路互聯后，可在各自獨立運行的基礎上，加強各系統的電氣連接，從而實現能量的交換。智能微電網的聚合運行及通過能量管理系統制定合理的控制策略，可實現對再生能源的消納，確保微電網的安全性、穩定性和可靠性，達到高效協同、經濟運行的目的。

如圖3所示，城市軌道交通再生儲能與智能微電網融合后，可滿足再生制動能源存儲與利用的要求：

1) 鋰電池儲能設備通過雙向DC-DC變換器將在線運營車輛的再生制動能量存儲下來。當直流牽引供電網出現電壓波動時，可用于進行穩壓控制；在牽引供電設備故障時，還可通過雙向變流器接管供電運營。

2) 當中壓供電站甚至供電主所發生故障時，智能微電網進行電能調度，鋰電池儲能設備通過DC-AC逆變設備進行輔助供電，用以完成短時的供電接管，避免供電故障范圍的進一步擴大。

3) 鋰電池儲能設備將建筑光伏發電、風力發電及其他分布式發電設備的電能通過智能微電網存儲下來，完成再生能源的吸收。

4) 鋰電池儲能設備通過智能微電網進行電能調度，可將電能與電動汽車直流充電樁相連，賺取電動汽車充電費用；也可經逆變設備供電給局域耗電用戶，賺取供電費用。

5) 將智能微電網接入城市供電網，在城市軌道交通線路結束當日運營后，鋰電池儲能設備可參與削峰填谷(即在夜間電力低谷時從電網充電、在日間電力高峰時對用戶放電)，獲取峰谷供電差價的收益。此外，還可維持城市供電網的供電平衡，減少供電壓力，增加供電網的容量裕度。

注：DC——直流電；AC——交流電。

3 結語

本文提出將城市軌道交通的再生儲能設備接入智能微電網，建議可在城市軌道交通范圍內推廣運用。城市軌道交通的再生儲能與智能微電網的融合及協調運行，一來可有效吸收、利用城市軌道交通列車的再生制動能量，二來可促進城市軌道交通內各分布式電源完善其功能，建立局域能源的合理利用模式，以達到節能減排的目的，并創造出一定的經濟價值。