中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：城市軌道交通系統(tǒng)中，其運(yùn)行工況特點(diǎn)為頻繁啟動(dòng)與制動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)消耗大量電網(wǎng)電能，而制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生可觀的再生電能。一般來說，地鐵車輛在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量約占牽引能耗的40%~50%。這部分能量反饋回電網(wǎng)后，約有30%~50%(與發(fā)車間隔等多種因素有關(guān))被相鄰列車?yán)?。由于牽引變電所中整流器采用二極管不控整流，能量只能單向流動(dòng)，未被臨車?yán)玫哪芰繉⒃斐蔂恳W(wǎng)壓升高，危及用電設(shè)備安全。
目前再生制動(dòng)能量回收技術(shù)主要包括電阻耗散型，逆變回饋型和儲(chǔ)能型三種。其中，耗散型是將再生制動(dòng)能量以熱能的方式通過制動(dòng)電阻消耗掉，這也是國內(nèi)外普遍采用的方式，此種制動(dòng)方式在車輛制動(dòng)時(shí)，將機(jī)車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能后消耗在電阻上，變成熱能散發(fā)到大氣中致使隧道和車站內(nèi)的溫度升高，再生制動(dòng)能量沒有被再利用，造成能源浪費(fèi)，而且低速時(shí)制動(dòng)效果差，還需保證機(jī)車有足夠的通風(fēng)量，因此不做詳細(xì)對(duì)比。
逆變回饋型是將制動(dòng)能量通過逆變裝置逆變并網(wǎng)，供電網(wǎng)上其他用電設(shè)備使用。儲(chǔ)能型是將制動(dòng)能量通過雙向變換器儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，包括電池、飛輪和超級(jí)電容等。
逆變回饋型
再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)主要采用電力電子功率模塊IGBT構(gòu)成大功率三相逆變器，該裝置的直流側(cè)與牽引電網(wǎng)的直流母線連接，交流側(cè)與交流電網(wǎng)連接。當(dāng)列車制動(dòng)能量促使?fàn)恳娋W(wǎng)的直流電壓超過設(shè)定值時(shí)，再生制動(dòng)能量回饋裝置啟動(dòng)并從牽引電網(wǎng)中吸收電能并將電能回饋到交流電網(wǎng)中，供其他負(fù)載使用。
逆變回饋型配電示意圖
再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置采用高頻電力電子開關(guān)器件IGBT實(shí)現(xiàn)的變流器具有具有諧波含量小、控制方法靈活并且動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)?；赑WM并網(wǎng)逆變器的再生制動(dòng)能量回饋方案除了可以在機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)穩(wěn)定直流側(cè)電壓。
具體優(yōu)點(diǎn)如下
1、交流電網(wǎng)側(cè)采用電感濾波，不存在換向電壓畸變，且交流電流諧波含量小，對(duì)電網(wǎng)污染輕。入網(wǎng)功率因數(shù)高，并且不因回饋功率變化而變化，可減少無功補(bǔ)償設(shè)備的投資。
2、由于功率管的開關(guān)頻率比較高，濾波器體積容量可以設(shè)計(jì)得比較小，濾波器損耗小，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
3、充分利用了地鐵列車再生制動(dòng)能量，提高了再生制動(dòng)能量的利用效率，節(jié)能效果好，還可減小機(jī)車制動(dòng)電阻的容量。其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲(chǔ)能元件，也不要吸收電阻，因此對(duì)環(huán)境溫度影響小。
具體缺點(diǎn)如下
1、回饋至電網(wǎng)的交流電流雖然諧波含量小，但是存在的諧波也會(huì)對(duì)其他用電設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。
2、回饋至電網(wǎng)的電能，雖然可以達(dá)到重復(fù)利用的效果，但由于在傳輸線路上存在損耗，故達(dá)不到節(jié)能的最大化。
3、逆變回饋裝置的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用較高。
4、逆變回饋裝置中變壓器始終接于電網(wǎng)上，造成較大的空載損耗。
5、電能回饋給電網(wǎng)時(shí)，如若跟電網(wǎng)方協(xié)調(diào)不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生二次的電費(fèi)計(jì)算，使得地
鐵方承受更多的電費(fèi)開支。
超級(jí)電容儲(chǔ)能型
超級(jí)電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收利用系統(tǒng)包括雙向直流變換器和超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)兩部分，并接在地鐵列車的直流供電母線上。
當(dāng)?shù)罔F列車制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓上升，雙向直流變換器向超級(jí)電容器陣列充電，超級(jí)電容器陣列吸收制動(dòng)能量；
當(dāng)?shù)罔F列車啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓下降，超級(jí)電容器陣列存儲(chǔ)的能量通過雙向直流變換器釋放能量。
超級(jí)電容儲(chǔ)能型配電示意圖
工作原理：
1、當(dāng)?shù)罔F車輛再生制動(dòng)時(shí)，直流牽引電網(wǎng)電壓升高，控制電路控制雙向DC/DC變換器主電路工作于Buck電路模式，直流牽引電網(wǎng)與超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)連接后，對(duì)其進(jìn)行充電。超級(jí)電容組吸收再生制動(dòng)能量，同時(shí)降低直流牽引電網(wǎng)電壓。
2、當(dāng)?shù)罔F車輛處于加速或者啟動(dòng)工況時(shí)，直流牽引電網(wǎng)電壓會(huì)被拉低，此時(shí)控制器控制雙向DC/DC變換器工作于Boost電路模式，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流牽引電網(wǎng)導(dǎo)通后，超級(jí)電容組通過升壓電感對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行能量反饋。此工況下，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的投入使用，減少了交通運(yùn)營對(duì)供電系統(tǒng)峰值功率的要求，使直流牽引電網(wǎng)電壓的跌落得到了緩解。
3、當(dāng)?shù)罔F車輛惰行時(shí)，控制器可以根據(jù)超級(jí)電容組電量，控制雙向DC/DC變換器主電路對(duì)超級(jí)電容組的能量存儲(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
超級(jí)電容陣列由大量超級(jí)電容單體串并聯(lián)而組成，是超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)與穩(wěn)定直流牽引電網(wǎng)電壓的雙重目的。當(dāng)直流牽引電網(wǎng)電壓被抬升時(shí),超級(jí)電容陣列進(jìn)行能量存儲(chǔ)；當(dāng)直流牽引電網(wǎng)電壓被拉低時(shí)，超級(jí)電容陣列將能量反饋給牽引電網(wǎng)。
超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置具體優(yōu)點(diǎn)
1、超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，結(jié)構(gòu)簡單，沒有附加的變壓器等裝置，能耗元件少，能耗小，易安裝，維護(hù)費(fèi)用少。
2、采用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的電能直接存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，無能量回饋給電網(wǎng)，不會(huì)給電網(wǎng)造成污染或沖擊。
3、電能直接存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，地鐵啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容充分放電，儲(chǔ)存的電能能夠得到全部的釋放，能夠達(dá)到最大的節(jié)能效果。
4、采用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，能夠提升接觸網(wǎng)電壓，減少接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)，降低直流母線上的能量損耗。
在超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置起步之初，由于超級(jí)的電容的價(jià)格較高，因此造成成本較高，但隨著對(duì)超級(jí)電容的研究與生產(chǎn)，超級(jí)電容的成本日趨降低，因此這一缺點(diǎn)也不再成為超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的缺陷。
效益分析對(duì)比：整體效益&節(jié)能效益
01 超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置損耗更小，對(duì)設(shè)備使用整體效益更大
通過對(duì)逆變回饋型裝置與超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的工作原理對(duì)比分析我們可以看出，相比于逆變回饋型，超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置有優(yōu)點(diǎn)如下:
1、超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)簡單，易安裝，維護(hù)費(fèi)用少，能耗??；
2、超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置制動(dòng)能量直接存儲(chǔ)于超級(jí)電容當(dāng)中，充放電靈活，無須將能量回饋至電網(wǎng)，效率更高，不會(huì)給電網(wǎng)造成諧波污染或是沖擊，同時(shí)能量歷經(jīng)的轉(zhuǎn)換過程更簡單可靠，消耗更少。
3、逆變回饋型裝置將制動(dòng)能量回饋至電網(wǎng)，需經(jīng)變壓器/變換器兩次轉(zhuǎn)換，造成回饋效率降低，沒能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。
4、超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置比之逆變回饋裝置，不需要加裝變壓器及其相關(guān)設(shè)施，不存在變壓器及其相關(guān)設(shè)施待機(jī)工作持續(xù)耗電的問題，同時(shí)開關(guān)頻率較小，損耗更小。
5、不存在向電網(wǎng)回饋電能，因此不存在二次收費(fèi)問題。
6、在地鐵車輛啟動(dòng)時(shí)，會(huì)引起母線電壓的波動(dòng)，通過采用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置能夠起到穩(wěn)壓功能，穩(wěn)定母線電壓，避免其他用電設(shè)備收到干擾。
02 節(jié)能效益——每天單個(gè)站點(diǎn)多節(jié)省560.358元
*詳細(xì)算法請(qǐng)點(diǎn)擊鏈接：《超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)效益分析》
無論是采用逆變回饋型還是超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置，均可以使地鐵方減少在車載制動(dòng)電阻購置方面的成本，同時(shí)減少制動(dòng)電阻輔助散熱風(fēng)機(jī)能耗，減少站點(diǎn)與車輛通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)營成本，減輕地鐵車輛的重量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。因此兩種裝置對(duì)節(jié)能減排的作用主要由制動(dòng)能量方面的節(jié)省來體現(xiàn)。
假設(shè)分析背景：
以深圳市地鐵五號(hào)線某站點(diǎn)為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析假設(shè)地鐵發(fā)車間隔約為3分鐘，以每天該站點(diǎn)工作時(shí)間6：30-23：00，工作16.5小時(shí)，共計(jì)發(fā)車次數(shù)為330次。據(jù)統(tǒng)計(jì)地鐵每次牽引供電耗電量平均約為20度左右，其中40%~50%左右的電能為地鐵制動(dòng)能量(計(jì)算取值約為9度)。這部分制動(dòng)能量回饋到直流電網(wǎng)后，約30%~50%(計(jì)算取值約3.6度)被線路上同一供電區(qū)段相鄰車輛和本車輔助系統(tǒng)吸收，剩余的電能（約5.4度）則通過制動(dòng)電阻消耗掉。
針對(duì)于逆變回饋型裝置，單個(gè)站點(diǎn)全天電阻制動(dòng)能量理論值為5.4x330=1782度，而通過變壓器的逆變以及線路等損耗，假設(shè)為3MW系統(tǒng)，則變壓器額定功率約為3150kVA，系統(tǒng)效率大于等于98%（廠家宣稱效率，實(shí)際有待考證），取效率為98%進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)際每天電阻制動(dòng)能量回饋值，即節(jié)能值約為1782x98%-3150x0.8%x24=1141.56度，按深圳電費(fèi)0.9元/度，折合節(jié)省電費(fèi)為1141.56x0.9=1027.404元。
對(duì)于超級(jí)電容儲(chǔ)能型裝置，效率大于等于99%，取效率為99%，由于不存在變壓器等裝置帶來的損耗，因此實(shí)際每天儲(chǔ)能裝置節(jié)省的電能值約為1782x99%=1764.18度，按深圳電費(fèi)0.9元/度，折合每天節(jié)省電費(fèi)為1764.18x0.9=1587.762元。
據(jù)上述分析，得出采用同等MW級(jí)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置相比逆變回饋型，每天單個(gè)站點(diǎn)多節(jié)省560.358元。
超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)更具競爭力
通過上面的對(duì)比分析與計(jì)算，可以看出采用超級(jí)電容儲(chǔ)能的再生制動(dòng)能量回收利用裝置，具有比較好的節(jié)能效果，即使考慮價(jià)格因素，和其它回收利用裝置相比也具有競爭力。
本文作者：
西南交通大學(xué)教授郭世明，盛弘電氣電能質(zhì)量產(chǎn)品總監(jiān)趙龍騰；
