基于磁悬浮储能飞轮阵列的地铁直流电能循环利用系统及实验研究

作者:刘平;李树胜;李光军;戴兴建 刊名:储能科学与技术 上传者:方小军

【摘要】针对轨道交通再生制动能量问题;本文开展基于磁悬浮飞轮阵列储能型制动能回收节能系统研究;通过分析牵引供电系统结构;分别对列车进站的制动方式和能耗特性进行了分析;并给出了增加储能装置前后的耗能对比情况;在此基础上;设计一种基于飞轮储能阵列的直流电能循环利用系统;可实现车辆进站制动能量的快速吸收和出站时的功率补偿;通过对飞轮阵列关键指标进行论证;确定了飞轮并联方案和容量配置;最后;搭建了飞轮阵列储能实验系统;通过飞轮对拖充放电控制和性能测试验证了系统的有效性;为城市轨道交通再生制动能量的回收和节能奠定基础;

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随着城市轨道交通的迅猛发展,地铁已成为城市轨道交通的主要通行方式,列车短距离多频次制动,损耗制动能量达到牵引能量的20%~30%。对地铁制动能量进行存储再利用,不仅能节能减排、保护环境,还可以稳定直流牵引电网电压。通过在地面牵引变电所内设置再生制动能量吸收装置可以达到节能回收效果,目前能量的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型以及逆变回馈型等[1-7]。电阻耗能型方案是把列车制动能量采用制动电阻进行吸收,造成能量浪费;电容储能型目前尚在研究当中;逆变回馈型方案是把列车制动能量回馈至牵引电网侧,具备一定的节能效果,但是无法解决列车出站时的能量需求。与其他储能方式相比,磁悬浮飞轮储能技术[8-16]具有充放电迅速、储能密度高、效率高、寿命长、环境污染小等优点,已广泛应用于动态UPS、制动能量回收、电力系统调频调峰等领域。因此,采用磁悬浮储能飞轮作为列车制动能量回收利用储能装置是理想选择。本文在中电建路桥集团支持下,采用北京泓慧国际能源技术发展有限公司自研的大功率储能飞轮作为应用对象,开展地铁列车制动能量节能回收系统研究。首先对轨道交通牵引供电系统进行了介绍,并以此对列车进出站工况及制动能量进行了分析,确定储能飞轮制动能回收系统结构和关键技术指标。设计了飞轮储能实验平台,并依托实际系统进行了飞轮阵列对拖充放电性能测试。1轨道交通牵引供电系统如图1所示,城市轨道交通牵引供电系统包括城市主电网侧、主电网侧降压变压器、牵引电网侧、牵引电网侧降压变压器、整流器、列车接触网侧、牵引列车等。其中,城市主电网采用高压配电,经主网降压变压器后两侧电压变为110 kV、35 kV、10 kV等级,北京等地多采用10 kV牵引电网电压;牵引电网下接降压变压器,两侧电压经整流器后生成直流接触网电压,用于牵引列车供电需要。目前,我国牵引直流接触网的标称电压常用的有两种:直流750 V (范围600~900 V),直流1500 V(范围1200~1800 V)。这两种电压等级应用均较普遍,相比之下1500 V电网可允许增加供电半径,减少变电站数量和线路投资,降低电能损耗,占据一定的经济效益。增大接触网电压等级,要求设备具备更高的绝缘水平和耐压等级。2列车进出站工况机制动能量分析列车进站时,需要提前进行制动,制动方式主要有空气制动和电制动两种。空气制动以压缩空气为动力源,通过闸瓦与车轮踏面磨擦而产生制动力;电制动也称再生能量制动,将列车动能转化为电能并反馈给供电触网。实际应用中以电制动为主,空气制动为辅。目前再生能量制动主要有两种吸收方式:①当相邻列车具有吸收条件时,制动列车产生的再生能量通过直流牵引网被相邻处于牵引模式下的其他列车所吸收;②当再生能量不能完全被其他列车所吸收时,再生能量将由车载制动电阻所消耗,将电能转换为热能散发在隧道中(传统解决方案)。以北京地铁一号线某站点为例,从耗能和节能两方面来分析。2.1耗能分析北京一号线某站点发车间隔约为3 min,工作时间5:30—22:30,每天工作17 h,共计发车次数为340次。据统计地铁每次牵引供电耗电量平均约为20 kW·h左右,其中40%~50%的电能为地铁制动能量,取45%即9 kW·h电量为计算量。这部分制动能量约30%~50%回馈到直流电网后,被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收,取40%即3.6 k W·h电量为计算量。因此,列车单站点单次进出站约消耗9 k W·h电制动能量,其中3.6 kW·h电量用于临近车辆和用电负荷吸收,剩余的5.4 kW·h电量则通过制动电阻消耗掉,无法实现再生利用

参考文献

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