地铁制动能量回收超级电容储能系统 实例设计

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1、地铁制动能回收——超级电容储能系统1.引言地铁作为一种大运量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色，国外领先发展，国内近几年也密集上马，北京、广州、上海等城市早已形成了网络布局，趋于成熟，深圳、杭州、武汉、宁波等更多城市也陆续开通初具规模。而作为一种城市交通工具，地铁列车在运行过程中，由于站间距离较短，列车启动、制动频繁，制动能量是相当可观的，地铁再生制动产生的回馈到电网的能量一般为输入牵引能量的30％甚至更多。而电网供电是单向的，本身并不具备能量存储功能，回馈的能量，一部分由同线路列车之间相互吸收，另一部分传统的做

2、法是必须通过电阻装置释放，以供电电网网压过高，这样一来，部分制动回馈的电能通过电阻而消耗，电能转变成热能向四周散发，带来一系列连锁反应：制动能通过电阻发热的方式白白浪费——>隧道和站台内的温升问题——>增加了站内空调系统的负担——>造成更多的能源浪费——>并使地铁的建设费用和运行费用增加。在目前倡导环保节能生产、低碳绿色生活的时代下，上述的能源与资源消耗是不合时宜的。为了降低能耗、节约能源、降低运营成本，轨道交通再生制动能量的回馈吸收利用成为近年来研究的热点。其目的在于设法将列车制动能量吸收并存储起来，当需要的时候再将吸收存储的能量释

3、放出来，提高供电电能的利用率并减少能量的浪费。目前，比较成熟并且有商业应用的轨道交通再生制动能量回馈吸收利用技术主要包括飞轮储能技术和超级电容器储能技术。而飞轮技术系统复杂庞大，配置不灵活，控制难度高，成本高，推广难度较大。还有，曾有人提出的并网式逆变馈能系统，在地铁这样的系统中，因制动持续时间短、瞬时功率大（一般为牵引功率的1~3倍），成本太昂贵、可靠性不够高，收益不成比，难以商业运营。超级电容器作为一种新型的储能器件，具有充放电速度快的特点，可以自由组成高电压大电流大容量的电容器阵列来存储列车的制动能量。随着材料和工艺的不断提升，

4、超级电容的容量与可靠性得到显著提高，成本却不断降低，已经开始受到专家学者和企业的强烈关注，在国外已经实际应用于轨道交通再生制动能量回收存储系统中。西门子公司2000年开始研发超级电容器的制动储能技术，2001年研制的样机在科隆试运行，产品化的SITRAS能量回收系统2002年首次在西班牙马德里地铁投入使用，图1所示为西门子SITRAS系统工作原理示意图。目前，西门子基于超级电容器的SITRAS能量回收系统已经在许多国家的轨道交通线路上得到了应用，北京地铁5号线就使用了该系统。使用西门子SITRAS能量回收系统前后，地铁运营的电力消耗能

5、明显降低，在夏天站段的空调系统负荷也有所下降。此外，加拿大的庞巴迪公司也推出了基于超级电容器的能量回收系统MITRIC，并在其国内投入使用。目前，在国内厂商尚未提供有应用于地铁制动能量回馈吸收的超级电容器储能系统产品。图1西门子SITRAS系统工作原理示意图2.基于超级电容器的再生制动能量吸收利用系统2.1.系统示意图图2为基于超级电容器的轨道交通再生制动能量吸收利用系统示意图，该再生制动能量吸收利用系统包括双向直流变换器和超级电容器储能系统两部分，并接在地铁列车的直流供电母线上。该再生制动能量吸收利用系统既可以安装于地铁列车上，也可

6、以安装于变电站内。当地铁列车制动时，直流母线电压上升，双向直流变换器向超级电容器阵列充电，超级电容器阵列吸收制动能量；当地铁列车启动时，直流母线电压下降，超级电容器阵列存储的能量通过双向直流变换器释放能量。再生制动能量吸收利用系统双向超级电容器直流变换器储能系统交流电网直流母线地铁列车图2基于超级电容器的轨道交通再生制动能量吸收利用系统示意图2.2.超级电容器储能阵列超级电容器储能系统是一个由若干个超级电容器经串、并联连接而成的超级电容器阵列。储能阵列中超级电容器的个数由待存储能量的多少来决定。在确定了超级电容器储能阵列需要的超级电容

7、器单体个数后，超级电容器的串并联组合方式不影响储能阵列的释能效率。对于由n个超级电容器串联、m个超级电容器并联组成的n×m超级电容器阵列，假设超级电容器储能阵列的放电功率为Parray，其中储能阵列的端电压为n⋅u(t)电流为m⋅i(t)，同样假设每只超级电容器的放电功率为Pc，则Pc=utit()()⋅。超级电容器阵列总的放电功率Parray可以表达为：nP=⋅nut()⋅mit⋅()=⋅ut()⋅⋅kmit⋅()=⋅nmP⋅（1）arrayck由上式不难看出，当储能阵列的超级电容器个数确定后，每只超级电容器的功率输出贡献相同。若并

8、联支路增加k倍，则相应的串联支路减小k倍，结果并不影响每支超级电容器上的电压、电流值的变化。但此时超级电容器的串并联组合形式却使超级电容器储能阵列整体表现出电压减小k倍，电流增加k倍。因此，超级电容器储能阵列的串、并联设