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地铁超级电容储能系统效益分析

发布时间:2016-11-22 点击次数:2452次 来源:郭世明 赵龙腾 类别:解决方案
市轨道交通供电系统的现状
 
城市轨道交通的制动一般为电制动(即再生制动、电阻制动)和空气制动两级,在车辆高速运行时,使用再生制动和电阻制动,当减速到电制动不起作用时,使用空气制动。列车在运行过程中,由于站间距较短,列车启动、制动频繁,制动能量相当可观,可以达到牵引能量的40%~50%,部分再生制动能量(一般为30%~50%,根据列车运行密度和区间距离的不同而异)可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收,剩余部分将主要被列车的吸收电阻以发热的方式消耗掉或被线路上的吸收装置吸收。但电阻吸收制动能量会带来以下后果。
 
一是能源浪费,背离低碳、环保理念。
二是热量积聚,使得隧道温度上升。
三是增加通风设备,消耗额外能量,形成新热污染源。
 
此种方式长远来看并不符合国家的节能减排,低碳环保的政策。因此提出了一种地面再生制动能量吸收方案--超级电容储能系统。
 
Sinexcel超级电容储能型工作原理:
 
图1为盛弘电气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。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。
图1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
 
图2超级电容储能型配电示意图
 
超级电容储能型的经济效益分析:
 

现阶段地铁进站时制动所产生能量主要通过制动电阻来消耗,地铁列车制动时产生的能量相当巨大,当制动车辆附近没有其他车辆吸收能量或者附近车辆吸收能量,接触电网电压持续上升到1800V时,接触电网无法再容纳更多的制动能量,于是采用制动电阻消耗能量,使得多余的能量通过热能的形式消耗掉,该部分能量相当可观,因此合理的储存这些能量,使之不通过制动电阻消耗来浪费,可以大大的节省电量。
 


综上所述,对超级电容地铁储能装置进行假设分析:例如深圳市地铁五号线某站点,根据统计分析假设地铁发车间隔约为3分钟,以每天该站点工作时间6:30-23:00,工作16.5小时,共计发车次数为330次。

据统计地铁每次牵引供电耗电量平均约为20度左右,其中40%~50%左右的电能为地铁制动能量(计算取约为9度).这部分制动能量回馈到直流电网后,约30%~50%(计算取约3.6度)被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收,剩余的电能(约5.4度)则通过制动电阻消耗掉。



 
该储能装置主要通过超级电容对地铁制动时产生的电能进行存储,通过设定超级电容启动阀值为1750V,当出现接触网母线电压上升超过1750V时,超级电容储能装置启动,电容开始充电,根据地铁制动能量匹配的超级电容储能装置,能够完整的储存该部分能量,从而达到制动电阻消耗为零的状态,制动电阻零消耗的同时制动电阻散热风机也不需要对其进行散热,因此消耗也可以达到零。
 
地铁制动时被消耗的电能即为制动电阻所消耗的能量,电量单次约为5.4度。在地铁牵引启动时,通过超级电容放电对地铁进行补偿,超级电容的充放电效率均可达到99%左右,因此地铁制动时产生的电能,通过超级电容的充电与放电,重新被地铁采用,地铁启动牵引做功原本所需20度,在超级电容补偿的作用下,节省为14.6度左右。
 
通过采用3MW超级电容地铁储能装置补偿,地铁单次制动启动时可以节省电量为5.4度,以深圳电价0.9元计算,单次制动启动可以节省电费=5.4x0.9=4.86元,那么全年可节省电费为4.86x330x365=585387元。
 
总结:
通过采用超级电容储能装置的地铁的单个站点计算,每年每站点节省的电费约为585387元。

 

长远角度分析:

安装超级电容储能装置以后,由于无需制动电阻消耗能量,因此制动电阻、散热风机及其配套系统均可移除,同时地可以减轻地铁的质量,减少维修量等。一列地铁所需要的一套车载制动电阻价值大约在2500万元~3000万元之间,同时散热风机以及与其配套的变频器等装置价值大约在100万元。

同时从移除制动电阻及其配套的斩波器、材料等方面考虑,地铁列车质量能够减少约2t~3t,根据技术人员介绍,地铁质量每增加1t,全年耗电量增加约为10000度,那么移除制动电阻及其配套设备后每列车每年节省电量约3x10000=30000度,折算电费为30000x0.9=27000元。移除地铁车辆上散热风机及其相应设施,假设风机功率为1.4kw,每天工作16.5h,每列车6个,那么每列车每年耗电约为1.4x16.5x6x365=50589度,折算电费为50589x0.9=45530.1元。全年总节省电量约80589度。

 
根据深圳地铁五号线配备地铁列车数约为30,共27个站点。则移除制动电阻及风机等减轻列车重量后,每年节省电量约27000x30=810000元,节省的散热风机工作所耗电费为45530.1x30=1365903元。全线折合总计每年可以节省电费585387x27+810000+1365903=17981352元,约1798万元。
 
移除制动电阻及风机等后节省设备投资成本约(3000万+100万)x30=93000万元。
 
总结:
假设深圳地铁五号线,全线站点均采用超级电容储能装置,且移除每列车上制动电阻与散热风机等设备时,每年节省电费约为1798万元。
 
由于制动电阻与散热风机等设备短时间内不能从列车上移除,因此实际每年节省电费约为585387x27+1365903=17171352元,即1717万元(即每站点63.6万元)。
 
若是考虑地铁运行发车密度更高,或者是考虑到地铁载客情况,节省的电费将会呈倍数增长。另外除了能节省费用,安装地铁超级电容储能装置后,还能够稳定牵引网电压。所以,总的来说,安装地铁超级电容储能装置产生的效益巨大。

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