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城际轨道交通和高速铁路的储能技术

2021-07-14
来源:长江能源YangtzeEnergy

  图片由于具有安全、环保、节约能源、占地较少等特点,轨道交通逐渐成为人们出行的主要交通模式,近几年发展较快。储能技术在轨道交通行业的发展中也占有一席之地,列车可以通过储能技术储存电能,在无接触网或紧急情况下释放电能,以保证正常行驶。地铁和城际高铁应用较为广泛。

  地铁

  地铁能量回收是一种大功率、高频次的应用场景,目前应用较为广泛的是再生制动能量吸收利用。当制动能量不能被本车吸收时,牵引网电压上升,上升到一定程度后,牵引变电所中再生制动能量吸收装置投入工作,吸收再生电流,使车辆再生电流稳定。目前,再生能量吸收装置可分为电阻消耗型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型,各类型装置对比如表所示。目前电容储能型和飞轮储能型较为常用。

  各类型再生能量吸收装置对比

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  飞轮储能

  地铁列车进站回收的电能通过电阻放热方式消耗,存在资源浪费,飞轮储能具有响应快、频次高、可靠性高、寿命长的优点,可以很好地解决这些问题。

  2019 年,国产 GTR 飞轮储能装置北京地铁房山线广阳城站正式实现商用。该装置由单台功率333 kW 的飞轮 1 组 3 台组成 1 MW 飞轮,当地铁列车进站刹车时,可以利用飞轮储能系统存储制动过程中的能量。

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  美国多个地铁站已经对飞轮储能进行了示范,能够实现 20%~30%的节能效果。洛杉矶地铁于2014 年 8 月安装了基于飞轮的储能变电站(wayside energy storage substation,WESS),WESS 部署了 2 MW 的系统,充/放电时间 15 s,容量 8.33 kW·h,由 4 个飞轮模块组成,每个模块由4 个独立的飞轮单 元 组 成 。该 储 能 系 统 应 用 后 , 每 天 可 节 省10%~18%的牵引电力能源。

  超级电容储能

  超级电容储能具有高功率、长寿命的特点,也可回收制动能量,实现制动能量再利用。目前,国内该项技术刚刚起步,仍处于实验阶段,如广州地铁 6 号线配备了超级电容储能装置并正式挂网运行,系统额定功率达到 1.4 MW,具备对直流电网的稳压作用,可以缓解高频次列车启动或制动时直流的电压波动。超级电容储能系统由连接单元、变换器超级电容器组成,在全球多个城市的地铁中得以应用,如西班牙马德里的地面式储能系统。北京地铁 5 号线也配置了总容量 69.64 F,最高电压 515.2 V 的超级电容储能系统,具有减少牵引电量、提高地铁舒适度等特点。

  城际高铁

  城际高铁储能系统的主要作用是降低能耗、牵引列车、制动能量回收、降低峰值功率等。铁路行业的储能系统主要分为地面储能系统和车载储能系统,其中车载储能系统主要安装在列车内,用于存储列车内部的回收能量,所需功率小于地面储能系统。

  各国对于铁路储能系统均进行了较深入的研究。MITRAC Energy Saver Unit 超级电容储能系统可以装载在列车上,经过一段时间的实验,证实比普通列车节能 30%。德国的内燃机动车组上使用的超级电容储能系统在一定程度上降低了CO2 排放量和减排成本。在地面储能方面,日本和意大利的超级电容储能系统不仅可以调峰、降成本,而且接近70%的再生能量均得到回收再利用。

  飞轮用于储能系统要早于电池和超级电容器,目前已经开发出来的高速储能系统以飞轮为元件,可以很好地控制直流电压、抑制波动,在纽约、里昂等地方均有应用。

  电池储能电压波动更小、自放电率较低,同时可提供较大容量。东日本旅客铁道公司和庞巴迪铁路运输设备有限公司是开发动力单元的主要公司,东日本旅客铁道公司和西日本旅客铁道公司均对电池储能装置有所研究,其开发的储能系统应用于湖西线至北陆本线的列车上,保证了列车的电力供应,改善了列车的运行条件、舒适程度。特斯拉公司作为电动汽车行业的巨头,对储能技术也有所研究,图 为配置在日本大阪 Kintetsu 火车线路上的储能系统。作为备用电源,该系统可在列车电力系统发生故障或电网停电时使列车运行到安全地点。

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  俄罗斯铁路部门计划部署 10 MW·h 的电池储能系统,以帮助俄罗斯铁路网络更快更顺畅地运行。

  我国地铁线路上也有配备储能系统。中车长春轨道客车股份有限公司在轻轨上加装磷酸铁锂电池系统,可以增加列车续航里程,充电时间较短,应用前景广阔。




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