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城際軌道交通和高速鐵路的儲能技術

2021-07-14
來源:長江能源YangtzeEnergy

  圖片由于具有安全、環保、節約能源、占地較少等特點,軌道交通逐漸成為人們出行的主要交通模式,近幾年發展較快。儲能技術在軌道交通行業的發展中也占有一席之地,列車可以通過儲能技術儲存電能,在無接觸網或緊急情況下釋放電能,以保證正常行駛。地鐵和城際高鐵應用較為廣泛。

  地鐵

  地鐵能量回收是一種大功率、高頻次的應用場景,目前應用較為廣泛的是再生制動能量吸收利用。當制動能量不能被本車吸收時,牽引網電壓上升,上升到一定程度后,牽引變電所中再生制動能量吸收裝置投入工作,吸收再生電流,使車輛再生電流穩定。目前,再生能量吸收裝置可分為電阻消耗型、電容儲能型、飛輪儲能型、逆變回饋型,各類型裝置對比如表所示。目前電容儲能型和飛輪儲能型較為常用。

  各類型再生能量吸收裝置對比

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  飛輪儲能

  地鐵列車進站回收的電能通過電阻放熱方式消耗,存在資源浪費,飛輪儲能具有響應快、頻次高、可靠性高、壽命長的優點,可以很好地解決這些問題。

  2019 年,國產 GTR 飛輪儲能裝置北京地鐵房山線廣陽城站正式實現商用。該裝置由單臺功率333 kW 的飛輪 1 組 3 臺組成 1 MW 飛輪,當地鐵列車進站剎車時,可以利用飛輪儲能系統存儲制動過程中的能量。

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  美國多個地鐵站已經對飛輪儲能進行了示范,能夠實現 20%~30%的節能效果。洛杉磯地鐵于2014 年 8 月安裝了基于飛輪的儲能變電站(wayside energy storage substation,WESS),WESS 部署了 2 MW 的系統,充/放電時間 15 s,容量 8.33 kW·h,由 4 個飛輪模塊組成,每個模塊由4 個獨立的飛輪單 元 組 成 。該 儲 能 系 統 應 用 后 , 每 天 可 節 省10%~18%的牽引電力能源。

  超級電容儲能

  超級電容儲能具有高功率、長壽命的特點,也可回收制動能量,實現制動能量再利用。目前,國內該項技術剛剛起步,仍處于實驗階段,如廣州地鐵 6 號線配備了超級電容儲能裝置并正式掛網運行,系統額定功率達到 1.4 MW,具備對直流電網的穩壓作用,可以緩解高頻次列車啟動或制動時直流的電壓波動。超級電容儲能系統由連接單元、變換器超級電容器組成,在全球多個城市的地鐵中得以應用,如西班牙馬德里的地面式儲能系統。北京地鐵 5 號線也配置了總容量 69.64 F,最高電壓 515.2 V 的超級電容儲能系統,具有減少牽引電量、提高地鐵舒適度等特點。

  城際高鐵

  城際高鐵儲能系統的主要作用是降低能耗、牽引列車、制動能量回收、降低峰值功率等。鐵路行業的儲能系統主要分為地面儲能系統和車載儲能系統,其中車載儲能系統主要安裝在列車內,用于存儲列車內部的回收能量,所需功率小于地面儲能系統。

  各國對于鐵路儲能系統均進行了較深入的研究。MITRAC Energy Saver Unit 超級電容儲能系統可以裝載在列車上,經過一段時間的實驗,證實比普通列車節能 30%。德國的內燃機動車組上使用的超級電容儲能系統在一定程度上降低了CO2 排放量和減排成本。在地面儲能方面,日本和意大利的超級電容儲能系統不僅可以調峰、降成本,而且接近70%的再生能量均得到回收再利用。

  飛輪用于儲能系統要早于電池和超級電容器,目前已經開發出來的高速儲能系統以飛輪為元件,可以很好地控制直流電壓、抑制波動,在紐約、里昂等地方均有應用。

  電池儲能電壓波動更小、自放電率較低,同時可提供較大容量。東日本旅客鐵道公司和龐巴迪鐵路運輸設備有限公司是開發動力單元的主要公司,東日本旅客鐵道公司和西日本旅客鐵道公司均對電池儲能裝置有所研究,其開發的儲能系統應用于湖西線至北陸本線的列車上,保證了列車的電力供應,改善了列車的運行條件、舒適程度。特斯拉公司作為電動汽車行業的巨頭,對儲能技術也有所研究,圖 為配置在日本大阪 Kintetsu 火車線路上的儲能系統。作為備用電源,該系統可在列車電力系統發生故障或電網停電時使列車運行到安全地點。

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  俄羅斯鐵路部門計劃部署 10 MW·h 的電池儲能系統,以幫助俄羅斯鐵路網絡更快更順暢地運行。

  我國地鐵線路上也有配備儲能系統。中車長春軌道客車股份有限公司在輕軌上加裝磷酸鐵鋰電池系統,可以增加列車續航里程,充電時間較短,應用前景廣闊。




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