车站辅助能源设备技术方案汇总.doc

车站辅助能源设备设计方案北京先行电气股份有限公司地址：北京市西城区月坛南街32号银岛商务楼450室电话：010-6858 4323 公司网址：/目录前 言31.城市轨道交通能耗基本现状32.城市轨道交通节能前景43.城市轨道交通能耗分布44.车站辅助能源设备的概述55.车站辅助能源设备的优势56.关于磷酸铁锂电池的和其他大型储能电池的优劣对比67.车站辅助能源设备功能77.1逆变回馈功能87.2稳压控制功能98.车站辅助能源设备经济效益初步估算99.结语9前 言城市轨道交通作为一种现代化的交通运输工具具有快捷、安全、舒适、准点、运量大的特点，为缓解城市地面交通拥挤、分担市内交通客流、促进城市交通与经济和环境的协调发展发挥积极作用。轨道交通系统是耗电量巨大、运行成本很高的行业，如何建设节能的轨道交通系统成为轨道交通系统规划设计与建设管理中的一个重要研究课题，也是行业发展的方向和追求的目标。1. 城市轨道交通能耗基本现状为做到“安全、舒适、快捷、准点”，轨道交通体现“以人为本”的思想。在系统中配备了大量满足运营要求和满足旅客舒适性要求的设备。这些设备部分是轨道交通系统必不可少的（如车辆、供电、信号、通信等），部分是为了方便旅客，以为乘客更好服务为目的（如电扶梯、空调、照明等）。这些设备往往能耗较大（特别是空调系统）。在设计过程中必须考虑如何尽量减少能耗，在满足运营需要的基础上，合理地确定服务水平，将节能贯彻在设计工作中，以及在设计工作中确定与节能有关的技术原则，对设备运营模式提出合理的运营方案，对今后运营节能意义重大。运营着市内14条地铁线路的北京地铁运营公司，从2007年至2013年的基本运营成本（不含折旧）为215.8亿元，同期票务收入仅为128.76亿元，七年缺口约为87亿元。在这七年中，政府财政共补贴北京地铁运营公司221亿元，除对运营成本的补贴之外，其中还包括约134亿元的更新改造补贴。2013年，北京市公共财政补贴北京地铁公司基本运营亏损26亿元，与其2013年的基本运营收支缺口大体相当。目前北京地铁的电费大概每年达到40亿-50亿元。而电费占地铁日常运营维护费用的一半，每年地铁维护大概需要100亿元左右。其中，每年光地铁灯泡的更换费用就要几千万元。地铁运营费的三大头包括电费、设备运维、工资，其他项目还包括售检票、信号、消防、通讯、防暴等。2. 城市轨道交通节能前景节能是国家政策导向。中华人民共和国节约能源法、重点用能单位节能管理办法、中华人民共和国环境保护法相继推出,节约用电管理办法和关于推进电力需求侧管理工作的指导意见，政府机构节能行动倡议等专项政策法规的颁布，及建立的全国性节能宣传活动制度（每年11月组织全国“节能月”活动）、推行合同能源管理（一种全新的节能服务机制），以及每年政府在节能推广上的投资举措都已表明：节能对于政府来说是势在必行，这无疑为节能产业的发展创造了一个不可多得的宏观需求和有利的政策环境。3. 城市轨道交通能耗分布轨道交通能耗一般可分为2个部分，即车辆所消耗的牵引电能（包括正线旅客列车运营消耗的电能和车辆段旅客列车出/入库消耗的电能、列车试车和试验所消耗的电能）和动力照明设备所消耗的电能（包括为保证满足旅客列车安全可靠运营要求的设备、为旅客提供良好乘车环境的设备和保证车站正常运转的设备、车站的商业区动力照明设备等）。轨道交通能耗主要分布在牵引系统（列车牵引及照明等）、机电设备（通风空调、车站照明、扶梯设备、给排水及消防等）、弱电系统（通信、信号及FAS、BAS及AFC等）及其他方面。轨道交通能耗分布见下图1。图1 轨道交通能耗分布示意图4. 车站辅助能源设备的概述车站辅助能源设备的主要功能是在列车制动时将能量存储于电池储能系统中，列车启动时将能量从储能系统中释放到电网中，同时具有削峰平谷的作用，并且可用于其他负载的部分用电，应急电源等。电池储能系统主要是通过储能变流器将储存电源接入既有电网，在电网故障或者电网停电时，向设备和站内负载提供不间断供电。车站辅助电源设备解决方案示意图如图2所示 图2 车站辅助电源设备解决方案示意图为了实现对蓄电池储能系统与外部输入电源独立充放电控制，同时避免电源之间产生环流，储能变流器采用AC/DC交直变流器+DC/DC直直变流器两级结构设计，AC/DC交直变流器是交/直流侧可控的四象限运行的变流装置，实现对电能的交直流双向转换，完成对蓄电池充放电控制、并网运行和为车站和站内的负载提供能量；DC/DC直直变流器位于外部输入电源和AC/DC交直变流器之间，满足储能系统接入电网的直流电压要求等。5. 车站辅助能源设备的优势我公司的车站辅助能源设备具有如下特点：1) 我公司采用磷酸铁锂系列电芯的储能系统，集能量回馈、牵引辅助供电、提高供电品质等功能于一体，设备利用率高，供电系统大大简化。2) 该系统在回馈模式时，因短时过载能力强，在地铁负载间歇工作制下，节能率高。3) 采用多重化并联技术，提高系统抗故障失效能力，增强系统与既有变电所供电系统的保护兼容性。4) 控制系统采用美国TI公司的32位浮点DSP芯片，计算更加精确，速度更快。模块化设计，系统集成块，安装和调试方便。5) 先进的电池监控和系统监控软件，储能系统可在无人职守情况下自主运行。6) 不改变原有设备，采用基于功率组件的系统设计理念，实现快速维护维修，最大限度减少设备停机时间。7) 基于以太网的实时数据采集与记录，实现系统运行状态的实时监控和智能故障诊断。8) 可用于应急电源。6. 关于磷酸铁锂电池的和其他大型储能电池的优劣对比我公司车站辅助能源设备的储能系统主要采用磷酸铁锂大型储能电池，磷酸铁锂专利申请在1993年6月25日已经由美国德州大学获得，技术非常成熟，目前是中国主流储能电池领域，是国家863、973、十一五、十二五高科技发展计划内重点项目。磷酸铁锂电池以工作电压高、体积小、储能密度高、响应速度快、循环寿命长、内阻小、环保无污染等特点而得到快速发展，在制造成本、安全性能、循环寿命、功率输出范围等方面都具有明显优势。中国南方电网在国内率先投运了1MW4h电池储能系统，已经成功并网投运，达到了良好的预期效果。几种储能电池的技术比较如图3所示：磷酸亚铁锂电池钠硫电池钒电池交流充放电效率90%75%65%循环寿命（深度充放电次数）7000800100000以上工作温度-2555300350540安全性中，针刺或短路实验未出现爆炸，高温情况下需采取安全措施高，钠硫直接反应将发生爆炸低，不爆炸倍率特性可高倍率放电可高倍率放电倍率特性不佳环保性对环境影响小，无污染，无振动，低噪声制造电池的材料均为无毒材料，材料本身不对环境构成污染影响且利用回收技术，可提取废弃电池中的有效成份进行重复利用，降低资源消耗，减少环境污染对环境影响小，无污染，无振动，低噪声图3储能电池技术比较7. 车站辅助能源设备功能车站辅助能源设备主要具有逆变回馈功能、整流牵引辅助供电功能、稳压功能等，该系统适用于地铁牵引供电系统，能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回站内加以利用，给部分电梯、照明、通风系统、屏蔽门、监测、办公等供电，并且还可在列车牵引时与变电所牵引整流机组共同为列车提供能量。同时还可以抑制直流电网的波动，减小直流电压纹波，提高牵引供电质量。该系统还具有逻辑控制、保护、通信、显示、数据采集及存储、联锁与联跳、试验等辅助功能。下面就其中的逆变回馈功能、整流牵引功能和稳压功能进行详细分析。7.1 逆变回馈功能 该系统的回馈功能是将列车电制动时不能被临近车辆吸收的再生能量反馈回储能系统，储能系统根据需要供给其他负载使用，实现能量的循环再利用。系统电气拓扑图如下如图3：图3 轨道再生能量回馈装置电气拓扑图7.2 稳压控制功能该系统具有稳定直流母线电压的功能，通过储能变流柜的逆变回馈/整流牵引功能及控制软件中的稳压控制环节实现。8. 车站辅助能源设备经济效益初步估算假设某地铁车辆的制动初速度为80 km/h，那么每次制动产生的能量为9 875 837 J，即每次制动可回收的电能为2.75 kWh。按照每年365 d，每辆列车每天运营18 h，平均每小时制动30次计算，一辆列车全年回馈的电能为:。 按照目前北京市峰谷电价平均值，以每度电价0.8元计算，每辆列车每年可节省电费43.6万元，若考虑地铁全线的运营列车数及发车密度，节省的电费还将有所变化，所以采用电池或电容吸收方案回收这部分能量将节省巨额电费。另外，该回收装置的安装也会给地铁其他系统带来巨大的社会和经济效益，比如：可以按照现有车型通过减少列车制动电阻容量，从而减轻车体重量、其效果更节能、成本更低。9. 结语 综上所述，车站辅助能源设备