城市轨道交通新能源技术应用研究

城市轨道交通新能源技术应用研究摘要：新能源技术的快速发展，在未来的经济中有所作为，低碳可持续绿色能源应用，支撑轨道交通系统绿色环保的可持续发展。将光伏发电系统产生的电能供给城市轨道交通车辆及其辅助设备，不仅能促进可再生能量，更能缓解城市轨道交通系统的供电压力，并在降低运营成本的同时促进“绿色交通”的构建，符合建立低碳交通模式的基本国策。关键词：城市轨道交通；光伏发电；储能系统；能量管理策略引言轨道交通客货运量大、经济成本低，成为各国的主要运输方式。在某些发展中国家和发达国家，包括中国、日本和德国，轨道交通被视为交通发展的核心，因为它为乘客提供了快捷方便的出行方式。随着列车速度的提升载客量、货物量的增加，系统的健康监测发挥着越来越重要的作用。系统状态监测一般分为轨道沿线侧监测和车载监测。对于这两种监测系统的供电，最普遍的方法是使用锂电池进行供电，但是电池会造成电化学污染。另一种方法是通过线路连接到电网，但是此方法会造成远距离电力输送损失。在过去的20年内，具有环境能量收集功能的环境自供电传感器技术受到了极大的关注，因为自供电技术具有环保、节能效益，并且能实时为监测传感器供电。1轨道交通领域新能源技术分类1.1风能采集轨道交通领域风能采集是指利用列车行驶过程中，车身周边形成的气流驱动发电装置工作来进行发电，常见的发电装置有电磁式发电机和压电片发电机。特别是在高速沿线和隧道，风力资源十分优越,近年来，国内外都对沿线的风能采集技术展开了大量的研究。2018年，哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学电气与电子工程系的Bagheri等提出了一种安装在列车车顶的风能采集装置。该研究讨论了在移动列车上实施风能收集系统的可行性建议和分析了在列车车顶安装风力涡轮机的不同方面，讨论了风能利用的实际问题。其次，该研究给出了车顶式涡轮机风力发电的计算方法，并讨论了涡轮机的空气阻力。作者在SolidWorks环境中进行仿真研究，以探索风力涡轮机对移动列车的空气阻力影响，将产生的功率，与克服由车车厢上方的风力涡轮机引起的额外空气阻力所需的机械功率进行比较。结果表明，风能采集产生的电量比列车克服运行阻力要提供的电量要多，燃料经济性和由此产生的二氧化碳排放量的减少，表明了旅客列车风力涡轮机实施投资的合理性。1.2热能采集热能采集技术是指利用热电转换材料的温差发电原理将热能直接转化为可利用电能的一种技术，通常也被称为热电发电机。在机车车辆运行过程中，会产生各种能量，例如振动、热量和列车引起的风能。当重型车辆高速运行时，能量耗散量不容忽视。因此，如果有效地收集浪费的能量，则可将其用于低功耗传感器节点等组件供电。2018年，韩国研究所先进车辆的Ahn等研究了一种收集机车车辆转向架轴承产生废热的方法。使用热电模块(TEM)将轴瓦表面与室外空气之间的温度梯度转换为电能。在这项研究中，TEM中温差导致的输出性能经过实验室测试，并通过冷却翅片的计算流体分析进行了最大化处理。该研究还设计了优化的热电能量收集系统(TEHS)并将其应用于车辆，以分析机车运行中的发电性能。1.3太阳能采集太阳能采集通常是利用光伏板将太阳辐射直接转化为电能。太阳能资源丰富，分布广阔。在轨道交通领域，利用太阳能为铁路沿线的用电设施供电具有不错的前景。Ruscelli等在2017年提出了使用能量收集系统来集成到列车动力系统的研究。该研究分析了目前可用的技术并选择技术成熟的光伏系统。截止2017为止，只有大型太阳能发电厂被认为是铁路的能源，很少有研究运行沿线本地化太阳能利用的解决方案。关于铁路领域太阳能采集的研究可以追溯到21世纪初期，当时光伏技术对于这一应用领域还不够成熟。在Ruscelli的研究中，其仿真结果表明，基于微型逆变器和去耦光伏组件的新型功率优化解决方案可以克服由于列车车顶光伏板的非最佳朝向、列车运动和阴影导致的限制，将能量产量从2%增加到25%。该研究所提出的方法可以使铁路系统对环境问题敏感的用户更具吸引力，并可以促进与城市和地方交通的其他绿色解决方案的多式联运。2城市轨道交通新能源技术应用研究2.1城轨交通系统用分布式光伏-储能供电系统方案2.1.1技术路线技术路线在需求调研和行业发展趋势分析基础上，构建光伏-储能技术在城市轨道交通的典型应用场景，然后开展关键技术攻关，为示范应用提供支撑。2.1.2光伏发电接入城市轨道交通系统后不同供电模式对比根据城市轨道交通直流牵引供电系统的结构特点，光伏发电系统接入城市轨道交通直流牵引供电系统可能的供电模式如下。供电模式①和供电模式②均是在35kV交流高压侧并网，相对供电模式②而言，供电模式①下的光伏发电系统具有更大的容量，可以满足远距离供电要求，但输电距离增大也会带来电压损耗和功率损耗增加的缺点。这种供电模式主要用于车辆段停车场。供电模式③相较35kV供电，低压侧并网设备简单方便，对光伏发电系统的装机容量要求较低，且不需要二次设备及远程控制系统，投资更低，也具有更好的经济收益率，这种供电模式应用广泛，在高架车站、高架区间、地下站出入口集散广场都有应用案例。供电模式④是直接将光伏发电系统接入牵引侧，由于直流牵引负荷波动剧烈，必须与储能结合应用于城市轨道交通直流牵引供电系统的牵引网。直流供电下电能质量更高，但由于牵引网电压波动大且列车高峰期负荷量大的运行特性，控制策略更复杂，将光伏直接接入直流牵引网的供电模式电能质量更高，且可以通过调整列车负荷、牵引变电所间的能量交互，提高能量流动效率。车辆段/停车场建筑面积大且开阔，适合接入大规模的光伏。高架车站由于接入面积有限，目前输出电能主要应用于高架车站的照明及三级负荷用电，但随着郊区建设的高架车站面积增大，出现部分车站有效利用面积超10000m2，具备为列车负荷供电的条件。综上，光伏安装位置的有效利用面积决定光伏输出电能规模，当有效利用面积较大时，其输出电能不仅可为动力照明设施供电，还可直接接入直流牵引网为列车负荷供电。2.2多分布式光伏-储能系统协同控制策略多光伏-储能系统、牵引变电所和列车间的能量交互受到储能系统控制参数的影响，有必要研究多光伏储能系统协同控制的方法，提高系统整体的节能稳压效果。通过协同控制的方法对多光伏-储能单元进行功率分配，并设计考虑SOC均衡的改进型下垂控制，实现能量需求变化时各单元供电量的合理分配，优化系统内的能量流动，在维持牵引网电压水平的同时，避免部分储能过充过放的情况，延长储能使用寿命。传统下垂控制由于下垂系数恒定，应用于初始SOC不均衡的多储能系统中会加剧部分储能过度充放电的现象，影响电池寿命，本文提出一种考虑SOC均衡的改进型下垂控制策略，缓解初始SOC不平衡导致的储能过充过放现象。为达到均衡各储能SOC的目的，引入下垂系数。下垂系数的设计准则为在充电状态下，SOC与充电下垂系数呈负相关；在放电状态下，SOC与充电下垂系数呈正相关。调速因子v取不同值时，充放电下垂系数变化。仿真对比传统下垂控制与不同调速因子下的改进型下垂控制线路区间的损耗情况可以看出，采用改进型下垂控制相较传统下垂控制线路损耗更小，且线路损耗同调速因子呈正相关,其原因在于改进型下垂控制为兼顾SOC均衡的功率分配方法。传统控制下系统能量流动仍然由列车位置和功率分配被动决定，而改进型下垂控制通过动态调节下垂系数主动调节系统能量流动，来维持SOC均衡；且不同调速因子下的改进型下垂控制，由于其储能充放功率的不同，线路损耗这一表征系统能量流动特性的参数也随之改变。结束语城轨交通系统用分布式光伏-储能供电系统方案，提出了基于能量管理策略，可为城轨交通行业新能源的创新应用提供技术支撑。参考文献[1]陈炜,艾欣,吴涛,等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].