1、車站輔助能源設(shè)備設(shè)計方案北京先行電氣股份有限公司地址：北京市西城區(qū)月壇南街32號銀島商務(wù)樓450室電話：010-6858 4323 公司網(wǎng)址：目錄前 言31.城市軌道交通能耗基本現(xiàn)狀32.城市軌道交通節(jié)能前景43.城市軌道交通能耗分布44.車站輔助能源設(shè)備的概述55.車站輔助能源設(shè)備的優(yōu)勢56.關(guān)于磷酸鐵鋰電池的和其他大型儲能電池的優(yōu)劣對比67.車站輔助能源設(shè)備功能77.1逆變回饋功能87.2穩(wěn)壓控制功能98.車站輔助能源設(shè)備經(jīng)濟效益初步估算99.結(jié)語9前 言城市軌道交通作為一種現(xiàn)代化的交通運輸工具具有快捷、安全、舒適、準(zhǔn)點、運量大的特點，為緩解城市地面交通擁擠、分擔(dān)市內(nèi)交通客流、促進城市交通

2、與經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展發(fā)揮積極作用。軌道交通系統(tǒng)是耗電量巨大、運行成本很高的行業(yè)，如何建設(shè)節(jié)能的軌道交通系統(tǒng)成為軌道交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)管理中的一個重要研究課題，也是行業(yè)發(fā)展的方向和追求的目標(biāo)。1. 城市軌道交通能耗基本現(xiàn)狀為做到“安全、舒適、快捷、準(zhǔn)點”，軌道交通體現(xiàn)“以人為本”的思想。在系統(tǒng)中配備了大量滿足運營要求和滿足旅客舒適性要求的設(shè)備。這些設(shè)備部分是軌道交通系統(tǒng)必不可少的（如車輛、供電、信號、通信等），部分是為了方便旅客，以為乘客更好服務(wù)為目的（如電扶梯、空調(diào)、照明等）。這些設(shè)備往往能耗較大（特別是空調(diào)系統(tǒng)）。在設(shè)計過程中必須考慮如何盡量減少能耗，在滿足運營需要的基礎(chǔ)上，合理地確定

3、服務(wù)水平，將節(jié)能貫徹在設(shè)計工作中，以及在設(shè)計工作中確定與節(jié)能有關(guān)的技術(shù)原則，對設(shè)備運營模式提出合理的運營方案，對今后運營節(jié)能意義重大。運營著市內(nèi)14條地鐵線路的北京地鐵運營公司，從2007年至2013年的基本運營成本（不含折舊）為215.8億元，同期票務(wù)收入僅為128.76億元，七年缺口約為87億元。在這七年中，政府財政共補貼北京地鐵運營公司221億元，除對運營成本的補貼之外，其中還包括約134億元的更新改造補貼。2013年，北京市公共財政補貼北京地鐵公司基本運營虧損26億元，與其2013年的基本運營收支缺口大體相當(dāng)。目前北京地鐵的電費大概每年達到40億-50億元。而電費占地鐵日常運營維護費用

4、的一半，每年地鐵維護大概需要100億元左右。其中，每年光地鐵燈泡的更換費用就要幾千萬元。地鐵運營費的三大頭包括電費、設(shè)備運維、工資，其他項目還包括售檢票、信號、消防、通訊、防暴等。2. 城市軌道交通節(jié)能前景節(jié)能是國家政策導(dǎo)向。中華人民共和國節(jié)約能源法、重點用能單位節(jié)能管理辦法、中華人民共和國環(huán)境保護法相繼推出,節(jié)約用電管理辦法和關(guān)于推進電力需求側(cè)管理工作的指導(dǎo)意見，政府機構(gòu)節(jié)能行動倡議等專項政策法規(guī)的頒布，及建立的全國性節(jié)能宣傳活動制度（每年11月組織全國“節(jié)能月”活動）、推行合同能源管理（一種全新的節(jié)能服務(wù)機制），以及每年政府在節(jié)能推廣上的投資舉措都已表明：節(jié)能對于政府來說是勢在必行，這無疑

5、為節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了一個不可多得的宏觀需求和有利的政策環(huán)境。3. 城市軌道交通能耗分布軌道交通能耗一般可分為2個部分，即車輛所消耗的牽引電能（包括正線旅客列車運營消耗的電能和車輛段旅客列車出/入庫消耗的電能、列車試車和試驗所消耗的電能）和動力照明設(shè)備所消耗的電能（包括為保證滿足旅客列車安全可靠運營要求的設(shè)備、為旅客提供良好乘車環(huán)境的設(shè)備和保證車站正常運轉(zhuǎn)的設(shè)備、車站的商業(yè)區(qū)動力照明設(shè)備等）。軌道交通能耗主要分布在牽引系統(tǒng)（列車牽引及照明等）、機電設(shè)備（通風(fēng)空調(diào)、車站照明、扶梯設(shè)備、給排水及消防等）、弱電系統(tǒng)（通信、信號及FAS、BAS及AFC等）及其他方面。軌道交通能耗分布見下圖1。圖1 軌

6、道交通能耗分布示意圖4. 車站輔助能源設(shè)備的概述車站輔助能源設(shè)備的主要功能是在列車制動時將能量存儲于電池儲能系統(tǒng)中，列車啟動時將能量從儲能系統(tǒng)中釋放到電網(wǎng)中，同時具有削峰平谷的作用，并且可用于其他負(fù)載的部分用電，應(yīng)急電源等。電池儲能系統(tǒng)主要是通過儲能變流器將儲存電源接入既有電網(wǎng)，在電網(wǎng)故障或者電網(wǎng)停電時，向設(shè)備和站內(nèi)負(fù)載提供不間斷供電。車站輔助電源設(shè)備解決方案示意圖如圖2所示 圖2 車站輔助電源設(shè)備解決方案示意圖為了實現(xiàn)對蓄電池儲能系統(tǒng)與外部輸入電源獨立充放電控制，同時避免電源之間產(chǎn)生環(huán)流，儲能變流器采用AC/DC交直變流器+DC/DC直直變流器兩級結(jié)構(gòu)設(shè)計，AC/DC交直變流器是交/直流側(cè)可

7、控的四象限運行的變流裝置，實現(xiàn)對電能的交直流雙向轉(zhuǎn)換，完成對蓄電池充放電控制、并網(wǎng)運行和為車站和站內(nèi)的負(fù)載提供能量；DC/DC直直變流器位于外部輸入電源和AC/DC交直變流器之間，滿足儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的直流電壓要求等。5. 車站輔助能源設(shè)備的優(yōu)勢我公司的車站輔助能源設(shè)備具有如下特點：1) 我公司采用磷酸鐵鋰系列電芯的儲能系統(tǒng)，集能量回饋、牽引輔助供電、提高供電品質(zhì)等功能于一體，設(shè)備利用率高，供電系統(tǒng)大大簡化。2) 該系統(tǒng)在回饋模式時，因短時過載能力強，在地鐵負(fù)載間歇工作制下，節(jié)能率高。3) 采用多重化并聯(lián)技術(shù)，提高系統(tǒng)抗故障失效能力，增強系統(tǒng)與既有變電所供電系統(tǒng)的保護兼容性。4) 控制系統(tǒng)采用

8、美國TI公司的32位浮點DSP芯片，計算更加精確，速度更快。模塊化設(shè)計，系統(tǒng)集成塊，安裝和調(diào)試方便。5) 先進的電池監(jiān)控和系統(tǒng)監(jiān)控軟件，儲能系統(tǒng)可在無人職守情況下自主運行。6) 不改變原有設(shè)備，采用基于功率組件的系統(tǒng)設(shè)計理念，實現(xiàn)快速維護維修，最大限度減少設(shè)備停機時間。7) 基于以太網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集與記錄，實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和智能故障診斷。8) 可用于應(yīng)急電源。6. 關(guān)于磷酸鐵鋰電池的和其他大型儲能電池的優(yōu)劣對比我公司車站輔助能源設(shè)備的儲能系統(tǒng)主要采用磷酸鐵鋰大型儲能電池，磷酸鐵鋰專利申請在1993年6月25日已經(jīng)由美國德州大學(xué)獲得，技術(shù)非常成熟，目前是中國主流儲能電池領(lǐng)域，是國家86

9、3、973、十一五、十二五高科技發(fā)展計劃內(nèi)重點項目。磷酸鐵鋰電池以工作電壓高、體積小、儲能密度高、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長、內(nèi)阻小、環(huán)保無污染等特點而得到快速發(fā)展，在制造成本、安全性能、循環(huán)壽命、功率輸出范圍等方面都具有明顯優(yōu)勢。中國南方電網(wǎng)在國內(nèi)率先投運了1MW×4h電池儲能系統(tǒng)，已經(jīng)成功并網(wǎng)投運，達到了良好的預(yù)期效果。幾種儲能電池的技術(shù)比較如圖3所示：磷酸亞鐵鋰電池鈉硫電池釩電池交流充放電效率90%75%65%循環(huán)壽命（深度充放電次數(shù)）7000800100000以上工作溫度-2555300350540安全性中，針刺或短路實驗未出現(xiàn)爆炸，高溫情況下需采取安全措施高，鈉硫直接反應(yīng)將發(fā)生

10、爆炸低，不爆炸倍率特性可高倍率放電可高倍率放電倍率特性不佳環(huán)保性對環(huán)境影響小，無污染，無振動，低噪聲制造電池的材料均為無毒材料，材料本身不對環(huán)境構(gòu)成污染影響且利用回收技術(shù)，可提取廢棄電池中的有效成份進行重復(fù)利用，降低資源消耗，減少環(huán)境污染對環(huán)境影響小，無污染，無振動，低噪聲圖3儲能電池技術(shù)比較7. 車站輔助能源設(shè)備功能車站輔助能源設(shè)備主要具有逆變回饋功能、整流牽引輔助供電功能、穩(wěn)壓功能等，該系統(tǒng)適用于地鐵牽引供電系統(tǒng)，能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回站內(nèi)加以利用，給部分電梯、照明、通風(fēng)系統(tǒng)、屏蔽門、監(jiān)測、辦公等供電，并且還可在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量。同時還可以

11、抑制直流電網(wǎng)的波動，減小直流電壓紋波，提高牽引供電質(zhì)量。該系統(tǒng)還具有邏輯控制、保護、通信、顯示、數(shù)據(jù)采集及存儲、聯(lián)鎖與聯(lián)跳、試驗等輔助功能。下面就其中的逆變回饋功能、整流牽引功能和穩(wěn)壓功能進行詳細分析。7.1 逆變回饋功能 該系統(tǒng)的回饋功能是將列車電制動時不能被臨近車輛吸收的再生能量反饋回儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)根據(jù)需要供給其他負(fù)載使用，實現(xiàn)能量的循環(huán)再利用。系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D如下如圖3：圖3 軌道再生能量回饋裝置電氣拓?fù)鋱D7.2 穩(wěn)壓控制功能該系統(tǒng)具有穩(wěn)定直流母線電壓的功能，通過儲能變流柜的逆變回饋/整流牽引功能及控制軟件中的穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)。8. 車站輔助能源設(shè)備經(jīng)濟效益初步估算假設(shè)某地鐵車輛的制動

12、初速度為80 km/h，那么每次制動產(chǎn)生的能量為9 875 837 J，即每次制動可回收的電能為2.75 kWh。按照每年365 d，每輛列車每天運營18 h，平均每小時制動30次計算，一輛列車全年回饋的電能為:。 按照目前北京市峰谷電價平均值，以每度電價0.8元計算，每輛列車每年可節(jié)省電費43.6萬元，若考慮地鐵全線的運營列車數(shù)及發(fā)車密度，節(jié)省的電費還將有所變化，所以采用電池或電容吸收方案回收這部分能量將節(jié)省巨額電費。另外，該回收裝置的安裝也會給地鐵其他系統(tǒng)帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益，比如：可以按照現(xiàn)有車型通過減少列車制動電阻容量，從而減輕車體重量、其效果更節(jié)能、成本更低。9. 結(jié)語 綜上所述，車站輔助能源設(shè)備技