西门子运输系统储能装置的特性

池年虎周巧莲

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.上海申通轨道交通研究咨询有限公司，201103，上海∥第一作者，研究生）

西门子运输系统储能装置的特性

池年虎1周巧莲2

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.上海申通轨道交通研究咨询有限公司，201103，上海∥第一作者，研究生）

介绍了西门子运输系统储能装置（SITRASSES）的运行模式和工作原理，对储能装置的动态响应特性曲线进行分析。介绍了SITRASSES节能效果的仿真计算和仿真结论，得出SITRASSES的节能优点，可为牵引供电专业的节能方案提供相应选择。

轨道交通；牵引系统；西门子；储能装置

First-author'saddressRailway and Urban Mass Transit Research Institute，Tongji University，201804，Shanghai，China

在轨道交通系统中，当列车再生制动时，牵引系统会将再生能量回馈给牵引电网。如果没有能量储存装置，这部分再生制动能量只有当附近有列车加速时，才能加以利用。为了充分利用这个再生制动能量，西门子智能电网集团开发了西门子运输系统储能装置（Siemens Transportation System Stationary Energy System，简为SITRAS SES），其核心技术是双层电容器及其控制。SITRAS SES可以将轨道交通中车辆的再生制动能量加以优化利用，可以实现能量的快速存储或释放，从而使列车间能量的完全交换成为可能。此外，储能装置还可以起到稳定牵引网压的作用，以改善牵引供电网的质量。

1 SITRASSES简介

SITRASSES由主回路设备、双层电容器监测单元和控制系统等组成。图1为SITRASSES电路示意图。

1.1 主回路设备

主回路设备的组成及其功能如下。

1）高速断路器（Q01）：用于接通和断开储能装置与牵引供电系统的连接，具有快速过流响应的特性。

2）预充电电路（K01，F01，R01）：对直流母排电容进行充电；控制系统对预充电过程进行监控，当预充电过程发生故障时，SITRAS SES的启动过程将被中断。

3）变流器（A01，A02）：2台变流器并联连接，A01为主模块，A02为从模块。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）驱动电路的控制器集成于A01中，此控制器接收来自系统的充、放电指令，实现储能装置充、放电功能。

4）电抗器（L01，L02，L03）：L01为进线电抗器，减小来自供电系统电网震荡的影响；L02，L03为平波电抗器，减少变流器输出谐波对双层电容组的影响。

5）接触器（Q02，Q03）：用于接通和断开双层电容器与主回路的连接，受控制系统监控。

6）双层电容器（C11，…，C65）：多个电容器集成于电容器模块ESM 125，形成2套储能单元，存储列车制动时产生的再生能量。

7）放电接触器（K21，…，K26）：系统正常工作时，放电接触器为闭合状态；当需要对双层电容器放电时，放电接触器断开。

图1 SITRASSES电路示意图

8）放电电阻（R21，R22）：当双层电容器的电压超过电压上限时，双层电容器通过放电接触器对放电电阻进行放电。

9）保护熔断器（F41，…，F53）：当发生过流、内部绝缘故障或变流器短路时，保护熔断器断开，以保护双层电容器。

10）风扇（M01，M02，M03）：可以通过强迫风冷对变流器和双层电容器进行冷却，其风机转速具有快、慢2个等级。

SITRASSES的核心部件为双层电容器。图2为MasWell公司的K2系列双层电容器。双层电容器集成在抽屉紧凑型的电容器模块ESM 125中（见图3）。各个ESM 125模块由48个双层电容器串联组成，4个ESM 125模块串联连接形成1组，3组ESM 125模块再并联形成了1套储能单元。SITRASSES有2套独立的储能单元，分别与2台变流器相接。机柜中电容器模块ESM 125的分布见图4。

MasWell公司K2系列电容器为2.7 V、3 000 F双层电容器。单个电容器的最大工作电压为2.7 V，1套储能单元充满电后的最高电压为518.4 V。2套储能单元的全部电容器数量为1 152个，总电容为94 F，最大存储能量为80 kWh。双层电容器具有很多突出的优点：它的使用寿命长、效率高，具有非常强的反复充电能力；双层电容器可以真正做到免维护，这点较飞轮储能装置而言，具有无可比拟的优势。双层电容器的电能储存能力在短时间内既可以成比例递增，也可以直线下降。这种特征决定了SITRAS SES可以与轨道交通系统的动态要求完美地匹配。

图2 双层电容器

图3 抽屉紧凑型电容器模块ESM 125

1.2 双层电容器监测单元

监测单元（D11，D12）：监测单元通过控制器局域网（CAN）总线与所有双层电容器连接，实现对各个双层电容器状态的监测。

1.3 控制系统

控制系统由SIMATIC PC和SIMATIC Flat Panel（触摸屏）组成。控制系统除了对SITRAS SES的集中管理和控制外，还有以下主要监测功能：

1）过压监测：两套储能单元都安装了过压继电器，如果双层电容器超出整定电压，过压继电器将断开主回路中接触器Q02、Q03，并且开始对双层电容器放电。

2）绝缘故障检测：柜体构架必须与供电变电站的接地网络相连，当控制系统监测出有对地的电流时，整个装置将被关断。

3）状态监测：①相关接触器的状态监测；②相关电压、电流的状态监测；③冷却系统的状态监测。

2 SITRASSES的运行模式和工作原理

SITRASSES具有2种运行模式：稳定网压运行模式和节能运行模式。2种运行模式的工作原理相似，SITRAS SES可以在这2种运行模式之间自动切换，以适应不同的运行需求。

1）稳定网压运行模式：在这种运行模式下，SITRASSES储存的能量始终保持在高水平，只有当牵引网压低于规定值时，它才向牵引网释放电能。

2）节能运行模式：在这种运行模式下，SITRAS SES吸收列车制动时的能量，存储在储能介质中。在随后有列车加速时，SITRAS SES再将储存的能量向牵引供电系统释放出来。

SITRASSES的进线输入来自牵引供电系统，所以SITRASSES工作时的重要信号源是牵引线网电压。其充放电曲线示意见图5所示。当列车制动时，线网电压上升，SITRAS SES吸收能量；当列车牵引时，线网电压下降，SITRASSES释放能量。

图5 SITRASSES充放电曲线示意图

SITRAS SES能实时监测牵引线网电压，并计算2个数值：线网电压平均值，线网电压瞬时值与平均值的差值。

1）当牵引供电系统运行处于无载荷工况时，SITRASSES计算线网电压的平均值，此平均值将作为其控制系统调节器的参考值。

2）若线网电压瞬时值与平均值的差值超出充电电压阀值，并呈上升趋势时，SITRASSES对双层电容器组进行充电。充电电流取决于可参数化的充电斜率和最大充电电流。

3）若线网电压瞬时值与平均值的差值超出放电电压阀值，并呈下降趋势时，SITRAS SES从双层电容器组释放电能。放电电流取决于可参数化的放电斜率和最大放电电流。

上述为SITRAS SES节能运行模式的工作原理。稳压运行模式的工作原理与节能运行模式非常相似。为了确保SITRASSES的能量处于较高的水平，以便在牵引网压大幅度下降时，可以为牵引供电系统提供最大的电能，所以，当线网电压瞬时值与平均值的差值超出放电电压阀值时，必须对双层电容器组进行持续的、恒定功率的充电。

3 SITRASSES的动态响应特性

3.1 稳定网压运行模式的动态响应

图6为SITRASSES在稳定网压运行模式下的动态响应特性曲线。在时间点t1由于线路上有若干列列车同时加速，造成牵引网电压Us下降到临

界值之下；SITRAS SES开始启动稳定网压运行模式，持续向牵引网释放足够的电能（此时SITRAS SES的充电电流ISES为负），直到时间点t2，以维持系统电压不低于510 V。一旦列车完成加速过程，牵引网电压开始上升，SITRASSES就开始充电；此时的充电过程既可以由线路上列车的再生制动能量充电，也可以由直流变电所的牵引供电设备充电。图6中的时间点t3和t4显示，在列车辆制动时SITRASSES的充电电流快速上升，储能WSES也进一步提高。

图6 SITRASSES在稳定网压运行模式下的动态响应特性

3.2 节能运行模式的动态响应

图7为SITRASSES节能运行模式下的动态响应特性曲线。时间点t1在供电区间3有一列车加速，其牵引电流I3为正；SITRASSES持续向牵引网释放电能，WSES减小，ISES为负。时间点t2在供电区间2有1列车制动，其牵引电流I2为负；SITRAS SES充电，WSES增加，ISES为正。时间点t3在供电区间1有1列车制动，I1为负；SITRAS SES充电，ISES为正。时间点t4在供电区间1仍然有1列车制动，在供电区间4有1列车在加速；SITRASSES立刻从充电储能运行状态切换为释放能量运行状态，WSES减小，ISES为负。

4 节能效果的仿真计算

为研究如何充分发挥节能特性使其达到最优的节能效果，西门子公司智能电网部门的工程师们开发了节能效果评估的仿真计算工具。此仿真计算工具以车辆类型、列车最高运营速度、车站分布和运营时刻表等相关参数作为输入，得出SITRAS SES在线路上安装的最佳位置，从而为节能方案提供参考。如图8为典型直流750 V的2条轻轨线路的仿真计算实例。其具体输入参数如下：

1）2条线路每年总能耗：7 053 MWh。

2）2条线路情况：①线路1长10 km，有19座车站；②线路2长5 km，有13座车站。

3）车辆类型：Combino Plus。

4）列车最高运营速度：70 km/h。

5）每列车（3节车辆）能耗：25 kW。

6）运营时刻表：①线路1，每天运行6.5 h，10 min一班；②线路2，每天运行12.5 h，20 min一班。

图8所列2条轻轨线路仿真计算的节能效果如表1所示。由表1可知，SITRAS SES的节能效果取决于其安装的位置和列车运营的密度。本仿真计算中，SITRAS SES安装在2条线路交叉处并为20 min一班车的行车密度时可取得最佳的节能效果。

表1 SITRASSES节能效果仿真计算结果MWh/年

图7 SITRASSES在节能运行模式下的动态响应特性

图8 某两条轻轨线路的SITRASSES安装分布图

5 结语

在当今节能减排的大背景下，为了降低城市轨道交通运行的电能消耗，各个专业领域都在制定和实施节能措施来完成节能的指标。SITRAS SES的节能特性，可为牵引供电专业节能方案的制定提供参考。北京地铁5号线于2006年开始安装应用SITRASSES。

［1］ 赵立峰，张发明.北京地铁5号线再生电能吸收装置［J］.现代城市轨道交通，2008（1）：6.

［2］ 陈勇，罗锐鑫.城市轨道交通再生制动能量吸收方式的研究［J］.城市轨道交通研究，2012（8）：157.

Characteristics of Siemens Transportation System Stationary Energy System

Chi Nianhu，Zhou Qiaolian

The operation mode and working principle of Siemens Transportation System Stationary Energy System（SITRAS SES）is introduced，the character curve of SITRASSES dynamic response is analyzed.Then，the simulation calculation and aconclusion of the energy saving effect of SITRASSESare introduced，its advantage in energy saving is summarized.SITRAS SES it could provide corresponding selection of energy saving schemes in tractive power supply system.

rail transit；traction system；Simens；stationary energy system

U 270.35.9

2014-03-31）