有轨电车储能式系统配置方案及供电系统研究

刘宗泽 侯 飞 刘海全 马泽宇 梁 珏 李 军 吴 健

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司， 430063， 武汉； 2.济南轨道交通集团建设投资有限公司， 250011， 济南；3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司， 266111， 青岛； 4.北京北交新能科技有限公司， 100044， 北京；5.北京交通大学电气工程学院， 100044， 北京∥第一作者， 工程师)

1 有轨电车车载储能技术概况

目前我国已有超过21条有轨电车线路投入正式运营，表1为采用不同供电方式的有轨电车线路概况。

表1 国内采用不同供电方式的有轨电车线路概况

随着车载储能技术的发展，在有轨电车上直接装载储能系统作为能量源，无需从供电网获取能量，这种供电方式比传统的架空接触网供电有诸多优势。储能式有轨电车兼有传统架空接触网有轨电车的优点[3]，同时无需建设供电网，其前期建设费用可以大幅度降低，其工程施工时间也进一步缩短；无架网设计，占用城市地面空间较少；在实际运行过程中，可通过储能系统回收制动能量，能量损耗低，能量利用效率更高；无供电网的网侧故障隐患，提高了其运行的可靠性。随着新能源技术不断发展，动力电池、超级电容、动力电池与超级电容混合等不同储能式有轨电车迅速发展[4]。

目前广泛应用于有轨电车的车载储能系统主要分为超级电容储能方式和动力电池储能方式两种。两种储能方式的技术性能对比如表2所示。超级电容储能系统主要由电池与传统电容器之间的一种双电层电容储能元件串并联成组构成，超级电容的工作原理特殊，在实际充放电过程中仅发生电子的移动而并未发生其他化学反应，因而超级电容储能系统具有较高的充放电倍率和较长的循环寿命。

表2 超级电容储能方式和动力电池储能方式技术性能对比

本文针对储能式有轨电车的配置及其供电系统进行研究，以降低运营成本和建设成本为目标，提出车载储能系统改进方案以及供电系统的配套改进方案，对改进后的有轨电车储能系统和供电系统进行仿真验证和经济性分析，并对储能系统全寿命周期下的累计成本进行对比分析，以为后续有轨电车车地一体化系统中储能系统与供电系统的选型和设计提供有效参考。改进方案在保证运输安全与运输能力的前提下，选用不同的储能系统配置，对提高系统的能量利用效率、降低系统的总建设与运营成本、提高系统经济性有重要工程应用意义。

2 间歇式供电有轨电车车地一体化

有轨电车的间歇式供电与传统接触网持续式供电有所不同，间歇式供电利用车载储能系统作为能量源，通过在站点设置充电设备给储能系统充电；根据线路中充电站的数量，可采用部分无接触网模式或全线无接触网模式设计；在全线无架空接触网设计中，根据充电站的设置方式，其充电方式可分为首末站充电方式、隔站充电方式以及站站充电方式[5]。

2.1 线路情况

本文基于国内某条已开通运营的有轨电车线路进行分析，该线路采用间歇式供电的站站充电方式，其车载储能系统基于超级电容设计。该线全长7.7 km，采用全线无网设计，共设11座车站。列车在每站的充电时间为10 s，列车在站充电时间较短，因此需要可适应大功率充电的储能系统以进行快速充电，且需要配备大功率充电设备。高峰时段列车运行时间间隔为3 min，平峰时段列车运行时间间隔为5 min，低峰时段列车运行时间间隔为8 min。有轨电车全天运营14 h，其中高峰运营时间为3 h，平峰运营时间为4 h，低峰运营时间为7 h。列车编组形式为3动1拖，最大载客量为380人，最高运行速度为70 km/h。

2.2 间歇式供电有轨电车动力系统

本文研究的间歇式供电有轨电车动力系统主要由车载储能系统、牵引系统和辅助系统构成，其拓扑结构如图1所示。

图1 间歇式供电有轨电车动力系统拓扑结构

可根据不同的系统需求,将车载储能系统设计方案分为两种：车载储能原件(超级电容或动力电池)与有轨电车的直流母线直接连接；车载储能原件先与DC/DC模块连接后再与有轨电车的直流母线相连。由于超级电容储能系统具有承受输入输出大功率冲击的能力，因此该线路中的有轨电车采用车载超级电容与有轨电车直流母线直接连接的拓扑方式(如图2所示)，这种设计方案可减少部分由DC/DC所产生的电能消耗。

注：VVVF——变频调速系统；DC BUS——直流母线。

该线有轨电车共配置3组超级电容，每组容量为55 F，共计165 F，电量为13.92 kWh。由于超级电容储能系统能量密度低，需在每站充电，因此，在多车同时运行时线路中总充电功率较大，总供电系统容量需10 MVA。该线有轨电车在实际运营中的续航里程为2～3 km。

3 车载储能系统与供电系统改进方案

在实际运营过程中,车载超级电容储能系统设计方案存在的主要问题如下：

1) 车载超级电容储能系统虽具有良好的功率特性，能进行大功率充放电且循环寿命较长，但是超级电容作为储能系统其能量密度较低，导致存储电量较低，续航里程短，充电频繁。

2) 由于其续航里程短，当充电站的供电系统出现故障或因外因停车等待时，容易引起因能量耗尽而停车。因此系统运行可靠性较差。

3) 充电时，功率需求较大，充电电流较大，需要的变压器、电力电子装备的容量和功率等级较高。因此配电系统基本容量费较高。

4) 每座车站都需要单独建充电站及配套设施。因此工程建设成本高。

5) 间歇式充电方式导致变压器负载率较低，使得供电系统效率较低。

为解决上述问题，本文提出了两种车载储能系统与供电系统的改进方案。

3.1 车载储能系统改进方案一

为解决原方案中超级电容储能系统电量过少而导致的一系列问题，改进方案一按照现有车载储能系统空间以及车重要求，将原3组超级电容的储能系统改为2组(超级电容的可用容量为110 F，电量为9.28 kWh)，增加1组钛酸锂动力电池及双DC/DC，其拓扑结构如图3所示。改进后的动力电池组电量为30 kWh，储能系统总电量为39.28 kWh，有轨电车的实际续航里程可增加至7～8 km。

图3 车载混合储能系统改进方案一拓扑结构

在原纯超级电容储能系统中加入动力电池组使其电度数和续航里程增加，则有轨电车在该储能系统配置条件下运行无需站站充电，只需进行隔站充电，充电站数量可减少至5座，其建设费用相应减少。多车同时充电数量减少使总充电功率下降，供电系统容量可降低至8 MVA，每年运营费用中的基础容量费也会相应降低。

3.2 车载储能系统改进方案二

基于方案一的研究，考虑选用纯动力电池方案，进一步减少充电站的数量以降低供电系统容量成本。在原方案中，选用纯超级电容储能系统的主要考虑因素是超级电容可在大倍率的电流环境中正常稳定工作。目前有轨电车主流的动力电池有磷酸铁锂和钛酸锂电池，两者的性能对比如表3所示。若选用磷酸铁锂电池，则整车储能系统的电量可较高但最高功率达不到系统要求；若选用技术成熟的功率型钛酸锂电池，因其工作倍率较大，则可达到系统倍率与功率需求，能使牵引系统特性保持一致。

表3 磷酸铁锂电池和钛酸锂电池性能对比

方案二按照现有车载储能系统空间以及车重要求，选用3组钛酸锂电池，其拓扑结构如图4所示。不装载DC/DC模块，其空间可搭载容量可达到150 kWh，实际续航里程可增加至25～30 km；整条线路只需在首站设置充电站，可取消地面供电系统10 kV中压环网，可大幅降低建设投资(10 kV中压环网建设投资大约为1 500万元/km)；且此供电系统方案下的容量可大幅下降，仅需1.5 MVA，其利用率提高且基础容量费得到大幅降低。

图4 车载储能系统改进方案二拓扑结构

3.3 车载储能系统改进方案仿真验证

选取该线路某次运行工况对改进后的储能系统进行仿真验证[6]，该工况的运行速度曲线如图5所示，整车需求功率如图6所示，仿真试验得到的原方案与两种改进方案在该线路运行时的电池与超级电容的SOC(荷电状态)如图7所示。仿真试验结构证明两种改进方案均可满足该线路有轨电车的运行要求。

图5 有轨电车运行速度曲线

图6 有轨电车需求功率曲线

图7 车载混合储能系统原方案与两种改进方案SOC曲线

4 各车载储能系统方案的经济性分析

表4为原方案与两种改进方案的车载混合储能系统的性能指标对比与费用估算(该线路按10列列车运营计算)。

表5为原方案与两种改进方案的车载储能系统以及采用接触网供电方案的供电系统的建设项目以及建设费用与每年运营费用(基础容量费+电费)的估算对比。

表6为采用不同供电方式的有轨电车各项费用汇总对比表。

表4 车载储能系统不同方案的性能指标与费用估算

表5 采用不同供电方式的有轨电车供电系统的建设项目与各项费用估算

表6 采用不同供电方式的有轨电车各项费用对比

由表4～6对比分析可知：原超级电容方案与传统接触网供电方案相比，两者的运营费用与建设费用基本一致；而超级电容方案需采购超级电容储能系统，因此其总费用比传统接触网供电方案更高。

改进方案通过将超级电容车载储能系统部分或完全改用动力电池组有如下优势：

1) 可提高车载混合储能系统的电量，增加有轨电车实际运营过程中的续航里程，由此可减少充电站数量，同时减少了中压环网建设，因此供电系统建设投入大幅减少。

2) 因动力电池充电时间充足，所需充电功率相比超级电容较低，可有效降低有轨电车的供电系统容量，因此可获得每年较低的基础容量费。

由表5可知：改进方案一通过增加锂电池增加了有轨电车的续航里程；改进方案二由于采用全部锂电设计，只需建设单个充电站，无需建设中压环网；两种改进方案的供电系统的建设投入和基础容量费随之大幅度降低。

图8为采用不同供电方式的有轨电车全寿命周期(按30年计算)累计成本对比图。

图8 采用不同供电方式有轨电车全寿命

由图8可知：在全寿命周期中，改进方案二的初始储能系统采购与供电系统建设系统的投入费用为2 500万元，与原方案(13 550万元)、改进方案一(12 000万元)和传统架空接触网供电方案(11 550万元)相比，费用大幅下降；在全寿命周期中，改进方案二运营与建设的总成本为17 850万元，与原方案(36 550万元)、改进方案一(34 750万元)和传统架空接触网供电方案(32 550万元)相比，改进方案二为最优方案；在全寿命周期中，改进方案二与原方案相比，供电系统的建设、储能系统采购与运营的总费用降低了51.14%。

5 结语

本文以国内某有轨电车运营线路的超级电容储能系统为研究背景，对车载储能系统与供电系统进行研究。以降低运营与供电系统建设成本为目标，提出两种车载储能系统改进方案，并对其经济性进行分析，结果为全锂电池方案的系统经济性最优，与原方案相比，该供电系统全寿命周期内的建设与运营的总费用大幅降低。本文研究成果可为未来有轨电车的储能系统设计提供有效的参考价值，具有较好工程应用前景。