城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述_李国庆.pdf

都市快轨交通·第 35 卷 第 6 期 2022 年 12 月 收稿日期: 2022-03-03 修回日期: 2022-04-25 第一作者: 李国庆，男，博士，教授级高级工程师，从事轨道交通节能设计研究，ligq@bjucd.com 引用格式: 李国庆，王琦，高东升，等. 城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述[J]. 都市快轨交通， 2022，35(6)：75-82. LI Guoqing, WANG Qi, GAO Dongsheng, et al. Review of the development of a low carbon and energy saving technology for the urban rail transit power supply system[J]. Urban rapid rail transit, 2022, 35(6): 75-82. 75 快轨论坛 URBAN RAPID RAIL TRANSIT doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2022.06.013 城市轨道交通供电系统 低碳节能技术发展综述 李国庆，王 琦，高东升，史 丹 （北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037） 摘 要 : 在“双碳”战略背景下，对城市轨道交通供电系统的低碳节能技术发展方向进行综合论述，给出未来城 市轨道交通供电系统低碳节能技术发展方向的合理建议。首先对目前清洁能源和再生能量利用技术在轨道交通中 的应用情况进行总结，根据已投运线路实测数据，分析光伏发电和再生制动能量利用对节能降碳的作用；针对不 同牵引制式的特点，分别提出基于电力电子技术的新一代城市轨道交通绿色柔性供电系统架构，一方面充分消纳清 洁能源，另一方面通过双向变流器、同相供电等技术提高能量利用率，改善供电质量，最终达到节能降碳的目的。 关键词: 轨道交通；双碳；节能减碳；清洁能源；柔性供电 中图分类号: U231.1 文献标志码: A 文章编号: 1672-6073(2022)06-0075-08 Review of the Development of a Low Carbon and Energy Saving Technology for the Urban Rail Transit Power Supply System LI Guoqing, WANG Qi, GAO Dongsheng, SHI Dan (Beijing Urban Construction Design several reasonable suggestions have been proposed for their future development. First, applications of clean energy and regenerative braking energy technologies in the urban rail transit are summarized. The effect of photovoltaic power generation and regenerative braking energy utilization on energy saving and carbon reduction is analyzed according to the measured data of operational lines. According to the characteristics of different traction systems, architectures of new green flexible power supply systems for urban rail transit are proposed based on power electronics technologies. While clean energy can be fully absorbed, the energy utilization rate and power supply quality can be further improved using bidirectional converters, a co-phase power supply, and other technologies to ultimately achieve the energy-saving and carbon reduction goals. Keywords: rail transit; carbon peak and neutrality; energy conservation and carbon reduction; clean energy; flexible power supply 1 研究背景 1.1 国内发展状况 2021年3月，习近平总书记在中央财经委员会第 九次会议上强调：“实现碳达峰、碳中和是一场广泛而 深刻的经济社会系统性变革，要把碳达峰、碳中和纳 入生态文明建设整体布局，拿出抓铁有痕的劲头，如 期实现2030年碳达峰、2060年前碳中和的目标。” [1] 党中央、国务院在2019年9月提出的《交通强国建设 纲要》中指出：“要进一步提高交通领域的智能化、绿 都市快轨交通·第 35 卷 第 6 期 2022 年 12 月 76 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 色化和共享化；构筑多层级、一体化的能源交通融合 的综合交通枢纽体系；优化交通能源结构，推进新能 源、清洁能源应用。” 近年来，国内城市轨道交通发展迅速，线网规模 不断增加，作为大工业用户，在“双碳”战略目标下， 如何推动城市轨道交通与清洁能源的有机结合，提高 能量利用率，促进城市轨道交通供电系统供电模式的 升级变革，是未来发展的重点研究方向。笔者针对当 前城市轨道交通清洁能源的利用以及提高能量利用率 两个方面的发展现状进行综述，依据已运营线路的实 测数据，计算分析光伏发电以及再生制动能量利用装 置对节能降碳的效果。根据城市轨道交通不同牵引制 式的特点，针对性提出新一代绿色柔性供电系统架构 方案，一方面可以将新能源发电、储能技术与供电系 统有机融合，另一方面可以进一步提升能量利用率， 从而达到节能降碳的最终目标。 1.2 国外研究状况 国外城市轨道交通新能源的利用主要集中在配电 部分。早在1993年，日本铁路公司建设屋顶光伏项目， 应用于地铁的通信及信号系统。2007年，美国在纽约 Stillwell大街地铁站屋顶安装了容量达210 kW的光 伏发电系统，年发电量可满足车站每年15%的用电需 求 [2] 。光伏发电用于牵引的研究和案例较少，有研究 者实现了光伏发电系统向城市轨道交通牵引供电系统 的直流接触网供电 [3] 。 国外对于提高城市轨道交通供电利用率的研究起 步较早。2000年以后，ABB、明电舍、阿尔斯通等公 司推出基于IGBT器件的回馈装置，并逐步推广应用； 2013年，东日本铁道公司在拜岛牵引变电所建成锂离 子电池储能系统；2014年，美国洛杉矶红线地铁投入 2 MW的飞轮储能装置。目前，储能型和回馈型装置 在不同地区均有应用案例。 2 清洁能源利用 目前，城市轨道交通清洁能源利用主要是把太阳 能接入供电系统。由于早期建设项目多为地下线路， 且受到当时电力电子技术发展的制约，装有光伏发电 的线路较少。文献[4]总结了国内外关于光伏电站接入 轨道交通牵引供电系统的研究状况，从光伏接入电气 化铁路与城市轨道交通两个方面，讨论了接入方式、 逆变方式以及存在的电能质量问题；综合分析了光伏 接入轨道交通牵引供电系统的经济、社会和环境效益。 文献[5]研究分析了光伏发电系统的交流和直流两种 接入模式，交流并网模式具有控制策略简单成熟的优 点，直流侧并网模式可以减少接触网损耗，具有提高 牵引供电质量和节能的双重作用。光伏发电接入方式 及对比如表1所示。 表 1 光伏发电接入轨道交通供电系统方式对比 Table 1 Comparison of photovoltaic power generation access to rail transit power supply system 接入方式优点 缺点 中压系统节能效益适中 低压系统 未直接接入城市电网，对电网 影响小；控制策略简单；已有 较成熟的应用 节能效益较低 直流系统不存在电能质量问题，损耗小 需要适应牵引负荷的 波动特点，控制策略 复杂；节能效益更高 笔者调研了石家庄地铁1号线一期工程西兆通车 辆基地光伏发电项目。该项目是国内首个地铁车辆基 地采用1 MW装机容量的光伏发电系统，利用运用库 和联合检修库两座建筑单体，共铺设光伏组件3 938块， 全部采用多晶硅组件，总安装容量1 004.19 kW。光伏 组件利用汇流箱汇流后，经多台逆变器接入跟随所内 的400 V低压母线，为车辆基地的运行提供充足的电 量。该项目2016年11月—2018年12月的月发电数 据如图1所示。 图1 2016年11月—2018年12月的月度发电量 Figure 1 Monthly energy yield trend chart from November 2016 to December 2018 根据《城市轨道交通能源消耗与排放指标评价方法》 (GB/T 37420—2019)，发电量与标准煤换算公式 [6] 为 ti BEK= × (1) 式中：E t 为光伏年发电量，kW·h；K i 为折标煤系数， kg/kW·h，依据GB/T 37420—2019取0.1229。 统计得到2017年全年该项目光伏发电量约为 城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述 77URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1 240 MW·h，代入式(1)，可得年节约标准煤量，计算 结果如表2所示。 表 2 光伏发电年节约标准煤量 Table 2 Annual standard coal saving of photovoltaic power generation 名称 折标准煤B/t 折标准煤系数K i / (kg/单位能源) 节省电力E t / (MW·h) 数量 152.39 0.1229 1 240 二氧化碳排放量计算公式 [4] 如下： 22 dCO z d() (CO) pEf=× (2) 式中： 2 )d(CO p为外购电力二氧化碳排放量，t；E z 为 统计期内单一线路的综合能耗，MW·h； 2 d(CO ) f为全 国各区域电网平均二氧化碳排放因子及全国加权平均 二氧化碳排放因子，依据GB/T 37420取0.661 8。 该项目光伏发电年减少碳排放量如表3所示。 表 3 光伏发电年减少碳排放量 Table 3 Reduction of annual carbon emission by photovoltaic power generation 名称 外购电力二氧化碳 排放量 d2 ()COp /t 单一线路综合 电耗E z /MW·h 排放因子 d(CO ) 2 f 数量 820.6 1 240 0.661 8 由表2～3可知，该项目年节约电量折标准煤约为 152 t，年减少二氧化碳排放量约为820.6 t；光伏发 电设备寿命按30年考虑，全生命周期内节约电量折 算成标准煤约为4 560 t，减少二氧化碳排放量为 24 618 t。 综上分析，光伏发电对减少化石能源消耗、降低 碳排放的效果是可观的。建议新建或改造的城市轨道 交通项目，可以结合当地的气象条件，利用高架车站、 场段单体建筑物及地上主变电所屋顶，设置光伏发电 系统。 除光伏发电，其他形式的清洁能源在我国城市轨 道交通领域的应用较少。文献[7]通过回顾2020年中 国各地出台的氢能发展政策，分析得出政策重点主要 集中于交通领域，包括氢燃料电池车技术研发、关键 设备制造和加氢站建设等，而轨道交通则是未来氢燃 料电池技术的发展重点之一。文献[8]通过分析燃料电 池技术及产品特点、燃料电池技术研究现状及发展趋 势，以及对未来燃料电池供电方式、有轨电车的经济 性进行预测，为氢燃料电池交通车辆发展战略提供决 策依据。文献[9]分析地热能发展形势，指出地热能在 推动雄安新区清洁能源利用、助力北方地区冬季清洁 取暖、满足冬冷夏热地区供暖制冷需求等方面具有巨 大的发展潜力。 随着新能源技术的不断成熟和完善，氢燃料电池、 风力发电以及地热能在城市轨道交通领域的应用也具 有可行性。例如，荷兰已经实现了将风能部署至全国 所有的火车系统，为火车提供动力来源；氢燃料电池 替代现有变电站直流电源的铅酸蓄电池，工程检修车 采用氢燃料电池替代柴油，有轨电车、智轨采用氢燃 料电池作为动力电源；利用地热能，供给车辆段取暖。 这些都可以进一步促进城市轨道交通的绿色发展，降 低碳排放。 3 提高能量利用率 目前，城市轨道交通提高能量利用率的主要方案 是设置再生制动能量吸收装置，将车辆制动能量尽可 能吸收再利用，这种装置有能馈型和储能型。 文献[10]对广州地铁21号线测试数据进行分析， 研究表明投入中压逆变回馈装置后，投入区间的再生 制动能量利用率提高了45.45%，全线再生制动能量利 用率提高了16%，全线全天列车运行节省电量可达 5 952.114 kW·h。文献[11]以北京14号线为例，说明中 压逆变回馈装置投入后，平均每座车站日吸收电能为 400～600 kW·h，但有30%～40%的制动能量无法完全 利用，会返送给城市电网。 储能型再生制动能量吸收装置由于其技术特点以 及设备造价等问题，在城市轨道交通的实际应用中案 例较少。文献[12]通过实验，分析城市轨道交通供电 系统中空载电压波动对超级电容储能再生能量回收的 影响，验证了超级电容可以获得节能稳压的效果。文 献[13]分析了超级电容控制策略，以青岛地铁2号线 石老人浴场站的实际运营数据为例，超级电容日节能为 1 777～2 389 kW·h。21天的累计吸收电量45 211 kW·h， 放电量41 710 kW·h。文献[14]提出了地面式混合储能 系统基于模糊逻辑的充放电阈值自适应调整策略，以 北京八通线为例，分析节能率的约束条件对容量配置 的影响，并在八通线梨园站混合储能样机上对控制策 略进行了实验验证。文献[15]对地面式混合储能系统 控制策略进行了仿真分析，节能效果上，在两种典型 的发车间隔下，相较于超级电容，节能率提升了2.3% 和1.8%，相较于电池，寿命指标提高了56.5%和 29.2%。 下面以目前常用的中压逆变回馈装置为例，计算 都市快轨交通·第 35 卷 第 6 期 2022 年 12 月 78 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 其节能减碳效果。西安市某新开通线路的实测中压能 馈装置月回馈电能数据如表4所示。 表 4 2021 年 7—11 月牵引电能和回馈电能的数据统计 Table 4 Data statistics of traction and feedback power from July to November 2021 月份 牵引电能/kW·h 回馈电能/kW·h 节能比/% 7月 1 781 089 178 970 10.04 8月 1 790 750 182 755 10.21 9月 1 775 343 160 837 9.06 10月 1 852 504 178 513 9.64 11月 1 729 444 157 131 9.09 合计 8 929 130 858 206 9.61 该线路共有11个牵引所，均设置了中压能馈装置。 由表4可知，2021年这5个月共回馈电能858 206 kW·h， 平均月回馈电能为78 019 kW·h；单站单日平均回馈电 能为510 kW·h；节能率达到9.61%。根据主变电所的 电量统计，再生制动能量吸收装置未出现返送110 kV 侧电能的情况。可以看出在该工程中，中压能馈装置 反馈的电能基本用于轨道交通本身，制动能量的利用 率高。 中压能馈再生装置寿命按30年考虑，依据式(1)、(2) 计算该设备在全生命周期内节约标准煤为7 594.2 t， 减少二氧化碳排放为40 893 t。因此，列车制动能量的 回收利用对于助力轨道交通碳达峰碳中和目标有非常 重要的作用。 4 直流制式下绿色柔性供电系统 在“双碳”背景下，城市轨道交通新型供电系统 应尽可能考虑清洁能源的接入，以进一步提高能量利 用率。针对直流制式的城市轨道交通推荐一种新型的 绿色柔性供电系统架构，如图2所示。 图2 城市轨道交通接入分布式新能源系统 Figure 2 Distributed new energy system connected to urban rail transit 在车站、车辆基地等分布式接入光伏发电新能源 系统，光伏发电推荐接入直流侧，优先被附近列车使 用，减少从电网吸收的功率，若列车无法吸收，可通 过双向变流装置将剩余能量回馈至交流侧 [16-18] 。 利用双向变流装置替代传统整流器，实现供电系 统的“柔性”，通过控制牵引和制动功率的潮流，进一 步达到提高能量利用率的目的。 传统的等效24脉波牵引整流加中压逆变回馈装置 的技术方案，牵引和制动的功率分配模式如图3所示。 图3 直流输出不控的牵引变电所功率分配 Figure 3 Power distribution diagram of traction substation without DC output control 城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述 79URBAN RAPID RAIL TRANSIT 车辆牵引时，由于整流器不可控，牵引功率的潮流自 然分布，主要由距离车辆最近的牵引变电所B与C 供电。车辆制动时，由于中压逆变回馈装置采用恒 压控制模式，制动能量基本由本站(即变电所B)吸收。 采用双向变流装置后，供电系统具有高柔性，能够对 牵引和制动能量过程进行全面、统一、协调管控。 目前，城市轨道交通双向变流装置在国内外均已 有应用案例。国外相关研究起步较早，技术成熟。日 本的筑波快线有41 km的直流1 500 V接触网供电区 段，为了避免杂散电流对途经的一个磁观测站的影响， 在牵引变电所设置了2台额定功率4.5 MW的双向变 流装置，一主一备。文献[19-21]详细介绍了抑制机车 车辆与带有双向变流装置的供电线路在负荷较小时产 生的谐振，以及抑制环流的控制策略，并进行了仿真 实验验证。该线路的双向变流装置应用良好，且可以 将牵引网压波动范围有效控制在0.5%。意大利米兰地 铁3号线在ATM牵引变电站应用了由阿尔斯通研发 的双向变流装置，并在2017年8月—2018年7月对 能量回收情况进行监测，结果表明监测期间一共节省 了479 MW·h的电能，占总牵引消耗电能的22.15%， 减少了当地171 t的二氧化碳排放 [22-24] 。国内城市轨道 交通有少量线路(如北京地铁10号线、宁波地铁2号 线)的部分站点对双向变流装置进行了挂网试验，全线 应用双向变流装置的线路目前均未开通运营。文献[25] 介绍了双向变流装置与二极管整流机组协同控制策 略，包括线路损耗最小控制策略、变流机组损耗最小 控制策略，以及一种折中的控制策略，并对不同控制 策略进行比较和仿真验证。 文献[26-27]介绍了宁波地铁2号线双向变流装置 挂网方案，分析了多段下垂控制策略，并对运行数 据进行分析，日均回馈电能1 635 kW·h，占牵引电 能的14.69%。文献[28]利用双向变流装置的可控性， 构建了一种柔性交直流牵引供电系统，提出了一种 虚拟阻抗技术，对牵引变电所的直流输出阻抗进行 重构，提高了系统的能效和稳定性。双向变流装置 采用下垂控制，斜率即为变电所的虚拟电阻，如图4 所示。 以单列车制动工况下各牵引变电所能量回馈情况 为例进行分析，图5为此时直流系统等效电路模型。 S 1 ～S 4 为4个牵引变电所，I 1 ～I 4 分别表示流入S 1 ～S 4 变电所的电流，R 1 ～R 4 为线路阻抗，牵引变电所的空 载电压为U 0 ，r 1 ～r 4 为下垂控制斜率，列车在S 2 变电 所附近制动，列车制动功率为P。 图4 直流电压特性(下垂控制) Figure 4 DC voltage characteristics (droop control) 图5 稳态等效电路模型 Figure 5 Steady-state equivalent circuit model 根据基尔霍夫电压定律，可以列出回路电压方程 如下： ( ) () () 111 0 22 0 34233 033 0 344 0 RrIU rI U I IR rI UrI U R rI U + += + = ++++=++ (3) 求解得到各牵引变电所的电流比为 () ()()() 1234 11 3 42 1123 211 23 23 23 23 ::: :: : I III RrRrr Rrrr rRr RrRr RrRr = ++ + + ++ ++ (4) 可以看出，通过控制虚拟电阻值，能够调节各牵 引所功率分配比例，实现整流与逆变的功率控制，如 图6所示。当列车牵引时，牵引功率可以根据需要来 自于牵引降压变电所A～D，所需功率可以来自不同 的外部电源点。对于集中式供电方式，可以适当降低 110 kV/ 35 kV主变压器的容量，提高正常运行方式下 主变压器的负载率，有利于降低主变压器的空载损耗； 对于分散式供电系统，可以合理减少10 kV电源开闭 所数量，节省投资。当列车制动时，制动能量也可同 时由A～D这4个牵引变电所进行回馈，提高制动能 量的利用率。尤其对于10 kV分散式供电，可以减少 返送回上级110 kV城市变电站的电量。 都市快轨交通·第 35 卷 第 6 期 2022 年 12 月 80 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 图6 下垂控制的牵引变电所功率流动 Figure 6 Schematic of power flow in droop-controlled traction substations 5 交流制式下绿色柔性供电系统 市域铁路因其站间距大、速度高，大多采用AC 25 kV 牵引供电系统。市域铁路的车站及主变电所一般设置 在城市较为偏僻的地方，占地面积大，可以充分考虑 光伏发电及风力发电的利用。此外，可以设置一些储 能装置，将清洁能源产生的电能存储起来，在系统故 障时作为应急用电，达到“削峰填谷”的目的。对于 车辆制动能量，目前交流市域铁路一般将其直接反馈 至电网，由于反馈电能具有谐波、负序等问题，并不 产生经济效益。但在“双碳”背景下，如何将这部分 能量有效利用起来，也是目前交流制式市域铁路亟待 解决的问题。文献[29]对京沪高铁南京南站牵引变电 所的相关测试数据进行分析，在主变压器27.5 kV侧， 反向有功约占正向有功的45%左右，说明设置再生能 量利用装置的合理性和必要性。文献[30]针对高速铁 路牵引供电特性，提出储能型和储能+能量回馈型再 生制动能量利用的方案，并搭建小功率试验平台，对 方案进行对比分析验证。文献[31]提出了一种电气化 铁路同相储能供电系统，通过实时控制储能装置的充 放电，可实现负序满意度补偿、负荷削峰填谷，兼顾 再生能量利用的功能。 针对市域交流铁路制式，推荐一种新型的绿色柔 性牵引供电系统架构方案，如图7所示。新能源可从 交直交变电所或者沿线车站分布式接入。 图7 分布式新能源接入市域铁路方案 Figure 7 Distributed new energy access to suburban railway 城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述 81URBAN RAPID RAIL TRANSIT 在交直交变电所采用多端口高压直流变换器，设 置10～55 kV高压公共直流母线。高压直流母线具有 强大的潮流控制均衡能力，能够实现新能源发电、储 能、公共电网、机车负荷电能之间的任意双向流动， 实现完全柔性控制，解决传统牵引变电所能量回馈和 电能质量的问题。 牵引网沿线车站采用模块化中压直流变换器并 网。利用电力电子变压器，能够把1.5～3 kV中压直 流电变换为27.5 kV牵引网单相交流电，也可以给380 V 低压配电，提供非牵引用电。 6 结语 在“双碳”目标背景下，笔者对城市轨道交通供 电系统架构提出新的构思：一方面，将清洁能源融入 既有供电系统，提高清洁能源的占比，节能降碳；另 一方面，基于电力电子技术及相应的控制策略，尽可 能提高能量利用率，提高供电质量，节能降耗。同时， 提出以下建议： 1) 建议直流制式的轨道交通在具备条件的停车 场、车辆段、高架车站等建筑物顶部设置光伏发电系 统，推荐光伏发电接入直流侧，减少损耗；采用双向 变流装置，通过控制算法，改善牵引及制动功率分配， 提高能量利用率。 2) 建议交流制式的轨道交通根据线路情况，选择 从交直交变电所或者沿线车站分布式接入新能源，推 荐采用电力电子技术将新能源与同相供电技术结合的 方法，解决传统牵引变电所电能质量的问题。 参考文献 [1] 朱洪, 刘莹, 余柳, 等. 碳中和背景下的城市交通发展 思路[J]. 城市交通, 2021, 19(5): 111-115. 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