广州地铁6号线浔峰岗地铁站加装节能系统的工程方案研究

侯 峰 余为俊 薛 敏

(1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州；2.宁波中车新能源科技有限公司，315112，宁波；3.广州地铁运营总部基地维修中心，510380，广州∥第一作者，工程师)



广州地铁6号线浔峰岗地铁站加装节能系统的工程方案研究

侯 峰1余为俊2薛 敏3

(1.广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州；2.宁波中车新能源科技有限公司，315112，宁波；3.广州地铁运营总部基地维修中心，510380，广州∥第一作者，工程师)

以广州地铁6号线浔峰岗牵引变电所为例,介绍了采用线路储能装置进行能量回馈利用的设计过程,分析了线路储能装置的加装工程方案及其工作状态，以及线路储能装置同制动电阻能耗系统的配合方式,分析了线路储能装置加装工程完成后浔峰岗站的综合能量消耗、线路储能装置回送能量及经济效益。

广州地铁；能量回馈系统；线路储能装置；制动电阻能耗系统

First-author′s address Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.,Ltd.,510010，China

随着超级电容器技术的日臻成熟和广泛使用,以超级电容器为核心器件的城市轨道交通直流牵引线路储能装置,在城市公共轨道交通系统节能降支方面发挥着重要作用。

本工程拟在广州地铁6号线浔峰岗站安装试运行一套直流DC 1 500 V线路储能装置,以检查和验证该装置技术经济指标,深入探究该类装置对直流牵引系统的影响和作用。这也为该类装置得到广泛而有效的应用,从而提高城市轨道交通能源利用水平,提供了设计、制造、安装和运行方面的理论和实践经验。

1 线路储能装置

广州地铁6号线拟安装试运行的线路储能装置采用一种基于吸收-储存-能量回馈方式的节能系统(Energy Saving System,ESS),主要由电源变换系统(Power Conversion System,PCS)和超级电容器储能系统(SS)组成。PCS包含1台总柜、3台变换柜及1台放电柜。SS由3台储能柜组成。

在城市轨道交通行业中,ESS主要作用有以下几点:①对接触网网压“消峰填谷”,维持网压均衡稳定;②吸收储存城轨车辆制动回馈的能量,在车辆牵引时回送储能,节能环保;③降低牵引站峰值功率、供电损耗和供电容量;④大量减少地下隧道制动产生的热量聚集。

ESS具有逆变回馈工频中压(或低压)节能装置不具备的优点:①与工频电网完全无关,对工频电网无电磁污染,也不会影响其安全稳定运行;②能更好地稳定直流牵引网压,减少线路电压损失;③可降低牵引站峰值功率,以减少供电损耗和供电容量;④在两牵引站中间安装ESS,可增加牵引站的设置距离,减少线路的牵引站数量,从而降低工程造价。

目前,ESS的不足之处主要是其设备体积略大,设备造价略高,设备寿命有待验证。

2 广州地铁6号线浔峰岗车站概况

广州地铁6号线一期运营线路全长23.95 km,规划有22座车站(目前投入使用的有20座)。其中,设置了牵引整流机的车站(以下简称为“牵引站”)有8座,车站间平均距离为1 140 m,牵引站间平均距离为3 421 m。线路西端的浔峰岗站(牵引站)、横沙站及沙贝站为地上车站,其它为地下车站。配电监控中心设在浔峰岗站。

6号线车辆为L型直线电机牵引车辆,采用Mc(动车)+2Mp(拖车)+Mc编组。每辆动车有2台150 kW直线电机,则整个编组的牵引功率为1 200 kW。车上无制动电阻。在每个牵引站和停车场的直流供电系统中设置制动电阻柜,以吸收车辆制动回馈的能量。

选择浔峰岗站试装ESS,有如下几点优势:

(1) 浔峰岗站是唯一的地面牵引站,其地面站设备用房条件相对宽松。ESS设备的改造、运输及安装相对容易。

(2) 浔峰岗站处于广州地铁6号线的西北端,紧邻停车场,其客流量较少。故一旦发生问题,则影响面小,便于展开应急救援。

(3) 6号线控制中心设置在浔峰岗站,因此能更方便、更顺利地开展试运行工作。

基于上述分析,ESS线路储能装置初步选址在浔峰岗车站安装。浔峰岗站与相邻的牵引站(河沙站)之间依次为横沙站及沙贝站。站间距依次为807 m、810 m、2 160 m。浔峰岗到河沙站距离为3 777 m。

在浔峰岗站牵引变电所供电半径(1 889 m)内,不同的运营时段运营的列车平均数统计见表1。

表1 浔峰岗站牵引变电所供电半径内运营的列车数

浔峰岗站牵引整流机功率为2×2 200 kW。日均牵引电能消耗约为1.8万kW·h。制动电阻柜的额定电流为1 320 A(断续工作,工作时间为20 s,工作周期为120 s),平均功率为160 kW。制动电阻柜有2个支路,且每个支路热态电阻为2.5 Ω。

2014年1—4月,制动电阻柜最大电流为761 A,制动电阻柜工作电流日最大值的平均值为475 A。浔峰岗站实际网压范围为1 400～1 800 V。

3 加装ESS工程方案

3.1 6号线直线电机运行状况

列车运行工况为AW0(空载)、AW1(满载)、AW2(定载)及AW3(超载)。则列车的常规制动特性为:当速度为90～10 km/h时，采用发电制动,则电机最大制动力在AW2及AW3工况下为177 kN,在AW0工况下为121 kN。当速度为10～5 km/h，采用反接制动。当速度为5～0 km/h时采用空气制动。

浔峰岗站—横沙站、横沙站—沙贝站的站间距均为810m左右,列车最高行驶速度一般约为60 km/h。根据直线电机车辆特性,按最高行驶速度为60 km/h计算,假设站间距为810 m,辅助电源输入功率为86.7 kW，线路损耗为2%，计算粘着系数为0.15%，列车风阻系数为5.548 N/(km/h)2,逆变器效率为96%。则列车在不同运行工况下的功率、能量见表2。

3.2 ESS主接线及平面布置方案

3.2.1 主接线方案

浔峰岗站牵引变电所设有制动电阻柜,为不影响列车正常运营,本工程将ESS和制动电阻系统并联接入浔F 7柜和浔N柜(见图1)。制动电阻的动作电压设置为1 750～1 800 V,ESS的吸收启动电压设置为1 680～1 730 V。这样制动电阻系统可自动作为ESS的后备。当ESS异常时,可断开ESS的高速断路器(HSCB)和隔离开关(PDS),使ESS完全退出系统。ESS系统接线方案如图1所示。

图1 线路储能装置(ESS)主接线方案

3.2.2 设备平面布置方案

设备平面布置有两个方案。方案一,将ESS设备安装在预留备用房间。该预留备用房间紧靠直流开关柜室,且该备用房间下面的电缆夹层与直流开关室的电缆夹层完全贯通。此方案电缆敷设方便,只需新增电缆支架即可。但由于该房间面积较小,设备布置后无法保证有效的安全距离。

表2 列车在不同运行工况下的功率、能量表

方案二，将ESS设备安装在既有的0.4 kV开关柜室。该房间面积较大,能较好地满足线路储能装置的布置要求。但该房间与直流开关柜室距离约200 m,故电缆敷设距离较长,且占用了预留的0.4 kV开关柜柜位。

经综合比较,本次加装工程采用了方案二。设备平面布置图如图2所示。

图2 ESS设备平面布置图

3.3 ESS设备保护方案

3.3.1 ESS短路保护

ESS短路保护器件为熔断器。总柜网侧的熔断器额定电流为1 200 A,变流柜储能侧熔断器的额定电流为400 A。

当检测熔断器断开时,ESS中止运行,同时总柜网侧的HSCB断开；然后，PDS断开,ESS退出直流供电系统。

3.3.2 ESS过流保护

ESS过流保护装置主要由网侧电流传感器、储能侧电流传感器、网侧HSCB和控制系统的HSCB组成。当达到过流保护条件时,ESS中止运行,HSCB断开,ESS进入故障停机状态。

进线电流大于1 200 A且持续20 ms时,触发网侧过流保护。储能侧电流大于460 A时触发储能侧过流保护。

3.3.3 ESS过压保护

ESS过压保护装置主要由电压传感器(MLPT)、网侧HSCB和控制系统组成。当网侧电压≥1 900 V时，触发网侧过压保护，ESS中止运行。HSCB断开,ESS进入停机状态。

3.3.4 ESS欠压保护

ESS欠压保护装置主要由MLPT、网侧HSCB和控制系统组成。当网侧电压≤1 300 V时触发网侧欠压保护，ESS中止运行,HSCB断开,ESS进入停机状态。

3.3.5 ESS接地与框架漏电保护

ESS接地与框架漏电主要由接地与框架漏电检测保护继电器进行检测。当检测到ESS内部接地或框架漏电时,ESS中止运行,总柜网侧的HSCB断开,然后PDS断开,ESS退出直流供电系统。

4 ESS运行状态分析及与制动电阻能耗系统配合

4.1 ESS运行状态

DC 1 500 V线路储能装置有停用、正常停机、故障停机、预充电、运行和放电6个一级状态。

(1) 停用状态。PCS的PDS、HSCB和主回路的所有直流接触器断开,各储能柜主电路断路器断开,ESS装置脱网停止工作。

(2) 正常停机状态。PCS的HSCB和主回路的所有直流接触器断开,装置因正常操作停止工作。

(3) 错误停机状态。PCS的HSCB和主回路的所有直流接触器断开,装置因故障、误操作、状态保护等错误停止工作。

(4) 放电状态。HSCB和主回路的所有直流接触器断开,某个放电直流接触器动作接通,相对应的储能柜的能量通过放电柜释放。

(5) 预充电状态。HSCB合闸,主回路直流接触器未接通,给PCS内的直流母线滤波电容充电。

(6) 运行状态。HSCB合闸,主回路的直流接触器动作接通,控制系统根据进线电压高低控制变换柜工作。

运行状态分吸收运行、回送运行及待机运行3个二级状态：①吸收运行状态。装置处于运行状态，且变换柜从进线吸收能量给储能装置充电,将能量存储起来。②回送运行状态。装置处于运行状态，且变换柜将储能装置电压升高,储能装置放电将能量输送到进线。③待机运行状态。装置处于运行状态，且变换柜没有进行能量传输。

4.2 ESS运行状态转换

ESS运行状态转换有两种:停止状态→放电状态;停止状态→预充电状态→运行状态→停止状态。

ESS处于运行状态时,其控制系统主要根据网压(即进线电压)和储能柜电压自动控制装置在吸收、回送及待机状态之间任意转换。ESS运行状态下进线电压与电流的典型特性曲线见图3，ESS运行状态下储能柜电压与电流的典型特性曲线见图4。

当一个吸收回送完成,储能柜的电压要保持在基准电压USL附近,可在583～1 000 V范围内调整。

当网压超过吸收启动网压阈值时,ESS进入吸收运行状态;当网压低于吸收停止网压阈值且高于回送启动网压阈值时,则原来处于吸收运行状态的ESS装置停止吸收能量,ESS进入待机运行状态。当网压低于回送启动网压阈值时,ESS进入回送运行状态;当网压高于回送停止网压阈值且低于吸收启动网压阈值时,或储能柜电压低于下基准电压USL时,原来处于回送运行状态的装置停止回送能量,ESS进入待机运行状态。

图3 ESS运行状态下进线电压与电流的典型特征曲线

图4 ESS运行状态下储能柜电压与电流的典型特性曲线

4.3 ESS线路储能能力分析

4.3.1 功率

线路储能装置工作在牵引状态时,单列车最大输入功率为2 561 kW,ESS最大回送功率为1 330 kW,可提供单列车所需峰值功率的50%。牵引站整流机总输出功率为 4 400 kW,ESS可为其提供最多30%的峰值功率补偿,可以说,利用ESS最多可为整流机降低1 330 kW的峰值功率。

列车在制动时的最大回馈功率为1 470 kW,ESS在储能电压为820 V时的吸收功率为1 000 kW。随着吸收的持续,回馈功率越来越小,而储能电压越来越高,ESS吸收功率越来越大。当储能电压达到1 140 V时,ESS吸收功率达到1 400 kW,即ESS基本可以回收全部回馈能量。正常运营时,即使制动初期有少量回馈能量没有被ESS回收,也会被其它在线列车吸收,不会造成网压较大的波动。

4.3.2 储能

在吸收能量储存能力方面,ESS最大单次吸收能量(储能系统电压从583 V升至1 166 V时)为30.7 MJ(8.5 kW·h),是单列车制动回馈给牵引网上的最大能量(14.4 MJ)的两倍多。为兼顾吸收功率,储能系统初始电压设置为820 V,当储能电压从820 V升至1 166 V时ESS吸收功率达1 000 kW,ESS单次可吸收能量为20.72 MJ(5.76 kW·h),是单列车制动回馈给牵引网上的最大能量的1.44倍。

线路运营时,虽然供电范围内有多列列车,但由于列车互相利用回馈能量,故单列车回馈的能量实际仅被ESS吸收30%～70%,而且，列车越多,ESS吸收的比例越小。可见，ESS的储能能力足以承担运营时列车回馈能量的存储。

在回送能量能力方面,当储能系统电压从1 000 V或1 140 V下降到820 V时,ESS回送的能量相应为9.39 MJ或17.96 MJ,能为单列车的加速牵引提供21%～65%的能量。如果储能系统电压从1 000 V或1 140 V下降到583 V,则ESS回送的能量相应为18.91 MJ或27.49 MJ,能为单列车的加速牵引提供43%～100%的能量。

实际运营中,ESS可根据网压及各运营时段的特点,来自动调整储能水平,并辅助牵引站整流机组为列车加速牵引提供能量。这将降低网压向下波动幅度,减少整流机的峰值功率。

4.4 ESS故障脱网退出

ESS发生可侦探故障时,将自动退出运行状态,进入停机状态。如发生未能侦探故障,则可通过本地急停开关、远地急停开关、本地停机按钮或远程停机命令使ESS立即进入停机状态。在停机状态时,HSCB和所有直流接触器均处于断开状态。

当发生严重故障或需要ESS脱网停用时,在确认设备处于停机状态(HSCB和RUN(运行状态)灯灭)后,可通过操作隔离开关PDS的“OFF”按钮,使ESS脱网。如辅助电源失电,可打开PDS操作侧门,用专用手动摇柄使PDS断开;随后通过操作储能柜触摸屏上的急停按钮,断开储能柜主断路器,或手动分断主断路器。

4.5 ESS装置与制动电阻能耗系统配合

6号线浔峰岗站变电所设有的制动电阻能耗系统主要由制动电阻控制柜和制动电阻柜组成。制动电阻柜主要技术参数为:额定电流1 320 A(断续工作,工作时间20 s,工作周期120 s),平均功率为160 kW;有2个支路,每个支路热态电阻2.5 Ω。

ESS线路储能装置投运后,ESS与制动电阻能耗系统的运行配合,采用如下解决方案:

(1) 制动电阻柜的动作(能耗启动)电压设置为1 750～1 800 V,ESS吸收启动电压设置为1 650～1 730 V。这样制动电阻能耗系统自动作为ESS的后备。

(2) 当ESS装置异常时,通过断开ESS的HSCB和PDS使ESS完全退出系统,并不影响制动电阻柜的运行。

(3) 改造前的制动电阻能耗系统动作电压约为1 750 V。拟将ESS吸收启动网压阈值设置为1 670 V,吸收停止阈值设置为1 650 V,回送启动网压阈值设置为1 500 V,回送停止网压阈值设置为1 600 V。则ESS与制动电阻能耗系统的运行关系为:①当网压≥1 660 V时,ESS启动能量吸收;当网压≤1 650 V或网压>1 900 V或ESS储能柜电压=1 166 V时,停止能量吸收。②当网压≤1 500 V时,ESS启动能量回送;当网压≥1 600 V或网压<1 300 V或ESS储能柜电压<583 V时,停止能量回送。③当网压≥1 750 V时,制动电阻柜进行能量消耗。

制动电阻能耗系统启动能量消耗的情况包括:①ESS停机或故障退出。②制动功率超出ESS的吸收功率,引起网压升高到制动电阻柜启动能耗的设置电压。③ESS储能柜因电压过高而暂时关闭吸收能量功能。④当网压>1 900 V时,ESS暂时关闭吸收功能。⑤ESS辅助电源断电。

5 经济效益分析

对ESS加装工程完成后的浔峰岗站综合能量消耗、ESS回送能量及经济效益进行测算，见表3。

表3 ESS改造后浔峰岗站综合能耗、ESS回送能量和经济效益分析表

表3从回收利用列车制动回馈能量方面,对效益进行了分析,实际上,ESS稳定网压的功能可为列车上的牵引逆变器、辅助电源逆变器带来较好的电源条件,对延长逆变器的寿命、减少故障是有利的。ESS降低牵引站峰值功率的作用,对今后减少装机容量、降低工程造价、减少供电损耗有较大帮助。

6 结语

浔峰岗站位于广州地铁6号线末端,该站牵引耗电量相对较低。在此情况下,通过对线路储能装置分析得出以下结论:

(1) 由于直流电机效率(0.6～0.8)比旋转电机效率(≥0.9)低20%以上,广州地铁6号线存在牵引工况能耗大,制动工况回馈电能少的弱点,故利用线路储能装置节能效果要打折扣。

(2) 由于浔峰岗站是末端站,列车实际综合载荷小。浔峰岗站日牵引用电量约1.8万kW·h,能利用的能量消耗基数小。

(3) 由于浔峰岗站到停车场或从停车场到浔峰岗站的列车是空车,所以造成这一列列车的制动减速和牵引加速两个过程的实际载荷差异较大。

(4) 早高峰制动回馈能量少,牵引能耗大；而晚高峰制动可能制动回馈能量大,牵引能耗相对下降。如果要达到节能、稳压、降峰值功率的目标,就要根据实际情况,仔细调整和平衡设备的控制策略。

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Energy-saving System Installation at Xunfenggang Station on Guangzhou Metro Line 6

HOU Feng, YU Weijun, XUE Min

Taking Xunfenggang Station on Guangzhou metro Line 6 as an sample, the design process is introduced, which uses the energy storage device on the line for energy feedback. Then the installation, working status of ESS and the coordination method between energy storage device and braking resistance energy consumption system are analyzed, the comprehensive energy consumption, the feedback energy and the economic benefit of Xunfenggang Station after the installation of energy storage device are elaborated.

Guangzhou metro; energy feedback system route; energy storage system (ESS); braking resistance energy consumption system

TK 018：U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.06.008

2015-09-22)