云南省保山市有轨电车T1线储能方案研究

(中铁第四勘察设计院设备设计研究处，430063,武汉//工程师)

根据JB 104—2008《城市轨道交通建设标准》，有轨电车属于中运量交通系统，其列车总长度不超过60 m，适用于单向运能在1～2万人次/h之间的城市轨道交通系统。随着国办发[2018]52号《国务院办公厅关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》的发布，在地铁及轻轨审批门槛大幅提高的前提下，有轨电车将迎来重大发展机遇,在三、四线城市可作为主干线路,在一、二线城市可作为辅助线路。

目前,有轨电车一般分为接触网式与车载储能式两大类。全线无网车载储能式有轨电车不需架设接触网,或仅需架设少量接触网，对城市景观及限高几乎无影响,因而在近年得到了快速的发展。目前,有轨电车储能方式主要分为纯物理超级电容、锂离子超级电容与钛酸锂电池等3大类。储能方式的不同带来了牵引供电的不同。本文主要针对云南省保山市有轨电车T1线(以下简为“保山T1线”)工程实际情况，介绍了上述3种主流储能方式的适应性方案，为随后的保山有轨电车车辆选型工作进行理论计算验证。

1 保山T1线线路概况

保山T1线起自北津街站，南至辛街东站，设辛街停车场。线路全长21.042 km，其中高架线长4.310 km，地下线长0.550 km，其余均为地面线。全线共设站23座。其中，上营站、聂家屯站、小屯站、保岫路站、龙泉路站、沙丙路站为高架站，其余均为地面站。最大站间距为2.00 km，最小站间距为0.340 km。保山T1线线路走向示意图如图1所示。

保山T1线为右侧行车的双线线路，其轨距为1 435 mm。最小竖曲线半径，正线为3 000 m，车站端部为2 000 m；最小平面曲线半径，正线为35 m，辅助线为25 m；最大坡度不超过50‰， 最大超高不超过120 mm。全线有54个曲线路段，最小曲线半径为50 m。保山T1线线路平面特征表如表1所示。保山T1线线路纵断面特征表如表2所示。

表1 保山T1线线路平面特征表

表2 保山T1线线路纵断面特征表

2 有轨电车储能方式

2.1 A车型

A车型为3模块有轨电车。其中,2个模块为带司机室的转向架模块(BM)，1个为带受电弓的悬浮的客室模块(SM)。模块之间用铰接装置相连。整列车有2个动车转向架。该有轨电车采用100%的低地板车辆，门槛处的入口高度为330 mm，车内地板面高度为350～498 mm。车辆编组图如图2所示。

该车型有锂离子超级电容与钛酸锂电池2种储能方案。锂离子超级电容方案，全车共配备3组锂离子超级电容，使用寿命为8～10年，整车可用电量为28.50 kWh；钛酸锂电池方案，全车共配备3组钛酸锂电池，可用电量为56.00 kWh。

2.2 B车型

B车型技术平台与A车型类似，均为浮车型3模块，整车由2个带司机室的转向架模块(Mc)和1个悬浮的客室模块(F)组成。车辆编组图如图3所示。

a) 立面图

b) 平面图

尺寸单位:mm

图2 A车型有轨电车编组图

a) 立面图

b) 车厢平面图

c) 车顶平面图

B车型与A车型类似，有锂离子超级电容与钛酸锂电池2种储能方案。锂离子超级电容方案的全车可用电量为36.00 kWh；钛酸锂电池方案的全车可用电量为79.80 kWh。

a) 立面图

b) 车厢平面图

2.3 C车型

C车型有轨电车为独立轮设计，无轴转向架。列车由2个司机室模块(Mc)和1个带有受电弓的客室模块(T)组成。每个模块下方均有转向架。车内地板面高度为350 mm。

列车配置了2组纯物理超级电容及1组赝电容作为储能装置。其中,超级电容储存电量为9.08 kWh，赝电容储存电量为14.33 kWh。当超级电容电量过低时，赝电容将给超级电容充电，以供列车行驶。

3 有轨电车适应性分析

3.1 列车基本要求

保山T1线的有轨电车应采用车载储能方式，地面及高架区间需采用无网设计。根据保山有轨电车T1线初步设计推荐方案，全线设置的充电站数量应不大于18座(当单座充电站充电功率小于1.08 MW时，可不受此限制)。在直流供电系统各种运行方式下(即全线充电站均正常运行，或任意一座充电站发生故障时车辆可跨越故障充电站至下一座充电站充电)，车辆均需具备足够的续航能力保证正常行驶，不影响正常行车组织运营，并留有适当裕度。有轨电车运行需满足以下条件：

(1) 应适应保山T1线的线路条件。

(2) 列车处于极端工况下(超常负载且车辆辅助功率全开等)仍能正常运行。

(3) 在任意正常充电区间，列车均需考虑1次线路临时突发状况导致的临时停车所需电量。临时停车时间按15 min考虑(存在故障充电站的区间可不考虑临时停车)；同时还需考虑至少1次红绿灯导致的车辆起停所需电量。

(4) 列车进站充电时间不得超过行车允许的停站时间(含首末站)。

3.2 储能方案的仿真计算

3.2.1 A车型

3.2.1.1 锂离子超级电容方案

将为超级电容充电的充电机设置在车上，站台无需设置专用充电装置，全车可用电量为28.5 kWh。因充电机设置在车上，列车在地下区间等对景观无影响区间可实现局部挂网运行。

根据A车型仿真方案，在满足保山T1线运行基本条件的前提下，全线需设置12座充电站，单座充电站功率为0.9 MW。具体仿真结果见图5。

根据A车型仿真计算结果：当列车运行时，列车在任何时刻所剩余的电量均大于11.38 kWh，满足正常运营需求。同时由于1个站停站30 s间的充电量为5.97 kWh，所以,在任意1个供电站故障时，车载储能装置剩余电量足以保证车辆仍能正常运行。

图5 A车型锂离子超级电容方案仿真图

按路口停车30 s且起停1次所耗能量约1 kWh计算，列车在全线充电站均正常或有任意1座充电站故障工况下，以及考虑多次红绿灯路口及1次临时停车工况下，车载储能装置的剩余电量均可保证列车仍能正常运行。在特殊应急状况下，还可激活列车应急续航模式，使整车超级电容再深度放电约8 kWh，用于车辆应急运行。由此可见,A车型超级电容方案可满足列车运行需求。

3.2.1.2 钛酸锂电池方案

A车型钛酸锂方案的全车可用电量为56 kWh。为超级电容充电的充电机设置在车下，站台需设置专用充电桩。在满足T1线运行基本条件的前提下，全线需设置6座充电站，且单座充电站功率为1.0 MW。具体仿真结果如图6所示：

采前钛酸锂电池方案时,因列车所带电量较多,故充电站数量较少，可降低工程投资。根据图6,在列车运行至线路末端辛街东站时,列车剩余电量仅为4.4 kWh，距离辛街东站最近的设有充电桩的小村站还有4站3区间。可见,若辛街东站变电所出现故障，则列车维持正常运营存在一定困难。

3.2.2 B车型

3.2.2.1 锂离子超级电容方案

B车型锂离子超级电容方案的充电机位于车下，站台需设置专用充电桩，全车可用电量为36 kWh。在满足T1线运行基本条件的前提下，全线需设置9座充电站，单座充电站功率为1.26 MW。具体仿真结果如表3所示。

表3 B车型超级电容方案仿真结果

根据表3,列车从北津街站往辛街东站区间运行时，在辛街东站列车剩余电量仅为4.95 kWh。此时,若辛街东站变电所发生故障，列车距离最近设有充电桩的辛街客运站尚有3站2区间，则列车较难回到辛街客运站。

3.2.2.2 钛酸锂电池方案

B车型钛酸锂方案的全车可用电量79.80 kWh。充电机设置在车下，站台需设置专用充电桩。根据仿真方案，全线仅在辛街东站、沙丙路站、北津街站设置3座充电站，单座充电站功率为1.08 MW。具体仿真结果如表4所示。

图6 A车型钛酸锂电池方案仿真图

站点进站剩余电量/kWh实际充入电量/kWh离站时电量/kWh区间总能耗/kWh辛街东站(充电桩)79.805.08辛街中心站74.7274.724.61辛街客运站68.1168.112.85小村站65.2665.266.19云瑞机场站59.0759.076.48水碓村站52.5952.594.472.78沙丙路站(充电桩,充电75 s)48.1219.0067.12武家屯站64.3464.342.58南城大道站61.7661.762.48湾子村站59.2859.282.10岱官村站57.1857.183.14龙泉路站54.0454.042.75保岫路站51.2951.293.35小屯站47.9447.942.98聂家屯站44.9644.963.53上营站41.4341.432.51拱北路站38.9238.925.66永昌路站33.2633.263.09好善营站30.1730.175.25青莲站24.9224.923.00百屯站19.9219.923.60画桥街16.3216.322.14北津街站(充电桩,充电4 min)14.1865.6279.80

根据表4,列车由辛街东站往北津街站区间运行时，在北津街站的列车剩余电量为14.18 kWh，因列车距离最近设有充电桩的沙丙路站尚有17站16区间，则列车几乎无法维持正常运营。由此可见,一旦首尾变电所发生故障时，B车型钛酸锂电池方案难以保证全线正常运营。

3.2.3 C车型

C车型针对保山T1线项目仅提供了纯物理超级电容+赝电容一种储能方案。超级电容带电量为9.08 kWh,赝电容带电量为14.33 kWh。赝电容不能直接用作牵引。当超级电容电量过低时，需赝电容给超级电容充电后，才能驱动列车行驶。根据C车型仿真方案，在满足保山T1线运行基本条件的前提下，全线需设置18座充电站，单座充电站功率为1.08 MW。具体仿真结果如图7所示。

根据图7，在正线设置18座充电站的前提下,列车在岱官村站至湾子村站区间运行时，车载储能剩余电量仅有1.5 kWh，系统冗余度不高；若有1个充电站发生故障，则多区段列车均需要限速25 km/h通过，即使投入备用赝电容,列车运行速度也仅能达到50 km/h,严重影响全线运行。

图7 C车型储能方案仿真图

4 方案比选

从储能装置寿命角度，各厂家均承诺车载储能装置可质保10年、运行80万km。但目前各种有轨电车储能装置寿命均尚未到限，并无数据支撑。锂离子超级电容和纯物理超级电容均在有轨电车上有应用实例，钛酸锂电池尚无应用，其可靠性尚不明确。

在储能方式类型上，除C车型为2种储能方式共用外，A车型与B车型均为单一储能方式。相对单一储能方式，2种储能方式的系统构成更加复杂，且C车型赝电容不能直接驱动列车，只能用于给超级电容补电,对列车电池能量管理系统控制策略要求更高。此外，C车型因车顶空间限制，且超级电容体积较大，在同时安装超级电容与赝电容后，车顶只能再安装1台客室空调。这将导致客室温度控制能力弱于其他车型。

在充电站设置上，根据仿真结果，A车型超级电容方案正线共需设置12座充电站；A车型钛酸锂电池方案正线共需设置6座充电站。B车型超级电容方案正线共需设置9座充电站；B车型钛酸锂电池方案正线共需设置3座充电站。C车型正线共需设置18座充电站。在目前的充电站设置情况下，A车型钛酸锂电池方案、B车型锂离子超级电容方案及B车型钛酸锂电池方案在首末站充电站发生故障时，均无法正常运行。

在充电站的造价上，因A车型锂离子超级电容方案在满足故障运行条件下，所设充电站数量最少，且单充电站功率最低，故与之配套的供电系统造价相对较低。

综上所述，结合储能装置使用寿命、储能类型及充电站设置方案，暂认为锂离子超级电容车型相对更适应保山T1线线路工况，但充电站设置数量及位置尚需各主机厂继续优化。