超级电容储能系统在苏州地铁的应用

杨阳 张国红 钟龙 董健 李振 王宝平

摘要：介绍了城市轨道交通储能系统的几种装置类型，对苏州地铁2号线超级电容储能系统的应用进行了介绍。并通过对装置挂网运营数据分析了充电阈值和放电阈值对装置节电量的影响。

关键词：城市轨道交通、超级电容储能系统

1 概述

新型城镇化和公共交通优先发展战略下，城市轨道交通以其运量大、节能环保、安全快捷等优势，在国内的发展和应用速度越来越快，并开始从一线城市向省会城市再向三四线城市发展。且轨道交通线路规划城市数量在持续增加，截至2017年末全国地铁开通运营3883公里，在建5291公里，规划建设7321公里。

地铁运营成本中电力费用占40%以上，电力费用中牵引供电占到50%，可回收利用占牵引供电的比例20%以上。进行牵引供电节能研究意义重大。

随着城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通供电系统中再生制动电能的回收利用也成为城市轨道交通领域的一个重要研究方向。

2 再生制动能量回收系統分类

目前应用于城市轨道交通供电系统的再生制动能量回收装置类型有：地面制动电阻消耗装置;逆变回馈型再生制动能量回收系统和储能型再生制动能量回收系统。

根据与交流电网的接口电压制式，逆变回馈型再生制动能量回收系统又可分为中压逆变回馈型（多指AC35kV或AC10kV）和低压逆变回馈型（多指AC400V）。

根据储能元件的种类，储能型再生制动能量回收系统又可分为飞轮储能型、蓄电池储能型和超级电容储能型。目前国内全线应用案例应用较多是中压逆变回馈型再生制动能量回收系统和超级电容储能型。

国内还有使用两种回收装置混合使用实现同一线路再生能量回收的系统和方法，该方法在无锡和苏州等多个城市得到了应用。同时随着超级电容器技术发展，还出现了锂离子超级电容器作为储能元件的锂离子超级电容储能系统，在青岛地铁8号线得到了应用。

为了对比研究超级电容储能系统与逆变回馈系统在地铁中的应用效果，苏州地铁在2号线的桐泾公园站安装了一套1MW超级电容储能系统，并在同一线路的徐图港站安装了一套2MW中压逆变回馈系统。其中苏州地铁2号线桐泾公园站的超级电容储能系统于2019年3月投运并运营至今。

桐泾公园站安装的超级电容储能装置基本参数如下：

额定功率：1MW

额定电压：DC1500V

额定电流：1500A（电容侧）

电容规格：960V/49.5F

储电量：  6.34kWh

3 苏州市超级电容储能系统的应用

经过节能量数据统计，观察设备的运行情况。桐泾公园站超级电容储能系统设备投运至今已实现正向节电35.7万kWh，平均每天节电量约1000kWh。

桐泾公园站储能设备每季度节电量如图16所示，从图中可以看出，储能设备在第3季度明显比其他季度普遍减少。据统计夏季7、8、9月份节电量相对于其他季节，节电量偏少。

第1季度平均日节电量962.4 kWh;第2季度平均日节电量1011kwh;第3季度日均节电量759.2kWh;第4季度平均日节电量999.8kWh。

第三季度7-9月份节电量较少的原因是由于夏季空调开放，车辆辅助用电量较大，线路可回收的再生制动能量较少，因此节电量与其他季度相比偏低。

为了研究装置的充电阈值和放电阈值对节能效果的影响，三季度各个月份调整了装置的充放电阈值，其中装置2019年7月份的充放电阈值设定为1740/1610;8月份的充放电阈值为1730/1610（1日至15日）、1730/1620（16日-31日）;9月份的充放电阈值为1740/1620。

由图4、图5、图6可以看出，桐泾公园站储能设备7月节能量为21727kWh。8月节能量为22344kWh，9月节能量为25768kWh。

8月份下半月设备放电阈值由1610V上调至1620V后，设备日节电量与上半月相比增加了30kWh，增幅4%。9月份日均节电量比7月份日均节电量增加18%。可以看出，适度的上调储能型的放电阈值，可以改善装置的可用存储容量，可以提升储能型的节电效率。

7月日均节能量与8月份上半月相比，其放电阈值同为1610V，充电阈值比8月份高10V，节能数据显示7月日均节电量比8月上半月低33kWh，节电量同比下降约4%。 可以得出，适当降低设备的启动阈值，可以增加设备再生制动回收的范围，增加装置的可回收电能。

4 总结

超级电容储能系统由于其较高的功率密度、及循环寿命，与轨道交通启动制动频繁，启动制动功率大，且储电量要求高的工况特点相吻合，目前在国际上多个国家得到了应用。

本文介绍了超级电容储能系统在苏州地铁的应用现状，并根据在挂网应用过程中的节能及设备阈值的变化情况，对调整设备充电阈值和放电阈值引起节能量变化的原因进行了简要分析。

参考文献：

[1] 张国红.并联式混合轨道再生制动研究[J].建筑工程与设计， 2019 （8）：207.

[2] 杨宇. 锂离子电容器的未来与展望[J]. 国外铁道车辆， 2019，56（6）：25-28.

[3]胡敏，黄嘉烨，王婷.锂离子超级电容器在轨交能量回收系统中的应用 [J]. 储能技术专辑， 2016，14：85-91