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從執行國家能源戰略,提高軌道交通本身的經濟效益,以及提高城市交通可持續發展能力等方面綜合考慮,對軌道交通負荷特性及功率因數,諧波等主要電能質量參數進行分析,并提出治理方案
  • 地鐵儲能方法對比——逆變回饋型與超級電容儲能型

    本文作者:西南交通大學教授 郭世明;

                    深圳市盛弘電氣股份有限公司電能質量產品總監 趙龍騰;


    城市軌道交通系統中,其運行工況特點為頻繁啟動與制動,啟動時消耗大量電網電能,而制動時會產生可觀的再生電能。一般來說,地鐵車輛在制動時產生的能量約占牽引能耗的40%~50%。這部分能量反饋回電網后,約有30%~50%(與發車間隔等多種因素有關)被相鄰列車利用。由于牽引變電所中整流器采用二極管不控整流,能量只能單向流動,未被臨車利用的能量將造成牽引網壓升高,危及用電設備安全。

     

    目前再生制動能量回收技術主要包括電阻耗散型,逆變回饋型和儲能型三種。其中,耗散型是將再生制動能量以熱能的方式通過制動電阻消耗掉,這也是國內外普遍采用的方式,此種制動方式在車輛制動時,將機車的動能轉換為電能后消耗在電阻上,變成熱能散發到大氣中致使隧道和車站內的溫度升高,再生制動能量沒有被再利用,造成能源浪費,而且低速時制動效果差,還需保證機車有足夠的通風量,因此不做詳細對比。逆變回饋型是將制動能量通過逆變裝置逆變并網,供電網上其他用電設備使用。儲能型是將制動能量通過雙向變換器儲存在儲能裝置中,包括電池、飛輪和超級電容等。

     

    逆變回饋型

     

    再生制動能量逆變回饋系統主要采用電力電子功率模塊IGBT構成大功率三相逆變器,該裝置的直流側與牽引電網的直流母線連接,交流側與交流電網連接。當列車制動能量促使牽引電網的直流電壓超過設定值時,再生制動能量回饋裝置啟動并從牽引電網中吸收電能并將電能回饋到交流電網中,供其他負載使用。
     


    1逆變回饋型配電示意圖

     

    再生制動能量逆變回饋裝置采用高頻電力電子開關器件IGBT實現的變流器具有具有諧波含量小、控制方法靈活并且動態性能好等優點。基于PWM并網逆變器的再生制動能量回饋方案除了可以在機車再生制動時穩定直流側電壓。具體優點如下:

     

    1)交流電網側采用電感濾波,不存在換向電壓畸變,且交流電流諧波含量小,對電網污染輕。入網功率因數高,并且不因回饋功率變化而變化,可減少無功補償設備的投資

     

    2)由于功率管的開關頻率比較高,濾波器體積容量可以設計得比較小,濾波器損耗小,并且動態響應快

     

    3)充分利用了地鐵列車再生制動能量,提高了再生制動能量的利用效率,節能效果好,還可減小機車制動電阻的容量。其能量直接回饋到電網,既不要配置儲能元件,也不要吸收電阻,因此對環境溫度影響小。

     

    逆變回饋型裝置同時也存在如下缺點:

     

    1)回饋至電網的交流電流雖然諧波含量小,但是存在的諧波也會對其他用電設備產生一定的影響


    2)回饋至電網的電能,雖然可以達到重復利用的效果,但由于在傳輸線路上存在損耗,故達不到節能的最大化。

     

    3)逆變回饋裝置的電路結構復雜,維護費用較高。

     

    4)逆變回饋裝置中變壓器始終接于電網上,造成較大的空載損耗.

     

    5)電能回饋給電網時,如若跟電網方協調不當,會產生二次的電費計算,使得地鐵方承受更多的電費開支。

     

    超級電容儲能型

     

    超級電容儲能型再生制動能量吸收利用系統包括雙向直流變換器和超級電容器儲能系統兩部分,并接在地鐵列車的直流供電母線上。當地鐵列車制動時,直流母線電壓上升,雙向直流變換器向超級電容器陣列充電,超級電容器陣列吸收制動能量;當地鐵列車啟動時,直流母線電壓下降,超級電容器陣列存儲的能量通過雙向直流變換器釋放能量。

    2超級電容儲能型配電示意圖

     

    具體工作原理如下:

     

    1)當地鐵車輛再生制動時,直流牽引電網電壓升高,控制電路控制雙向DC/DC變換器主電路工作于Buck電路模式,直流牽引電網與超級電容儲能系統連接后,對其進行充電。超級電容組吸收再生制動能量,同時降低直流牽引電網電壓。

     

    2)當地鐵車輛處于加速或者啟動工況時,直流牽引電網電壓會被拉低,此時控制器控制雙向DC/DC變換器工作于Boost電路模式,超級電容儲能系統與直流牽引電網導通后,超級電容組通過升壓電感對接觸網進行能量反饋。此工況下,超級電容儲能系統的投入使用,減少了交通運營對供電系統峰值功率的要求,使直流牽引電網電壓的跌落得到了緩解。

     

    3)當地鐵車輛惰行時,控制器可以根據超級電容組電量,控制雙向DC/DC變換器主電路對超級電容組的能量存儲狀態進行調整

     

    超級電容陣列由大量超級電容單體串并聯而組成,是超級電容儲能系統的能量存儲單元,實現能量存儲與穩定直流牽引電網電壓的雙重目的。當直流牽引電網電壓被抬升時,超級電容陣列進行能量存儲當直流牽引電網電壓被拉低時,超級電容陣列將能量反饋給牽引電網。

     

    超級電容儲能型裝置具體優點如下:

     

    1)超級電容儲能裝置,結構簡單,沒有附加的變壓器等裝置,能耗元件少,能耗小,易安裝,維護費用少。

     

    2)采用超級電容儲能裝置,制動能量轉換的電能直接存儲在超級電容中,無能量回饋給電網,不會給電網造成污染或沖擊

     

    3)電能直接存儲在超級電容中,地鐵啟動時,超級電容充分放電,儲存的電能能夠得到全部的釋放,能夠達到最大的節能效果

     

    4)采用超級電容儲能裝置,能夠提升接觸網電壓,減少接觸網電壓波動,降低直流母線上的能量損耗

     

    在超級電容儲能型裝置起步之初,由于超級的電容的價格較高,因此造成成本較高,但隨著對超級電容的研究與生產,超級電容的成本日趨降低,因此這一缺點也不再成為超級電容儲能裝置的缺陷。

     

    效益分析對比

     

    1.整體效益分析

     

    通過對逆變回饋型裝置與超級電容儲能裝置的工作原理對比分析我們可以看出,相比于逆變回饋型,超級電容儲能型裝置有優點如下:

     

    1)超級電容儲能裝置結構簡單,易安裝,維護費用少,能耗小;

     

    2)超級電容儲能裝置制動能量直接存儲于超級電容當中,充放電靈活,無須將能量回饋至電網,效率更高,不會給電網造成諧波污染或是沖擊,同時能量歷經的轉換過程更簡單可靠,消耗更少。

     

    3)逆變回饋型裝置將制動能量回饋至電網,需經變壓器/變換器兩次轉換,造成回饋效率降低,沒能達到最佳的節能效果。

     

    4)超級電容儲能裝置比之逆變回饋裝置,不需要加裝變壓器及其相關設施,不存在變壓器及其相關設施待機工作持續耗電的問題,同時開關頻率較小,損耗更小。

     

    5)不存在向電網回饋電能,因此不存在二次收費問題。

     

    6)在地鐵車輛啟動時,會引起母線電壓的波動,通過采用超級電容儲能裝置能夠起到穩壓功能,穩定母線電壓,避免其他用電設備收到干擾。

     

    2.節能效益計算分析

     

    無論是采用逆變回饋型還是超級電容儲能型裝置,均可以使地鐵方減少在車載制動電阻購置方面的成本,同時減少制動電阻輔助散熱風機能耗,減少站點與車輛通風空調系統運營成本,減輕地鐵車輛的重量,達到節能減排的效果。因此兩種裝置對節能減排的作用主要由制動能量方面的節省來體現。

     

    對兩種裝置裝置進行假設分析:例如深圳市地鐵五號線某站點,根據統計分析假設地鐵發車間隔約為3分鐘,以每天該站點工作時間630-2300,工作16.5小時,共計發車次數為330次。據統計地鐵每次牽引供電耗電量平均約為20度左右,其中40%~50%左右的電能為地鐵制動能量(計算取值約為9).這部分制動能量回饋到直流電網后,約30%~50%(計算取值約3.6)被線路上同一供電區段相鄰車輛和本車輔助系統吸收,剩余的電能(約5.4度)則通過制動電阻消耗掉。

     

    那么針對于逆變回饋型裝置,單個站點全天電阻制動能量理論值為5.4x330=1782度,而通過變壓器的逆變以及線路等損耗,假設為3MW系統,則變壓器額定功率約為3150kVA,系統效率大于等于98%(廠家宣稱效率,實際有待考證),取效率為98%進行分析計算,實際每天電阻制動能量回饋值,即節能值約為1782x98%-3150x0.8%x24=1141.56度,按深圳電費0.9/度,折合節省電費為1141.56x0.9=1027.404元。

     

    對于超級電容儲能型裝置,效率大于等于99%,取效率為99%,由于不存在變壓器等裝置帶來的損耗,因此實際每天儲能裝置節省的電能值約為1782x99%=1764.18度,按深圳電費0.9/度,折合節省電費為1764.18x0.9=1587.762元。

     

    從每天單個站點節省的電費可以直觀看出采用同等MW級的超級電容儲能裝置相比逆變回饋型要節省560.358元。

     

    結論:

     

    通過上面的對比分析與計算,可以看出采用超級電容儲能的再生制動能量回收利用裝置,具有比較好的節能效果,即使考慮價格因素,和其它回收利用裝置相比也具有競爭力。

     

     


  • 地鐵超級電容儲能系統效益分析
    市軌道交通供電系統的現狀
     
    城市軌道交通的制動一般為電制動(即再生制動、電阻制動)和空氣制動兩級,在車輛高速運行時,使用再生制動和電阻制動,當減速到電制動不起作用時,使用空氣制動。列車在運行過程中,由于站間距較短,列車啟動、制動頻繁,制動能量相當可觀,可以達到牽引能量的40%~50%,部分再生制動能量(一般為30%~50%,根據列車運行密度和區間距離的不同而異)可以被線路上同一供電區段相鄰車輛和本車輔助系統吸收,剩余部分將主要被列車的吸收電阻以發熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。但電阻吸收制動能量會帶來以下后果。
     
    一是能源浪費,背離低碳、環保理念。
    二是熱量積聚,使得隧道溫度上升。
    三是增加通風設備,消耗額外能量,形成新熱污染源。
     
    此種方式長遠來看并不符合國家的節能減排,低碳環保的政策。因此提出了一種地面再生制動能量吸收方案--超級電容儲能系統。
     
    Sinexcel超級電容儲能型工作原理:
     
    圖1為盛弘電氣基于超級電容器的軌道交通再生制動能量吸收利用系統示意圖,該再生制動能量吸收利用系統包括雙向直流變換器和超級電容器儲能系統兩部分,并接在地鐵列車的直流供電母線上。當地鐵列車制動時,直流母線電壓上升,雙向直流變換器向超級電容器陣列充電,超級電容器陣列吸收制動能量;當地鐵列車啟動時,直流母線電壓下降,超級電容器陣列存儲的能量通過雙向直流變換器釋放能量。
    圖1超級電容器的軌道交通再生制動能量吸收利用系統示意圖
     
    圖2超級電容儲能型配電示意圖
     
    超級電容儲能型的經濟效益分析:
     

    現階段地鐵進站時制動所產生能量主要通過制動電阻來消耗,地鐵列車制動時產生的能量相當巨大,當制動車輛附近沒有其他車輛吸收能量或者附近車輛吸收能量,接觸電網電壓持續上升到1800V時,接觸電網無法再容納更多的制動能量,于是采用制動電阻消耗能量,使得多余的能量通過熱能的形式消耗掉,該部分能量相當可觀,因此合理的儲存這些能量,使之不通過制動電阻消耗來浪費,可以大大的節省電量。
     


    綜上所述,對超級電容地鐵儲能裝置進行假設分析:例如深圳市地鐵五號線某站點,根據統計分析假設地鐵發車間隔約為3分鐘,以每天該站點工作時間6:30-23:00,工作16.5小時,共計發車次數為330次。

    據統計地鐵每次牽引供電耗電量平均約為20度左右,其中40%~50%左右的電能為地鐵制動能量(計算取約為9度).這部分制動能量回饋到直流電網后,約30%~50%(計算取約3.6度)被線路上同一供電區段相鄰車輛和本車輔助系統吸收,剩余的電能(約5.4度)則通過制動電阻消耗掉。



     
    該儲能裝置主要通過超級電容對地鐵制動時產生的電能進行存儲,通過設定超級電容啟動閥值為1750V,當出現接觸網母線電壓上升超過1750V時,超級電容儲能裝置啟動,電容開始充電,根據地鐵制動能量匹配的超級電容儲能裝置,能夠完整的儲存該部分能量,從而達到制動電阻消耗為零的狀態,制動電阻零消耗的同時制動電阻散熱風機也不需要對其進行散熱,因此消耗也可以達到零。
     
    地鐵制動時被消耗的電能即為制動電阻所消耗的能量,電量單次約為5.4度。在地鐵牽引啟動時,通過超級電容放電對地鐵進行補償,超級電容的充放電效率均可達到99%左右,因此地鐵制動時產生的電能,通過超級電容的充電與放電,重新被地鐵采用,地鐵啟動牽引做功原本所需20度,在超級電容補償的作用下,節省為14.6度左右。
     
    通過采用3MW超級電容地鐵儲能裝置補償,地鐵單次制動啟動時可以節省電量為5.4度,以深圳電價0.9元計算,單次制動啟動可以節省電費=5.4x0.9=4.86元,那么全年可節省電費為4.86x330x365=585387元。
     
    總結:
    通過采用超級電容儲能裝置的地鐵的單個站點計算,每年每站點節省的電費約為585387元。

     

    長遠角度分析:

    安裝超級電容儲能裝置以后,由于無需制動電阻消耗能量,因此制動電阻、散熱風機及其配套系統均可移除,同時地可以減輕地鐵的質量,減少維修量等。一列地鐵所需要的一套車載制動電阻價值大約在2500萬元~3000萬元之間,同時散熱風機以及與其配套的變頻器等裝置價值大約在100萬元。

    同時從移除制動電阻及其配套的斬波器、材料等方面考慮,地鐵列車質量能夠減少約2t~3t,根據技術人員介紹,地鐵質量每增加1t,全年耗電量增加約為10000度,那么移除制動電阻及其配套設備后每列車每年節省電量約3x10000=30000度,折算電費為30000x0.9=27000元。移除地鐵車輛上散熱風機及其相應設施,假設風機功率為1.4kw,每天工作16.5h,每列車6個,那么每列車每年耗電約為1.4x16.5x6x365=50589度,折算電費為50589x0.9=45530.1元。全年總節省電量約80589度。

     
    根據深圳地鐵五號線配備地鐵列車數約為30,共27個站點。則移除制動電阻及風機等減輕列車重量后,每年節省電量約27000x30=810000元,節省的散熱風機工作所耗電費為45530.1x30=1365903元。全線折合總計每年可以節省電費585387x27+810000+1365903=17981352元,約1798萬元。
     
    移除制動電阻及風機等后節省設備投資成本約(3000萬+100萬)x30=93000萬元。
     
    總結:
    假設深圳地鐵五號線,全線站點均采用超級電容儲能裝置,且移除每列車上制動電阻與散熱風機等設備時,每年節省電費約為1798萬元。
     
    由于制動電阻與散熱風機等設備短時間內不能從列車上移除,因此實際每年節省電費約為585387x27+1365903=17171352元,即1717萬元(即每站點63.6萬元)。
     
    若是考慮地鐵運行發車密度更高,或者是考慮到地鐵載客情況,節省的電費將會呈倍數增長。另外除了能節省費用,安裝地鐵超級電容儲能裝置后,還能夠穩定牽引網電壓。所以,總的來說,安裝地鐵超級電容儲能裝置產生的效益巨大。

  • 不治理低電壓問題將難于喝上上等龍井茶?LVR之西湖龍塢搪瓷公變臺區項目分享

         杭州自古以來就是名茶產區,其地形和氣候都非常適合茶葉的生長。好山好水才能種出好茶,杭州茶具有類型多樣、品質優良的特點。龍井茶更是杭州茶文化的代表作之一。    

        從唐至清的1200年間,涉及龍井茶的茶書就有120余種,如白居易、蘇東坡、陸游、吳昌碩等文化人無不盡情潑墨,揮灑茶意,使龍井茶的文化底蘊也越發醇香彌久。民國后,西湖龍井茶逐漸成為中國名茶之首。下面讓我們欣賞下古代茶田作業美圖。     

         茶葉采集回來之后,要涉及長期保存,供后期交易和自家泡制。這就要提到一項技術——炒茶,通過烘炒去掉茶葉的水分而得以長期保存。      古代的時候,炒茶工具就只有一口鍋,用柴燒火來炒。這就很難控制火的大小,容易由于火過大而把茶炒壞了,效率也不高。    

       但電的發明和現代用電設備的出現,炒茶技術也發生了革命性變化,現代智能化炒茶設備得以誕生。      

     現代智能化炒茶設備是通過電加熱,可以實現實時控制溫度,從而炒出更加濃釅的好茶葉。                          

       現代炒茶機圖1

                             現代炒茶流水作業圖2    

      然而現代炒茶設備是單相用電設備。每到茶葉收獲季節,茶農制作茶葉時,每家每戶大批量使用大功率的炒茶機,且由于炒茶機均為單相負荷,負荷在電網三相分布不均和使用具有時段性,導致季節性的三相電流不平衡和低電壓現象。

    三相電流不平衡的危害主要有:     

         導致額外的線損和變壓器損耗;降低變壓器和線路的運行效率;造成的故障與事故,降低樂配電系統的安全可靠性;降低配電變壓器、繼電保護裝置和電力設備的使用壽命。

    低電壓問題主要危害有:    

         燒毀電動機;燈發暗,縮短燈的壽命;增大線損;降低用電設備的穩定性;熱功率設備出力降低。      除了以上危害三相不平衡和電壓偏低還會影響炒茶機的電機效率和發熱功率使得溫度得不到有效控制,直接影響茶葉的質量。這對茶農來說是最難以承受之重。                              

      燒壞的電動機

                                     

    發暗的燈泡

      

                                                燒壞的茶葉

    西湖龍塢搪瓷公變臺區項目分享

           針對茶葉豐收季節引起的周期性電網三相不平衡和低電壓問題。西湖供電局采用我司SPC三相不平衡矯正器治理三相不平衡+補償無功,LVR動態電壓調節器治理末端低電壓,在西湖龍塢搪瓷公變臺區實施綜合治理。

    1、方案配置:

          根據對現場龍塢配變進行現場勘查,現場變壓器的容量為400KVA,因茶農家庭制茶需要,每戶家庭都配備了3臺功率約為7KW的單相炒茶機,現場三相電流不平衡比較嚴重,建議配置200kvar的SPC,治理三相不平衡的同時可補償無功。

          另外,存在20多戶人家用電電壓偏低,按照每戶人家最大使用功率,即三臺炒茶機同時啟用,最大功率接近21KW,因此建議是每兩戶人家使用一臺LV-30的單相調壓器。

    2、安裝現場: 

                                 SPC安裝現場

      

                                 LVR安裝現場

    3、SPC治理三相不平衡的前后數據對比:

                  治理前負載瞬時電流及功率因數

    SPC開機前變壓器0.4KV側電流分別為A相152.1A、B相73.4A、C相91.8A,三相電流不平衡非常嚴重,三相功率因數均在0.993左右。三相負載不平衡度達到52%。              治理后電網瞬時電流及功率因數 

        SPC開機后變壓器0.4KV側電流分別為A相128.1A、B相128.1A、C相128.3A,三相電流達到完全平衡狀態,三相功率因數均提高到0.997左右。三相負載不平衡度不到0.01%。

          通過現場系統電流信息的比較分析,可以看出盛弘SPC的應用,對于西湖龍塢搪瓷公變臺區的三相負載不平衡所造成的對配電系統以及變壓器的不利影響,起到了顯著的正面治理效果,可以有效完成現場變壓器的三相電流不平衡治理工作,對于負載情況的變化可以做到實時響應,快速反饋。有效改善了西湖龍塢搪瓷公變變壓器的運行狀況,為該線路用戶提供一個良好的用電環境。

    4、單相30KVA的LVR的運行數據分析:

                            LVR治理前瞬時電壓

     

          在LVR開機前末端用戶的用電電壓在194V左右,炒茶機無法滿載開啟。

                              LVR治理后瞬時電壓

          在LVR開機后末端用戶的用電電壓在229V左右,完美解決末端用戶低電壓的問題。

         通過現場系統電壓信息的比較分析,可以看出LVR的應用,對于西湖龍塢搪瓷公變臺區末端用戶低電壓所造成的對炒茶機設備啟動的不利影響,起到了顯著的正面治理效果,可以有效解決末端用戶低電壓的治理工作,對于負載情況的變化可以做到實時響應,快速反饋,為該線路用戶提供一個良好的用電環境。

          通過以上案例分析,SPC和LVR的毆辱使用有效的改善了電網三相不平衡和低電壓問題,提高了居民的用電環境,更為炒到一批好的”龍井茶“。

           其實不止是茶葉收獲旺季的炒茶機的使用會引起農網三相不平衡和低電壓問題。春灌秋收務農電力設備的使用、寒暑假人口遷移等等大量電力設備集中使用現象都會引起農網的三相不平衡和低電壓問題。

          盛弘針對這一現象推出了SPC三相不平衡矯正設備和LVR智能調壓器可有效治理農網三相不平衡和低電壓問題。

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