城市軌道交通新能源技術(shù)應(yīng)用研究

城市軌道交通新能源技術(shù)應(yīng)用研究摘要：新能源技術(shù)的快速發(fā)展，在未來的經(jīng)濟(jì)中有所作為，低碳可持續(xù)綠色能源應(yīng)用，支撐軌道交通系統(tǒng)綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展。將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能供給城市軌道交通車輛及其輔助設(shè)備，不僅能促進(jìn)可再生能量，更能緩解城市軌道交通系統(tǒng)的供電壓力，并在降低運(yùn)營成本的同時促進(jìn)“綠色交通”的構(gòu)建，符合建立低碳交通模式的基本國策。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；光伏發(fā)電；儲能系統(tǒng)；能量管理策略引言軌道交通客貨運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)成本低，成為各國的主要運(yùn)輸方式。在某些發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家，包括中國、日本和德國，軌道交通被視為交通發(fā)展的核心，因?yàn)樗鼮槌丝吞峁┝丝旖莘奖愕某鲂蟹绞?。隨著列車速度的提升載客量、貨物量的增加，系統(tǒng)的健康監(jiān)測發(fā)揮著越來越重要的作用。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測一般分為軌道沿線側(cè)監(jiān)測和車載監(jiān)測。對于這兩種監(jiān)測系統(tǒng)的供電，最普遍的方法是使用鋰電池進(jìn)行供電，但是電池會造成電化學(xué)污染。另一種方法是通過線路連接到電網(wǎng)，但是此方法會造成遠(yuǎn)距離電力輸送損失。在過去的20年內(nèi)，具有環(huán)境能量收集功能的環(huán)境自供電傳感器技術(shù)受到了極大的關(guān)注，因?yàn)樽怨╇娂夹g(shù)具有環(huán)保、節(jié)能效益，并且能實(shí)時為監(jiān)測傳感器供電。1軌道交通領(lǐng)域新能源技術(shù)分類1.1風(fēng)能采集軌道交通領(lǐng)域風(fēng)能采集是指利用列車行駛過程中，車身周邊形成的氣流驅(qū)動發(fā)電裝置工作來進(jìn)行發(fā)電，常見的發(fā)電裝置有電磁式發(fā)電機(jī)和壓電片發(fā)電機(jī)。特別是在高速沿線和隧道，風(fēng)力資源十分優(yōu)越,近年來，國內(nèi)外都對沿線的風(fēng)能采集技術(shù)展開了大量的研究。2018年，哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)電氣與電子工程系的Bagheri等提出了一種安裝在列車車頂?shù)娘L(fēng)能采集裝置。該研究討論了在移動列車上實(shí)施風(fēng)能收集系統(tǒng)的可行性建議和分析了在列車車頂安裝風(fēng)力渦輪機(jī)的不同方面，討論了風(fēng)能利用的實(shí)際問題。其次，該研究給出了車頂式渦輪機(jī)風(fēng)力發(fā)電的計(jì)算方法，并討論了渦輪機(jī)的空氣阻力。作者在SolidWorks環(huán)境中進(jìn)行仿真研究，以探索風(fēng)力渦輪機(jī)對移動列車的空氣阻力影響，將產(chǎn)生的功率，與克服由車車廂上方的風(fēng)力渦輪機(jī)引起的額外空氣阻力所需的機(jī)械功率進(jìn)行比較。結(jié)果表明，風(fēng)能采集產(chǎn)生的電量比列車克服運(yùn)行阻力要提供的電量要多，燃料經(jīng)濟(jì)性和由此產(chǎn)生的二氧化碳排放量的減少，表明了旅客列車風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)施投資的合理性。1.2熱能采集熱能采集技術(shù)是指利用熱電轉(zhuǎn)換材料的溫差發(fā)電原理將熱能直接轉(zhuǎn)化為可利用電能的一種技術(shù)，通常也被稱為熱電發(fā)電機(jī)。在機(jī)車車輛運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生各種能量，例如振動、熱量和列車引起的風(fēng)能。當(dāng)重型車輛高速運(yùn)行時，能量耗散量不容忽視。因此，如果有效地收集浪費(fèi)的能量，則可將其用于低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)等組件供電。2018年，韓國研究所先進(jìn)車輛的Ahn等研究了一種收集機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架軸承產(chǎn)生廢熱的方法。使用熱電模塊(TEM)將軸瓦表面與室外空氣之間的溫度梯度轉(zhuǎn)換為電能。在這項(xiàng)研究中，TEM中溫差導(dǎo)致的輸出性能經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試，并通過冷卻翅片的計(jì)算流體分析進(jìn)行了最大化處理。該研究還設(shè)計(jì)了優(yōu)化的熱電能量收集系統(tǒng)(TEHS)并將其應(yīng)用于車輛，以分析機(jī)車運(yùn)行中的發(fā)電性能。1.3太陽能采集太陽能采集通常是利用光伏板將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能資源豐富，分布廣闊。在軌道交通領(lǐng)域，利用太陽能為鐵路沿線的用電設(shè)施供電具有不錯的前景。Ruscelli等在2017年提出了使用能量收集系統(tǒng)來集成到列車動力系統(tǒng)的研究。該研究分析了目前可用的技術(shù)并選擇技術(shù)成熟的光伏系統(tǒng)。截止2017為止，只有大型太陽能發(fā)電廠被認(rèn)為是鐵路的能源，很少有研究運(yùn)行沿線本地化太陽能利用的解決方案。關(guān)于鐵路領(lǐng)域太陽能采集的研究可以追溯到21世紀(jì)初期，當(dāng)時光伏技術(shù)對于這一應(yīng)用領(lǐng)域還不夠成熟。在Ruscelli的研究中，其仿真結(jié)果表明，基于微型逆變器和去耦光伏組件的新型功率優(yōu)化解決方案可以克服由于列車車頂光伏板的非最佳朝向、列車運(yùn)動和陰影導(dǎo)致的限制，將能量產(chǎn)量從2%增加到25%。該研究所提出的方法可以使鐵路系統(tǒng)對環(huán)境問題敏感的用戶更具吸引力，并可以促進(jìn)與城市和地方交通的其他綠色解決方案的多式聯(lián)運(yùn)。2城市軌道交通新能源技術(shù)應(yīng)用研究2.1城軌交通系統(tǒng)用分布式光伏-儲能供電系統(tǒng)方案2.1.1技術(shù)路線技術(shù)路線在需求調(diào)研和行業(yè)發(fā)展趨勢分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建光伏-儲能技術(shù)在城市軌道交通的典型應(yīng)用場景，然后開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為示范應(yīng)用提供支撐。2.1.2光伏發(fā)電接入城市軌道交通系統(tǒng)后不同供電模式對比根據(jù)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)可能的供電模式如下。供電模式①和供電模式②均是在35kV交流高壓側(cè)并網(wǎng)，相對供電模式②而言，供電模式①下的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更大的容量，可以滿足遠(yuǎn)距離供電要求，但輸電距離增大也會帶來電壓損耗和功率損耗增加的缺點(diǎn)。這種供電模式主要用于車輛段停車場。供電模式③相較35kV供電，低壓側(cè)并網(wǎng)設(shè)備簡單方便，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量要求較低，且不需要二次設(shè)備及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，投資更低，也具有更好的經(jīng)濟(jì)收益率，這種供電模式應(yīng)用廣泛，在高架車站、高架區(qū)間、地下站出入口集散廣場都有應(yīng)用案例。供電模式④是直接將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入牽引側(cè)，由于直流牽引負(fù)荷波動劇烈，必須與儲能結(jié)合應(yīng)用于城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)。直流供電下電能質(zhì)量更高，但由于牽引網(wǎng)電壓波動大且列車高峰期負(fù)荷量大的運(yùn)行特性，控制策略更復(fù)雜，將光伏直接接入直流牽引網(wǎng)的供電模式電能質(zhì)量更高，且可以通過調(diào)整列車負(fù)荷、牽引變電所間的能量交互，提高能量流動效率。車輛段/停車場建筑面積大且開闊，適合接入大規(guī)模的光伏。高架車站由于接入面積有限，目前輸出電能主要應(yīng)用于高架車站的照明及三級負(fù)荷用電，但隨著郊區(qū)建設(shè)的高架車站面積增大，出現(xiàn)部分車站有效利用面積超10000m2，具備為列車負(fù)荷供電的條件。綜上，光伏安裝位置的有效利用面積決定光伏輸出電能規(guī)模，當(dāng)有效利用面積較大時，其輸出電能不僅可為動力照明設(shè)施供電，還可直接接入直流牽引網(wǎng)為列車負(fù)荷供電。2.2多分布式光伏-儲能系統(tǒng)協(xié)同控制策略多光伏-儲能系統(tǒng)、牽引變電所和列車間的能量交互受到儲能系統(tǒng)控制參數(shù)的影響，有必要研究多光伏儲能系統(tǒng)協(xié)同控制的方法，提高系統(tǒng)整體的節(jié)能穩(wěn)壓效果。通過協(xié)同控制的方法對多光伏-儲能單元進(jìn)行功率分配，并設(shè)計(jì)考慮SOC均衡的改進(jìn)型下垂控制，實(shí)現(xiàn)能量需求變化時各單元供電量的合理分配，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的能量流動，在維持牽引網(wǎng)電壓水平的同時，避免部分儲能過充過放的情況，延長儲能使用壽命。傳統(tǒng)下垂控制由于下垂系數(shù)恒定，應(yīng)用于初始SOC不均衡的多儲能系統(tǒng)中會加劇部分儲能過度充放電的現(xiàn)象，影響電池壽命，本文提出一種考慮SOC均衡的改進(jìn)型下垂控制策略，緩解初始SOC不平衡導(dǎo)致的儲能過充過放現(xiàn)象。為達(dá)到均衡各儲能SOC的目的，引入下垂系數(shù)。下垂系數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為在充電狀態(tài)下，SOC與充電下垂系數(shù)呈負(fù)相關(guān)；在放電狀態(tài)下，SOC與充電下垂系數(shù)呈正相關(guān)。調(diào)速因子v取不同值時，充放電下垂系數(shù)變化。仿真對比傳統(tǒng)下垂控制與不同調(diào)速因子下的改進(jìn)型下垂控制線路區(qū)間的損耗情況可以看出，采用改進(jìn)型下垂控制相較傳統(tǒng)下垂控制線路損耗更小，且線路損耗同調(diào)速因子呈正相關(guān),其原因在于改進(jìn)型下垂控制為兼顧SOC均衡的功率分配方法。傳統(tǒng)控制下系統(tǒng)能量流動仍然由列車位置和功率分配被動決定，而改進(jìn)型下垂控制通過動態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量流動，來維持SOC均衡；且不同調(diào)速因子下的改進(jìn)型下垂控制，由于其儲能充放功率的不同，線路損耗這一表征系統(tǒng)能量流動特性的參數(shù)也隨之改變。結(jié)束語城軌交通系統(tǒng)用分布式光伏-儲能供電系統(tǒng)方案，提出了基于能量管理策略，可為城軌交通行業(yè)新能源的創(chuàng)新應(yīng)用提供技術(shù)支撐。參考文獻(xiàn)[1]陳煒,艾欣,吳濤,等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述[J].