1、車站輔助能源設備設計方案北京先行電氣股份有限公司地址：北京市西城區月壇南街32號銀島商務樓450室電話：010-6858 4323 公司網址：目錄前 言31.城市軌道交通能耗基本現狀32.城市軌道交通節能前景43.城市軌道交通能耗分布44.車站輔助能源設備的概述55.車站輔助能源設備的優勢56.關于磷酸鐵鋰電池的和其他大型儲能電池的優劣對比67.車站輔助能源設備功能77.1逆變回饋功能87.2穩壓控制功能98.車站輔助能源設備經濟效益初步估算99.結語9前 言城市軌道交通作為一種現代化的交通運輸工具具有快捷、安全、舒適、準點、運量大的特點，為緩解城市地面交通擁擠、分擔市內交通客流、促進城市交通

2、與經濟和環境的協調發展發揮積極作用。軌道交通系統是耗電量巨大、運行成本很高的行業，如何建設節能的軌道交通系統成為軌道交通系統規劃設計與建設管理中的一個重要研究課題，也是行業發展的方向和追求的目標。1. 城市軌道交通能耗基本現狀為做到“安全、舒適、快捷、準點”，軌道交通體現“以人為本”的思想。在系統中配備了大量滿足運營要求和滿足旅客舒適性要求的設備。這些設備部分是軌道交通系統必不可少的（如車輛、供電、信號、通信等），部分是為了方便旅客，以為乘客更好服務為目的（如電扶梯、空調、照明等）。這些設備往往能耗較大（特別是空調系統）。在設計過程中必須考慮如何盡量減少能耗，在滿足運營需要的基礎上，合理地確定

3、服務水平，將節能貫徹在設計工作中，以及在設計工作中確定與節能有關的技術原則，對設備運營模式提出合理的運營方案，對今后運營節能意義重大。運營著市內14條地鐵線路的北京地鐵運營公司，從2007年至2013年的基本運營成本（不含折舊）為215.8億元，同期票務收入僅為128.76億元，七年缺口約為87億元。在這七年中，政府財政共補貼北京地鐵運營公司221億元，除對運營成本的補貼之外，其中還包括約134億元的更新改造補貼。2013年，北京市公共財政補貼北京地鐵公司基本運營虧損26億元，與其2013年的基本運營收支缺口大體相當。目前北京地鐵的電費大概每年達到40億-50億元。而電費占地鐵日常運營維護費用

4、的一半，每年地鐵維護大概需要100億元左右。其中，每年光地鐵燈泡的更換費用就要幾千萬元。地鐵運營費的三大頭包括電費、設備運維、工資，其他項目還包括售檢票、信號、消防、通訊、防暴等。2. 城市軌道交通節能前景節能是國家政策導向。中華人民共和國節約能源法、重點用能單位節能管理辦法、中華人民共和國環境保護法相繼推出,節約用電管理辦法和關于推進電力需求側管理工作的指導意見，政府機構節能行動倡議等專項政策法規的頒布，及建立的全國性節能宣傳活動制度（每年11月組織全國“節能月”活動）、推行合同能源管理（一種全新的節能服務機制），以及每年政府在節能推廣上的投資舉措都已表明：節能對于政府來說是勢在必行，這無疑

5、為節能產業的發展創造了一個不可多得的宏觀需求和有利的政策環境。3. 城市軌道交通能耗分布軌道交通能耗一般可分為2個部分，即車輛所消耗的牽引電能（包括正線旅客列車運營消耗的電能和車輛段旅客列車出/入庫消耗的電能、列車試車和試驗所消耗的電能）和動力照明設備所消耗的電能（包括為保證滿足旅客列車安全可靠運營要求的設備、為旅客提供良好乘車環境的設備和保證車站正常運轉的設備、車站的商業區動力照明設備等）。軌道交通能耗主要分布在牽引系統（列車牽引及照明等）、機電設備（通風空調、車站照明、扶梯設備、給排水及消防等）、弱電系統（通信、信號及FAS、BAS及AFC等）及其他方面。軌道交通能耗分布見下圖1。圖1 軌

6、道交通能耗分布示意圖4. 車站輔助能源設備的概述車站輔助能源設備的主要功能是在列車制動時將能量存儲于電池儲能系統中，列車啟動時將能量從儲能系統中釋放到電網中，同時具有削峰平谷的作用，并且可用于其他負載的部分用電，應急電源等。電池儲能系統主要是通過儲能變流器將儲存電源接入既有電網，在電網故障或者電網停電時，向設備和站內負載提供不間斷供電。車站輔助電源設備解決方案示意圖如圖2所示 圖2 車站輔助電源設備解決方案示意圖為了實現對蓄電池儲能系統與外部輸入電源獨立充放電控制，同時避免電源之間產生環流，儲能變流器采用AC/DC交直變流器+DC/DC直直變流器兩級結構設計，AC/DC交直變流器是交/直流側可

7、控的四象限運行的變流裝置，實現對電能的交直流雙向轉換，完成對蓄電池充放電控制、并網運行和為車站和站內的負載提供能量；DC/DC直直變流器位于外部輸入電源和AC/DC交直變流器之間，滿足儲能系統接入電網的直流電壓要求等。5. 車站輔助能源設備的優勢我公司的車站輔助能源設備具有如下特點：1) 我公司采用磷酸鐵鋰系列電芯的儲能系統，集能量回饋、牽引輔助供電、提高供電品質等功能于一體，設備利用率高，供電系統大大簡化。2) 該系統在回饋模式時，因短時過載能力強，在地鐵負載間歇工作制下，節能率高。3) 采用多重化并聯技術，提高系統抗故障失效能力，增強系統與既有變電所供電系統的保護兼容性。4) 控制系統采用

8、美國TI公司的32位浮點DSP芯片，計算更加精確，速度更快。模塊化設計，系統集成塊，安裝和調試方便。5) 先進的電池監控和系統監控軟件，儲能系統可在無人職守情況下自主運行。6) 不改變原有設備，采用基于功率組件的系統設計理念，實現快速維護維修，最大限度減少設備停機時間。7) 基于以太網的實時數據采集與記錄，實現系統運行狀態的實時監控和智能故障診斷。8) 可用于應急電源。6. 關于磷酸鐵鋰電池的和其他大型儲能電池的優劣對比我公司車站輔助能源設備的儲能系統主要采用磷酸鐵鋰大型儲能電池，磷酸鐵鋰專利申請在1993年6月25日已經由美國德州大學獲得，技術非常成熟，目前是中國主流儲能電池領域，是國家86

9、3、973、十一五、十二五高科技發展計劃內重點項目。磷酸鐵鋰電池以工作電壓高、體積小、儲能密度高、響應速度快、循環壽命長、內阻小、環保無污染等特點而得到快速發展，在制造成本、安全性能、循環壽命、功率輸出范圍等方面都具有明顯優勢。中國南方電網在國內率先投運了1MW×4h電池儲能系統，已經成功并網投運，達到了良好的預期效果。幾種儲能電池的技術比較如圖3所示：磷酸亞鐵鋰電池鈉硫電池釩電池交流充放電效率90%75%65%循環壽命（深度充放電次數）7000800100000以上工作溫度-2555300350540安全性中，針刺或短路實驗未出現爆炸，高溫情況下需采取安全措施高，鈉硫直接反應將發生

10、爆炸低，不爆炸倍率特性可高倍率放電可高倍率放電倍率特性不佳環保性對環境影響小，無污染，無振動，低噪聲制造電池的材料均為無毒材料，材料本身不對環境構成污染影響且利用回收技術，可提取廢棄電池中的有效成份進行重復利用，降低資源消耗，減少環境污染對環境影響小，無污染，無振動，低噪聲圖3儲能電池技術比較7. 車站輔助能源設備功能車站輔助能源設備主要具有逆變回饋功能、整流牽引輔助供電功能、穩壓功能等，該系統適用于地鐵牽引供電系統，能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回站內加以利用，給部分電梯、照明、通風系統、屏蔽門、監測、辦公等供電，并且還可在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量。同時還可以

11、抑制直流電網的波動，減小直流電壓紋波，提高牽引供電質量。該系統還具有邏輯控制、保護、通信、顯示、數據采集及存儲、聯鎖與聯跳、試驗等輔助功能。下面就其中的逆變回饋功能、整流牽引功能和穩壓功能進行詳細分析。7.1 逆變回饋功能 該系統的回饋功能是將列車電制動時不能被臨近車輛吸收的再生能量反饋回儲能系統，儲能系統根據需要供給其他負載使用，實現能量的循環再利用。系統電氣拓撲圖如下如圖3：圖3 軌道再生能量回饋裝置電氣拓撲圖7.2 穩壓控制功能該系統具有穩定直流母線電壓的功能，通過儲能變流柜的逆變回饋/整流牽引功能及控制軟件中的穩壓控制環節實現。8. 車站輔助能源設備經濟效益初步估算假設某地鐵車輛的制動

12、初速度為80 km/h，那么每次制動產生的能量為9 875 837 J，即每次制動可回收的電能為2.75 kWh。按照每年365 d，每輛列車每天運營18 h，平均每小時制動30次計算，一輛列車全年回饋的電能為:。 按照目前北京市峰谷電價平均值，以每度電價0.8元計算，每輛列車每年可節省電費43.6萬元，若考慮地鐵全線的運營列車數及發車密度，節省的電費還將有所變化，所以采用電池或電容吸收方案回收這部分能量將節省巨額電費。另外，該回收裝置的安裝也會給地鐵其他系統帶來巨大的社會和經濟效益，比如：可以按照現有車型通過減少列車制動電阻容量，從而減輕車體重量、其效果更節能、成本更低。9. 結語 綜上所述，車站輔助能源設備技