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地铁频繁的启动和刹车,能把这些消耗的能源节约下来吗?

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Adam Zhan,人生五十年,如梦亦如幻,有生斯有死,壮士何所憾。

轨交攻城狮路过,顺手带着大家误入歧途。

一.供能方式:

现阶段,地铁、轻轨以及高大上的高铁都是采用电能驱动异步电机作为动力。

这里有必要谈谈这个牛气哄哄的异步电机了,这货可攻可受……啊,不,是既可以作为电动机,又可以作为发电机,只要调整输入三相交流电的相位,不需要改变结构啊有木有!!!

二.制动方式:

以下是严谨的论述了,以合肥地铁 1 号线为例:

合肥地铁 1 号线最大牵引加速度为 1m/s2,最大制动(刹车)减速度为 1.2m/s2

列车牵引工况下,异步电机工作在电动机状态,消耗电能。

列车的制动(也就是刹车)分为两种:电制动(再生制动)以及空气制动。其中空气制动很好理解,与汽车类似,使用刹车盘与车轮摩擦已产生制动力,其中刹车盘与车轮的结合使用空气压力作为动力,故称空气制动。空气制动中,动能转化为刹车盘的热能,完全损耗。

电制动的基本原理相同,即制动时列车依靠惯性继续向前运动,带动车轮滚动,车轮与电机之间以齿轮箱相连,从而拖动电机转子转动,发电,完成车辆动能向电能的转化。此过程类似发电厂通过蒸汽推动涡轮旋转以带动发电机转子旋转发电。因此,列车电制动至此是基本不会产生电能损耗的,电能损耗主要由电机所发电能的去处决定。

目前地铁上主要采用两种电制动:电阻制动以及馈电制动。电阻制动即将电机所发电能通过电阻发热消耗,显而易见,此过程中电能完全被浪费了。馈电制动则是将电能再次反馈回电网,供其他车辆使用甚至向城市电网供电,此过程的电能主要消耗在输电线路上。

以最大减速度 1.2m/s2 减速时,再生制动功率为 3200kW,反馈电流大概为 2000A 左右,3km 长输电线内阻约为 10-2 欧姆量级,也就是说消耗功率为 40kW,与 3200kW 相比,约为 1.25% 的损耗率。当然之前的答主已经提到,向电网馈电会引起牵引网压的抬升,比如合肥 1 号线 1500V 直流牵引网的网压上限为 1800V 左右,当馈电超过此阈值,则启动电阻制动(IGBT 管控制)消耗额外电能。此外,当电机转子转速过低,亦即车速过低时,异步电机无法提供充足的电制动力。

对于以上两种电制动方式该如何选择呢?合肥 1 号线采取的方式为正常情况下,当列车速度大于 6km/h 时,优先采用电制动(正常工况下完全能够满足 1.2m/s2 的电制动需要),当速度低于 6km/h 时,采用电空混合制动,电制动不足的部分由空气制动补足,一般近似认为空气制动补足比例与速度成反比。乘坐地铁时,地铁进站快停止时所听到的刺耳的刹车声就是刹车盘与车轮的摩擦声。

因此,理论上讲,现在的地铁单纯的频繁加速刹车并不会造成太多的能量损耗,电制动产生的电能基本向电网反馈。但实际操作中,由于车辆加速制动调配的问题,可能存在局部轨交网中瞬时过多车辆同时制动,造成牵引网压抬升过多,列车自动启动电阻制动进行保护,从而浪费电能。

三.储能方式及其他:

当然,其他答主所提到的在列车上增加储能设备,以吸收电制动产生的能量,在国内应用较少,国外比较成熟的有飞轮储能,超级电容储能有段时间没关注,抱歉。国内这部分的应用很少,北京地铁 5 号线配置了车载储能方式,但是据说闲置着没用…………

也有答主提到采用蓄电池储存电能,这个基本不可行,一是因为再生制动的功率远高于蓄电池能够承受的范围,想想得用多大的蓄电池组才能承受 3200kW 的充电功率,还得装在车上~~~二是蓄电池的充放电次数不高,以锂电池为例,锂电池由于生产工艺的限制,单个的锂电池电压约为 3.2V 左右,更大的电压需要由单个锂电池经过串并联组成锂电池组,单个锂电池的有效充放电(储电量损失不大于 20%)次数约为 6000 次,串并联为锂电池组后,由于系统可靠性为个体可靠性的乘积,有效充放电次数急剧减小,在北京地铁 5 号线上的实测结果为 500 次左右,而地铁一天的启动刹车次数基本已经超过 500 次,也就是说电池一天就报废了,成本太高。


作为一个严谨的攻城狮,对内容再进行一些补充。

一.关于进站站台轨道高度:

《地铁设计规范》中对其提出了要求:

6.3.2 车站及其配线坡度设计应符合下列规定:

1 车站宜布置在纵断面的凸型部位上,可根据具体条件,按节能坡理念,设计合理的进出站坡度和坡段长度;

2 车站站台范围内的线路应设在一个坡道上,坡度宜采用 2‰。当具有有效排水措施或与相邻建筑物合建时,可采用平坡;

3 具有夜间停放车辆功能的配线,应布置在面向车挡或区间的下坡道上,隧道内的坡度宜为 2‰,地面和高架桥上坡度不应大于 1.5‰;

4 道岔宜设在不大于 5‰的坡道上。在困难地段应采用无砟道床,尖轨后端为固定接头的道岔,可设在不大于 10‰的坡道上;

5 车场内的库(棚)线宜设在平坡道上,库外停放车的线路坡度不应大于 1.5‰,咽喉区道岔坡度不宜大于 3.0‰。

以下是链接:《地铁设计规范》 GB 50157-2013 -- 搜建筑网建筑规范大全

二.关于储能再生制动方式(本文中涉及技术截止 2015 年 9 月更新):

a.锂电池

综合考虑经济性与实用性,目前蓄电池中经济性以及性能最优越的应该就是锂电池了。

目前在锂电池的高频次、高强度、长时间充放电技术已经在电动汽车上得到应用,但是轻轨车辆的功率量级更大,今天尝试搜索,仅找到锂电池地面储能应用案例,车载锂电池案例还未找到。

锂电池具有短时大倍率充放电的能力,但是相应的,在大倍率充放电工况下,由于锂离子没有充分的脱嵌,容易在表面形成枝精,电池的极化较严重,这时,充电时间是少了,但电池的容量也会衰减,循环寿命受损。暂无数据支持,望体谅,尽快更新。

首先,与超级电容、飞轮储能以及研发阶段的超到储能相比,锂电池储能具有能量密度高,功率密度低,成本低(应该指生产成本)的特点,但相对的缺陷为反应慢,充放电循环次数低。

插一句:有知友提到单个锂电池有效充放电次数 6000 次,这是 2014 年东芝的研发人员在会议上提的,应该是真实的(当然他们提的目的就是想把这电池卖给我们啦,啊哈哈哈~~~),经过 1 年的发展,过 10000 次应该没问题。

锂电池在地铁等轨道交通中的应用采用两种方式:地面式,车载式。

其中地面储能方式的应用有 日本鹿儿岛谷山线,采用 E3 锂电池提供电力补偿。地面式储能方式可以通过增加并联电池数来降低单个电池组的充放电功率,解决了锂电池充放电功率相对较小的问题,而且对空间的要求也相对较小。

锂电池车载储能方式的应用还没找到实例~~~

b.超级电容

除了锂电池以外,目前超级电容的应用也日益广泛,主要原因应该是超级电容生产成本的降低吧。超级电容与锂电池的技术比对如下图所示:

超级电容储能模式也分地面储能以及车载储能两种:

其中地面储能方式的应用有 西门子 SITRAS SES 静态储能装置,采用超级电容储能,在北京地铁 5 号线得到应用,不过据我导师讲,好像闲置着没用~~~

车载储能方式的应用有 庞巴迪 MITRAC 储能装置(应用于 2009 年底生产的德国海德堡有轨电车),CAF 的 ACR 系统以及阿尔斯通的 STEEM 系统(试验运行中,预计投入巴黎 T3 有轨电车线)也是采用超级电容储能。

之前曾经进行过 Simulink 建模仿真测试,结合超级电容功率密度高与锂电池能量密度高的特点,可以将超级电容与锂电池进行并联,使用超级电容作为锂电池与电机间的功率过渡模块,从而降低大功率充放电对锂电池寿命的影响。只是理论验证,目前并未得到应用。

引用链接:轨道交通车辆电气制动再生电力的储能回收及利用 2015_图文


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