论文发表期刊发表范文:对城市轨道交通配电系统设计中的节能方法探讨

时间:2019-10-07 17:31:26

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对城市轨道交通配电系统设计中的节能方法探讨

 

摘要:节能设计是城市轨道交通配电系统设计必须关注的内容,只有达到节能设计要求,才能保证城市轨道交通系统建设和运营的可持续发展。文章将对城市轨道交通的配电系统节能设计方案进行研究,首先对城市轨道交通配电系统的合理负荷量进行计算,并提出几点线路降耗措施。在此基础上,重点研究系统再生制动能量回收方案,以期降低系统整体能耗水平

关键词:城市轨道交通;配电系统设计;节能方法

 

Discussion on the energy-saving method in the design of urban rail transit power distribution system

 

Abstract: Energy saving design is the content that must be paid attention to in the design of distribution system of urban rail transit. Only by meeting the requirements of energy saving design can we ensure the sustainable development of the construction and operation of urban rail transit system. In this paper, the energy saving design scheme of distribution system of urban rail transit is studied. Firstly, the reasonable load of distribution system of urban rail transit is calculated, and some measures to reduce the consumption of urban rail transit are put forward. On this basis, the energy recovery scheme of system regeneration braking is studied in order to reduce the overall energy consumption level of the system.

Key words: Urban rail transit; Distribution system design; Energy saving method

 

前言:在城市道路交通压力不断增加下,轨道交通逐渐成为人们出行的新选择。轨道交通不仅安全性更强,而且可以为通行效率提供保障。但是在其运行过程中,配电系统负荷量较大,会产生较高的运行能耗问题。因此必须提高对城市轨道交通配电系统节能设计的重视,通过降低系统能耗,适应城市轨道交通规模扩展的需要。

一、城市轨道交通配电系统负荷计算

(一)有功损耗计算

在城市轨道交通的配电系统节能设计过程中,首先应做好负荷量计算工作,通过确定合理的负荷量水平,为变压器容量选择提供依据,减少不必要的系统能耗。首先在系统有功损耗计算方面,可采用公式P=P0+Pk×B2对变压器有功损耗进行计算。在上式中,△P代表变压器有功损耗,B代表变压器负载率,P0代表空载损耗,Pk代表短路损耗。其中,变压器短路损耗是由变压器额定负载产生的传输过程损耗,即变压器线损。其大小取决于变压器绕组的电流大小。如果变压器的绕组电流过高,会增加变压器线损。通过降低变压器绕组电流,则可以达到降低线损的目的。基于此,在城市轨道交通设计过程中,出于节能设计要求,一般要采用绕组小的变压器,多数采用铜芯变压器。同时应通过增加变压器容量,降低变压器线损。另外,变压器空载损耗也是能耗较多的部分,主要是由于铁芯涡流损耗和漏磁损耗等引起的。应通过提高铁芯材料制作工艺质量,降低空载线损。不同功率等级的变压器铁芯磁路长度如表1所示。

1 不同功率等级变压器铁芯磁路长度

Table 1 Magnetic circuit length of iron core of different power level transformer

功率等级

铁芯型号

长度(mm)

宽度(mm)

高度(mm)

后叠(mm)

孔距(mm)

总长(mm)

磁长(mm)

10W

EI48*24

50

41

44

20

55

70

15

15W

EI48*26

50

45

45

22

56

75

16

20W

EI57*25

50

50

50

24

58

76

18

25W

EI57*35

60

60

60

26

62

79

20

(二)变压器负载率计算

在轨道交通的配电系统设计过程中,应在满足轨道交通稳定运行的前提下,尽可能让变压器保持较低的负载率水平。变压器的更佳节能效果是保持80%左右的负载率,但是从实际情况来看,多数城市轨道交通的变压器负载率难以达到这个水平。在配电系统过程中,应通过合理计算负载率,选择计算系数,使变压器能够处于低能耗运行状态。在此方面,应充分考虑轨道交通负荷的阶段性变化特点。比如在冬季寒冷、下雪天气,路面交通条件较差,人们会倾向于选择轨道交通出行方式,导致轨道交通负荷压力出现明显上升。在配电系统变压器容量设计过程中,首先要保证变压器容量能够满足负荷增加下的供电需求。如果一台变压器发生故障,另一台变压器容量也要满足需求。除了动力系统能耗外,轨道交通的照明系统、广告灯箱等,也是系统能耗的主要组成部分。在设计过程中,需要将其独立出来,采用专用回路进行供电。然后分别对不同回路负荷量进行计算,反映出轨道交通运行的实际负荷情况,从而为节能技术选择提供依据[1]

二、城市轨道交通配电系统线路降耗措施

(一)降低线路电阻

在城市轨道交通配电系统设计过程中,线路损耗是一个必须关注的问题,也是导致轨道交通能耗较高的主要原因。在配电线路设计中,由于系统配电线路较为复杂,不同线路的电阻大小不同,容易降低电能利用效率,增加系统能耗。而且城市轨道交通的配电系统规模庞大,线路损耗累积起来数量可观,必须通过采取有效的节能措施,降低系统线路损耗。在此方面,首先可以通过降低线路电阻值,达到减少电能损耗的目的。可以选择电阻率较低的铜芯电缆、铜芯导线作为线路材料。并通过合理缩短配电线路长度,减少不必要的线损。在轨道车站设计过程中,应结合建筑形式以及负荷位置,将配电设备设计在负荷中心点处,从而缩短配电线路长度。此外,也可以采用增加导线截面积的方法,减少配电线路的电流损失,虽然这种方法会在一定程度上增加材料成本,但从长远运行角度来看,节能效益带来的成本收益更高,因此需要综合采用上述几种节能措施。城市交通轨道使用的通信电缆如图1所示。

 

1 轨道交通配电系统的铜芯电缆

Figure 1 Copper core cable for rail transit distribution system.

(二)采取无功补偿措施

在轨道交通配电系统运行过程中,由于无功功率较高,也会增加系统能耗,需要采取相应的无功补偿措施。无功补偿技术主要通过调节电力系统功率因数,降低在输配电过程中的线路损耗,同时可以提升电力系统运行稳定性。在无功补偿技术的应用过程中,需要合理选择无功补偿装置,更大化的降低电力系统损耗。如果无功补偿装置选择不当,还可能产生电压波动和谐波问题。常用的无功补偿技术包括集中补偿、分散补偿和就地补偿三种形式。其中,集中补偿是通过在电力线路中设置并联电容器组,达到无功补偿目的。分散补偿则是在配电变压器的低压侧安装并联补偿电容器,就地补偿是将其安装在单台电动机处。如果条件允许,轨道交通配电系统应优先选择就地补偿措施,提高无功补偿效果。在无功补偿技术的合理应用下,可以提高电力系统有功功率比例常数。根据公式P=(1-cosθ/cosφ)×,其中,cosθ为补偿前功率因数,cosφ为补偿后功率因数,由于cosφ>cosθ,在采取无功补偿措施后,可以降低线损率。因此,在轨道交通配电设计过程中,必须采用无功补偿措施,通过合理选择和设置无功补偿装置,降低系统运行能耗,提高电能供应质量[2]

三、城市轨道交通配电系统的再生制动能量回收方案

(一)再生制动能量回收需求

再生制动能量回收技术是提高城市轨道交通配电系统节能效益的关键技术。但是在传统设计方案下,轨道列车再生制动能量回收方案的制动电阻通常分散在各个列车内。这种方法虽然造价较低,工作可靠性强,但是也有其明显缺陷。从分散回收布置方案的实际使用情况来看,由于该技术已经较为成熟,可以灵活实现功率组合,在斩波调阻系统的控制下,对电力系统进行恒压调节。在此情况下,能够控制列车制动是产生的过电压问题,适合于轨道交通的间歇式工作模式。但是将制动电阻安装在各个列车上,会增加列车自重。在制动电阻工作过程中,会产生较高大热量,直接排放到列车通行隧道内,容易引发隧道、站台升温问题,会增加环控系统能耗。为了解决上述问题,目前广州、天津、重庆等地的轨道交通采用将制动电阻设计在地面的形式,并在牵引变电所内设置功率吸收设备,可以解决传统设置在列车上的缺陷问题。从实际运行情况来看,该方案能够减轻列车负荷,解决隧道升温问题。但如果地面不具备设置制动电阻的条件,则需要将其设置在地下,会增加土建、环控通风设备等方面的投入。因此,有必要加快再生制动能量回收技术的研究,改善系统布置方案[3]

(二)电容储能回收方案

目前关于轨道交通配电系统再生制动能量回收技术的研究主要集中在储能、逆变两个方向。其中,电容储能回收方案是目前较为成熟的技术手段之一。在该设计方案下,主要采用电容储能型的能量回收装置,比如IGBT逆变器,该装置可以将吸收的轨道列车制动能量存储在超大容量电容器中。如果供电区间内的列车因启动运行或运行加速,导致电力系统压力降低到阈值以下,储能电容器会通过向牵引电网释放能量,对制动能量进行回收利用。这种技术方案具有显著的节能效果,而且可以降低车载制动电阻的容量需求。在制动能量的回收利用过程中,仅涉及到牵引系统的能量流动,不会对中压系统产生影响,同时适用于集中、分散供电形式。该技术的主要实现难点是超大容量电容器的应用,而且其频繁处于充电、放电状态,会增加运行维护工作量,使用寿命较短[4]

(三)飞轮储能回收方案

飞轮储能回收方案是通过设计飞轮储能制动能量回收模块,实现对再生制动能量的吸收和利用。其基本原理类似于电容储能装置,但采用的储能元件不同。飞轮储能回收装置在吸收制动能量的过程中,先将电能转化为机械能,在需要使用时,再将其转化为电能进行输出。这种技术方案的优点是能量转换效率高,装置储能密度大,也具有良好的节能效果。但是由于初期设备投入较大,而且关键技术处于封锁状态,国内目前仍缺乏自主研发能力,难以得到大规模应用。

(四)逆变回馈节能方案

逆变回馈节能方案也是目前城市轨道交通节能方案的重点研究方向,主要采用逆变回馈型制动能量回收装置。在其运行过程中,如果再生制动系统的直流电压达到阈值,逆变器会自动在母线处吸收电流,然后将电能返回到交流电网中。一般采用大功率电子器件三相逆变器,可以将吸收的直流电流逆变为工频交流电流。在该技能方案下,回收的制动能量可以供在线设备使用,也可以返送回供电系统,具有较好的节能效果。如果采用双向逆变技术,还能够为整流机组提供牵引能量。目前逆变回馈节能方案已经在国外城市轨道交通设计中得到了应用,我国也应加快相关技术的研究,通过对轨道交通制动能量进行高效率的回收利用,减少系统能耗。

结束语:综上所述,随着城市轨道交通规模的逐渐增加,必须采用有效的节能技术,降低轨道交通配电系统能耗,提升城市轨道交通运行的综合效益。通过同时采用线路降耗技术和再生制动能量回收技术,可以有效降低城市轨道交通配电系统的运行能耗,同时也有利于提升其配电稳定性,从而为城市轨道交通运行安全提供保障。

参考文献:

[1]李泽贤.对城市轨道交通配电系统设计中的节能方法探讨[J].电工技术,2019(10):147-149.

[2]程明.城市轨道交通BAS系统和照明配电系统的综合联调技术探讨[J].科技风,2018(22):71-72.

[3]侯红磊,黄建霞.城市轨道交通低压配电系统的设计总结[J].电子制作,2017(Z1):51-52.

[4]孙建新.城市轨道交通低压配电系统智能化管控终端设计[J].城市轨道交通研究,2016,19(05):40-43+48.

 



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