新能源和储能接入的轨道交通“源-网-车-储”供电技术

紫金论电专题论坛暨东南大学电气工程学院办学100周年学术论坛2023年7月7-8日 尾园“双碳”目标下新型电力系统关键技术与挑战中国·南京 铁路双碳解决方案之一： 新能源和储能接入的 轨道交通“源-网-车-储”供电技术 胡海涛、高仕斌、何正友 西南交通大学 国内最早开展交流电铁再生能量利用与新能源（储能）接入团队之一 国铁集团/铁总项目（课题） 铁总重大：电气化铁路交流牵引1供电系统再生制动能量利用技术研究（2017J005-A铁总重点：牵引供电系统综合能耗分析与能效提升技术研究（2017J005-D） 铁总重点：重载铁路牵引供电节能降耗应用技术研究（R110422H01010） 国家重点研发计划项目（课题）： 轨道交通场景适配与网源-诸-车协同的多源供电系统架构（2021YFB2601501电气化铁路 CZTL建设运营一体化系统集成及关键技术（2021YFB2300104）再生制动能量利用 胡海涛陈俊宇字何正友高仕斌○著 国家自然科学基金： 高速铁路“源-网-车-储”一体化供电系统稳定性与能效提升（优青，52122707） 高速铁路再生制动储能系统及其综合潮流控制方法研究（面上，52077179） 四川省、上海铁路局、太原铁路局、中车等项自10余项 紫金论电专题论坛暨东南大学电气工程学院办学100周年学术论坛2023年7月7-8日 鹿园“双碳”目标下新型电力系统关键技术与挑战中国·南京 汇报提纲 (一)背景及意义 (二)再生制动能量与新能源利用技术 (三）研究展望 背景及意义一交通/能源变革驱动国家战略4 能源的发展促进交通革新，交通的发展推动能源变革 能源的发展是人类经济发展的基础，每一次能源的变革都促进了交通的创新 高速列车地电动飞机大阳能货船 人/畜力交通化石能源+交通电能+交通新能源+储能+交通 交通的发展推动能源变革每一次交通的发展需求都对能源的供给形式提出了新的挑战 节能减排绿色出行 极速膨胀的私家车出行需求推动了庞大的客运需求推动了高铁和城轨的建设交通系统的节能减排需求推动了内燃机的技术更新与石油开采进程刺激了磁悬浮等新型交通工具的技术研发储能、新能源的技术研发与消纳 背景及意义一交通/能源变革驱动国家战略5 轨道交通承担32%客运9%货运，年约1200亿kWh（约国铁820、城轨200、国能200） 占比（%）中国轨道交通系统能源消费结构 90 100 燃油 80 70 电能 60原煤 50 40 30 20 10 0 轨道交通吸需调整用能结构实现低碳供能 一、背景及意义一交通/能源变革驱动国家战略6 ■电气化铁路发展历程，DC750V~3kV，单相AC25kV逐步成为国际标准 日本鹿儿岛本线 2×25kVAT供电 世界第一条电气化铁路 德国、奥地利、瑞士、挪威等 单相交流15kV16.7Hz 公用电网 德国西门子DC150V（公用电网铁路自备电厂如何适应 按触网新型电力系统变化？ 单相降压 125:v 110/132kV 16.7Hz 1897年1912年 牵引所IAT 1969年未来 1898年★1950年 公用电网 丰 2010年 降压 牵引所 分区所 德国三相交流机车法国单相AC25kV50Hz中国同相/贯通等新型供电 一、背景及意义一再生制动能量利用行业需求 ■另一方面，轨道交通再生制动能量丰富但大量返送回电网 牵引变电所 日牵引能量 日返送再 LS (kWh)89889 (kWh)12440 FJ 94397 12992 线路类型线路名称 CG高铁 XC高铁 生能量 7 再生占比 （再生/牵引） 13.84% 13.76% JW高铁 LS 173948 17317 9.96% CY高铁 RCB 186337 16129 8.66% HY高铁 NHQ 333231 18303 5.49% 高速铁路 C铁路、XC高铁GY1383998620 HHR、JH高铁 NJN 429989 21980 B HH、JH高铁 HQ 28742512894 HW、NX、FL铁路 LA 3036068295 DQ铁路 ZL 257275 51744 DQ铁路 WJW 169383 21468 铁路枢纽 重载铁路 长大坡道） 6.23% 5.11% 4.49% 2.73% 20.11% 12.67% NJB 181352 1848 1.02% SJ 191178 2390 1.25% SS铁路XCC 162265 16918 10.43% DQ铁路 YAB 303799 21106 6.95% DQ铁路 DCX 301549 20316 6.74% XY铁路SHB 141333 2640 1.87% 普速铁路BC铁路 JH铁路 背景及意义一再生制动能量利用行业需求8 城轨系统因变流器单相能量流动，再生能量（约30%）必须“消耗、储存 转移”，城轨再生利用主要包括：电阻/闸瓦消耗、能馈技术和储能技术 控制自标：直流1500V电压，控制对象简单，能量管控简单，不适用分相交流电铁 AC10/35kVAC10/35kVAC10/35kVAC10/35kV 能馈系统储能系统储能系统 能馈系统 AC L400VDC/DODC/DC DC1500VDC1500V 钢轨钢轨 列车制动列车制动列车制动列车牵引 低压能馈中压能馈储能充电储能放电 能馈技术储能技术 一背景及意义一再生制动能量利用行业需求9 ■大量电铁再生制动能量返送电网，良既不经济、也不安全 单源、长距离供电单相、冲击负荷，导大功率、间歇负荷，再生多、返送不计 导致网压抬升、弹性差致电能质量差导致系统能效低导致经济性差 发电厂升压变压器长距离输电线路 电源 单电源负序、谐波、电压波动 牵引所 长距离输 配电网络 抵御故障能力差，弹性差末端网压抬升，甚至制动失效 3相→单相 不对称供电 区 牵引网三相电流 区X 电分相 列车 大功率、冲击性、间歇性 电气化铁路需充分利用再生制动能量提升能源利用效率 一、背景及意义一再生制动能量利用行业需求10 .h 以高速铁路“四纵四横”为研究案例，评估了铁路建设光伏发电潜力 车站建筑面积（万平米） 300 250 200 150 100 50 八通道 中港（台）通送 0 3000 2500 2000 JHJGHSHHTXLHKQT 线路长度（千米） “八横”通道1500 车站屋顶以车站建筑面积为光伏安装面积 铁路走廊考虑从铁路路堤坡脚，路堑坡顶或桥梁外侧 起向外的10m距离作为光伏安装区域 1000 500 0 HrJGJHHS HHRXLHKQT 背景及意义一再生制动能量利用行业需求11 基于历史光照数据，考虑多种光伏安装形式，“四纵四横”车站屋顶和沿 线坡道安装总容量超过30GW.年发电量约90亿kWh（用电约200亿kWh） 16010kV110kV330kV 120 80 40 可安装容量 装机容量（MW） 0 HrJGHrHSHHRXLHKQT 1810kV110kV330kV 12 6 年可发电量 发电量(千万度) 0 HrJGHrHSHHRXLHKQT 一、背景及意义一如何实现节能低碳？12 ■为实现低碳、绿色发展，轨道交通驱需发展新型牵引供电技术 外部电网 牵引变电所 牵引供电系统 列车 牵引网 沿线新能源资源发展节能技术 车站屋顶光伏雨棚、边坡光伏再生能量储存利用列车节能运行 再生事动能 33.3% 规频电量 15M/8 接入新能源实现低碳供能发展节能技术实现高效用能 一、背景及意义一如何实现节能低碳？13 ■依托功率变换与储能技术，构建新型“源-网-车-储”一体化供电系统 公用电源 稳定供能 新形态牵引网机/动车 高效供电 新能源绿色能源功率变应急供电换设备 提升能效 平抑新能源波动 储能促进再生能量利用 超级电容电池 构建绿色化、高效能、高弹性轨道交通供电技术新体系 紫金论电专题论坛暨东南大学电气工程学院办学100周年学术论坛2023年7月7-8日 鹿园“双碳”目标下新型电力系统关键技术与挑战中国·南京 汇报提纲 背景及意义 (二)再生制动能量与新能源利用技术 (三)研究展望 再生制动能量与新能源利用一技术难题15 ■电气化铁路再生制动能量利用与新能源接入的关键问题 背靠背储能能馈发电 变流器变流器变流器功率 三相ACIDCDCI三相AC 再生制动能量利用 负序电流抑制牵引 单相AC 控制目标 谐波电流抑制制动 风、光等多类新能源系统变流设备多样源、荷（牵引/再生）波动大 如何可靠接入单相分段电铁如何高效多自标管控如何稳定控制可靠保护？ 何种方案？如何管控？如何匹配？ 内容1：内容2：内容3： 多场景最优方案设计多对象高效能量管控多端口稳定/可靠控制 再生制动能量与新能源利用一总体思路16 ■研究自标：实现新能源接入电气化铁路的安全、稳定运行 创新思路全局阻尼增强补偿与源网车储协同控制 全局阻尼多频段增强补偿源 网压振荡抑制 实时阻尼：i*=iH,(s)+uHu(s)网 Hu(s) 信号提取补偿计算车 协同 创新思路 “源网车储”协同控制控制 源网荷储 多目标协调优化源 有功转移无功补偿负荷调整阻尼支撑 再生制动能量与新能源利用一1多场景最优方案设计17 ■电气化铁路负荷建模：根据负荷特性分为三个类别（1类：普通线路普速铁路：ⅡI 类：音普通线路条件的高速铁路和铁路枢纽：川类：长大坡道线路） 变电所1变电所2 持续时间 总返送再生制动能量 功率(MW) 0 功再生能量L互补工况再生能量 再生能量功率幅值 率幅 值 互补工况 时间(s) 定义牵引供电系统负荷特性指标 低 持续时间再生频次 高一 单个再生 持续时间 牵引供电 互补工况比例互补工况再生能量比例 制动过程再生频次系统整体互补工况再生能量 类Ⅱ类Ⅱ类 负荷特性再生能量负荷特性互补工况再生能量比例基于负荷特性的电气化铁路类别 胡海涛陈俊宇，葛银波等.高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究[J.中国电机工程学报.2020,40(01):246-256+391 再生制动能量与新能源利用一1多场景最优方案设计18 ■电气化铁路负荷建模一典型线路负荷特性评估案例 Ⅱ类线路（枢纽型）：NJN牵引所川I类线路（重载长大坡道）：DQ线相邻牵引变电所 120 90 30 有功功率15 最大需0. 持续约15分钟 10 10 1520持续约5分钟 3030 80 30功率互补工况变电所1 60变电所2 40 -30 5 60 3791113151719212313 时间(h) 再生制动过程出现频次高 40 2022101220 时间（h） 再生制动过程出现频次较低 再生制动过程持续时间短再生制动能量丰富 再生制动过程功率幅值高两所负荷工况互补性较强 负荷特性 再生能量丰富，21.9MWh 负荷特性 互补工况比例约占25.6% 胡海涛，陈俊宇，葛银波等.高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究J1.中国电机工程学报.2020.40(01):246-256+391 再生制动能量与新能源利用一1多场景最优方案设计19 ■基于各类电铁负荷特性，提出了多场景适用的再生制动能量利用方案 BB C 牵引变电所分区所A 应用方案应用方案 密度大、 27.5kVHB27.5kV 牵引诺能装置 动 0V配电池 再生丰富、负荷互补性强的相邻变电 DANSLZB27.5kV27.5kV 牵引制动储能装置制动 频次高，枢纽所所，长大坡道 c 多牵引所BB 应用方案 再生丰富且负荷互补的连续分布 多牵引变电所， 27.5kVα B27.5kV27.5kVβ 27.5kV27.5kV B27.5kV 重载长大坡道 牵引制动牵引制动 再生制动能量与新能源利用一1多场景最优方案设计20 ■发展为融通型“源-网-车-储”互联系统，实现新能源的接入 变电所互联方案 S SACB 分区所互联方案S 牵引变电所分区所牵引变电所 #1#2 钢轨 铁路功率融通器铁路功率融通器 隔离变压器 VSCaISCe 隔离变压器隔离变压器 ISCuFSC8 隔离变压器 直流母线直