1. 痛點(diǎn)問題
城軌交通是城市最大耗電行業(yè)之一,截止2020年底全國有45個城市開通了城軌交通線路244條,線路總長度7969.7公里,年耗電量172.4億千瓦時,其中牽引能耗占比高,達(dá)到84億千瓦時。為了實(shí)現(xiàn)城軌交通行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo),必須從現(xiàn)有的城軌牽引供電系統(tǒng)給出解決方案,以應(yīng)對城軌交通面臨的行車密度大、節(jié)能減碳任務(wù)重、供電可靠性要求高等諸多挑戰(zhàn)。
城軌牽引供電系統(tǒng)的核心裝備是連接城市交流配電網(wǎng)與城軌直流牽引網(wǎng)的“交流-直流”電力電子變流器及其運(yùn)行控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)外仍主要采用基于二極管整流機(jī)組變流器和以運(yùn)行狀態(tài)靜態(tài)監(jiān)視為主的電力監(jiān)控。這種傳統(tǒng)技術(shù)方案因缺乏管控能力對城市配電網(wǎng)依賴性強(qiáng),存在外電源布點(diǎn)密集和選址困難問題,而外電源建設(shè)導(dǎo)致一次性投資劇增(7000~10000萬元/個),并且會占用大量城市用地和空間;因?yàn)榱熊囶l繁啟停沖擊導(dǎo)致配電網(wǎng)和牽引系統(tǒng)設(shè)備利用率低,存在依靠高成本的過度裕量來換取系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行問題;因?yàn)槿鄙賹ο到y(tǒng)能效的主動調(diào)度控制、牽引供電電壓波動劇烈、牽引網(wǎng)能量粗放式分布,導(dǎo)致列車再生制動能量無法在牽引系統(tǒng)內(nèi)部高比例利用、大規(guī)模光伏接入和消納困難,存在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部降耗減碳困難問題。
2. 解決方案
基于全控型雙向變流器和智能協(xié)同控制的柔性直流新一代牽引供電技術(shù),具有靈活調(diào)控牽引供電系統(tǒng)能量、主動響應(yīng)城市配電網(wǎng)需求的能力,從根本上改變牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制,為系統(tǒng)性解決牽引供電系統(tǒng)痼疾、牽引供電系統(tǒng)和城市配電網(wǎng)互聯(lián)互動提供了基礎(chǔ)和平臺。
柔性直流牽引供電系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。在北京可以直接解決:對于已經(jīng)運(yùn)營的線路,由于外電源缺失造成的供電系統(tǒng)能力不滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)狀(如北京地鐵6號線、16號線、19號線等等),對于新建設(shè)的線路,外電源數(shù)量的優(yōu)化(如北京3號線、28號線等等);進(jìn)一步推廣至上海、深圳、廣州、成都、天津、重慶、杭州等63個城市5685公里的新建線路及1000余公里改造線路。同時,建立產(chǎn)業(yè)規(guī)范和體系,將帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展,并助力軌道交通產(chǎn)業(yè)走向國際化市場,為后續(xù)乃至在全球的運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),未來的市場份額超千億。
本技術(shù)目前正在開展北京地鐵13A線示范應(yīng)用工作,推動軌道交通產(chǎn)業(yè)規(guī)范和體系發(fā)展,未來有望在北京新建和既有線路改造中應(yīng)用,進(jìn)一步在國內(nèi)國際其他城市新建和既有線路改造中應(yīng)用。
在國外,日本明電舍公司、法國阿爾斯通公司已經(jīng)在9個國家的10余個系統(tǒng)中應(yīng)用,但僅采用了定電壓或者下垂的簡單控制方式,并未采用智能協(xié)同控制技術(shù),尚無法實(shí)現(xiàn)減少外電源數(shù)量、提高設(shè)備利用率、提高減碳水平等綜合優(yōu)化。
在國內(nèi),江蘇晨大電氣在寧波線地鐵2號線完成雙向變流器設(shè)備功能試驗(yàn),但因只有1個牽引所,并未真正構(gòu)成柔性直流牽引供電系統(tǒng)。
本技術(shù)的優(yōu)勢主要包括:
(1)優(yōu)化外電源配置:提高外電源使用效率,外電源數(shù)量減少30%~50%;降低對外電源選址的嚴(yán)苛要求,外電源與牽引所距離可從1~2km延長至3~4km;
(2)提高節(jié)能減碳水平:總耗電量減少10%~20%;取消笨重的車載制動電阻,有助于列車輕量化,降低列車運(yùn)行損耗和地下通道環(huán)控成本;實(shí)現(xiàn)多個停車場/車輛段5~7MW光伏的分布式接入和高比例消納;
(3)提升供電能力和安全可靠性:提高列車供電質(zhì)量,牽引網(wǎng)網(wǎng)壓從500V~900V提升至650V~900V;對于外電源N-2故障、牽引所N-2故障,在保持行車密度不變前提下,實(shí)現(xiàn)列車不間斷供電。
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