新能源和储能接入的轨道交通“源-网-车-储”供电技术-西南交通大学-胡海涛_49页_7mb

铁路双碳解决方案之“源-网-车-储”供电技术总结

核心内容概述

本报告聚焦于轨道交通领域实现“双碳”目标的新能源与储能接入技术，提出了一种“源-网-车-储”一体化供电系统架构，旨在提升电气化铁路的能效、降低碳排放，并增强系统对新能源接入的适应性与稳定性。该技术体系融合了再生制动能量回收、光伏发电、储能系统及多端口控制策略，适用于不同类型的轨道交通系统，包括高速铁路、铁路枢纽、重载铁路和普速铁路。

主要观点

1. 交通与能源协同发展

• 轨道交通承担了32%的客运和9%的货运，年耗电量约1200亿kWh，是能源消耗的重要领域。
• 电气化铁路的发展推动了能源结构的优化，从早期的DC供电系统逐步向单相AC25kV系统演进，成为国际标准。
• 随着新能源的发展，轨道交通系统需适应新型电力系统的变革，实现更高效的能源利用与供电方式。

2. 再生制动能量利用与新能源接入需求

• 高速铁路的再生制动能量返送电网，存在经济性差与电能质量问题。
• 城轨系统因变流器单相特性，再生能量需通过电阻/闸瓦消耗、能馈技术或储能技术实现利用。
• “源-网-车-储”系统无法简化为传统“源-荷”模型，需采用多端口分析方法进行稳定性与保护控制研究。

3. 多场景再生制动能量利用方案

• 根据线路类型，将电气化铁路分为I类（普速铁路）、II类（枢纽型高速铁路）和III类（长大坡道重载铁路）。
• 提出多场景适用的再生制动能量利用方案，包括牵引变电所、分区所及多牵引所的协同利用策略。
• 基于负荷特性评估，优化再生制动能量利用与最大需量削减，提升系统经济性与运行效率。

4. 多对象高效能量管控策略

• 构建“系统级+设备级”分层协调控制架构，实现新能源与再生能量在铁路系统内的高效利用。
• 采用有功/无功联合优化方法，协调控制变流器、储能系统与新能源发电，确保能量的“能发尽发、能用尽用”。
• 引入主从控制策略，由RPC控制器主导电压稳定，储能控制器与新能源控制器配合实现功率跟踪与补偿。

5. 多端口稳定与保护控制

• 提出基于广义Nyquist准则的稳定性判别方法，实现宽频带振荡抑制与系统稳定性提升。
• 利用背靠背变流器实现有源阻尼补偿，有效抑制低频振荡。
• 设计“源-网-车-储”系统保护方案，根据故障类型与影响区域进行分级响应，实现“预警-设备-系统”多层级保护。

6. 技术验证与工程应用

• 通过仿真软件与30kW实验平台验证系统动态实时运行、控制算法及能量管理策略。
• 工程案例显示，再生制动储能系统可有效降低电费，提升系统收益。例如，SFG分区所配置后，A变电所总电费降低3.16%，B变电所降低2.94%。
• 项目已应用于多个铁路系统，包括JH铁路SJ变电所（超级电容储能）、DQ线SFG分区所（锂电池储能）等。

关键信息

• 研究团队：胡海涛、高仕斌、何正友，来自西南交通大学。
• 项目支持：参与了多个国家级、省市级及铁路局项目，包括国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家铁总项目等。
• 技术成果：
  • “源-网-车-储”一体化供电系统架构。
  • 多场景再生制动能量利用方案。
  • 有功/无功联合优化控制方法。
  • 多端口阻抗模型与稳定性分析方法。
  • “预警-设备-系统”多层次保护策略。
• 工程案例：
  • JH铁路SJ变电所：基于超级电容储能系统，实现再生制动能量高效利用。
  • DQ线SFG分区所：基于锂电池储能系统，实现需量削减与系统稳定。
• 经济性评估：
  • 再生制动储能系统在第5年实现正收益，全寿命周期预期总收益约3500万元。
  • 新能源接入与再生制动能量利用可有效降低系统电费，提升整体能效。

研究展望

• 推动“网-源-储-车”协同供能技术在极端供电条件下的应用，如山区铁路、超长大坡道线路等。
• 针对高坡度、高再生制动能量场景，研究适用于极端供电参数的协同供能技术，提升系统在故障条件下的生存能力。
• 推进轨道交通与能源互联网的深度融合，构建更加智能、安全、高效的新型供电系统。

结论

“源-网-车-储”供电技术是实现轨道交通低碳、绿色发展的重要路径，通过再生制动能量利用、新能源接入、多对象协同控制与多端口稳定分析，可有效提升系统能效、降低碳排放、增强电网稳定性与安全性。该技术体系已在多个工程案例中得到验证，并展现出良好的经济性与可行性，未来将在更广泛的轨道交通场景中推广应用。