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固定式超级电容器储能系统，以节省再生制动能量的地铁线
Reza Teymourfar *, Behzad Asaei, Hossein Iman-Eini, Razieh Nejati fard
（电气与计算机工程系，工程学院，德黑兰大学，德黑兰，伊朗学院）
文章资讯：
文章历史：
收到2011年6月6日
收到修订格式2011年11月22日
接受2011年11月23日
可在线2012年1月3日
摘要：在本文中，固定超级电容器被用于存储一个城域网络再生制动能量。为了估计所需的储能系统（ESS），德黑兰城域网络的第3行是通过一种新的方法建模，在峰和基于来自德黑兰地铁处获得的实际数据非高峰条件。提出了一种有用的方法来预测被施加ESS之前传递到每个站并且根据对于每个站ESS的结构确定的最大瞬时再生能量。最后，所提出的ESS的有效性是由经济评估和利益/德黑兰城域网的第3行成本分析来证实。
关键词：效益/成本分析，能量存储系统，地铁列车，再生制动，超级电容器
1，简介
近年来，能源在人类的生活中的重要作用。间的能量来源，化石燃料是发电的主要来源。然而，化石燃料会在不久的将来得到成品及该价格显着增加。此外，矿物燃料是污染的主要来源。因此，有必要研究关于其他能源，或者至少发现一些解决方案，以减少能源消耗。今天，超级电容器是在运输系统用作平均储存能量，并在短周期间隔[1-6]重复使用。在城域网络系统中，列车被加速并经常制动。因为，大部分的城域网络整流器的是单向的，再生制动能量不能返回到电源网络，它应该在制动电阻器被浪费或储存在能量存储系统。储存制动能量的一种方法是通过使用超级电容器。在这项研究中，提出了一种基于超级电容器的适当ESS的设计。
一个高效的能量储存系统不仅降低了能源消耗，而且它稳定了线路电压和降低峰值输入功率，从而在电力线[7,8]更低的损耗。地铁列车时，制动产生高瞬时电流。制动时间为约10-15 S，因此ESS力非常高，这是很难找到能够在这么几个时期存放这些高电流的方便ESS。超级电容器具有特殊功能，如长寿命，快速充电，内阻低，高功率密度，以及简单的充电方法[9,10]。这些特点使得超级电容器适于在城域网络线路的再生制动能量的回收。
在参考文献。 [11,12]，电气列车已被视为一个有用的公共交通，他们的效率可通过施加的ESS得以改善，然而，的ESS上浆和网络建模没有被讨论。在参考文献。 [13]，不同的机械和电气技术已经为了改善电气铁路系统的能量效率审查。一些研究已经完成有关在电气列车[14-19]板载ESS的优点。在地铁系统再生制动能量储存装置的优化已在文献被提出。的，但有报道[20]没有效益/成本的计算。此外，控制算法和ESS上浆尚未讨论。在参考文献。 [21-24]，静止ESS已应用于保存的再生能量在城域网络。静止ESS已经提出了在文献薄弱点的电压调节。 [25]。但是，所研究的地铁系统的驱动周期和特点一直没有彻底解释。此外，城域网络尚未建模和ESS大小的算法尚未出现。
在本文中，地铁供电网络和地铁列车使用的是从德黑兰线3条地铁办公室获得真实的数据建模。该模型显示地铁线，火车，静止的ESS和不可逆转变电站的行为。网络模型中模拟PSCAD软件的数字化仿真环境。相较于在参考文献以前提出的建模方法。[21-24]，该方法提供了一个良好的身体洞察网络模型。此外，它可以被容易地扩展。不同于[21-24]，它采用试错法找出具有最高节能的最佳ESS配置，在本文中，一种有效的方法，提出分析计算各站的最大瞬时可再生能源。然后，适当的ESS的配置，建议为每个站。不像透水的作品，在这项研究中，经济评价和效益/成本分析，对于所建议的ESS进行。
命名法：
齿轮箱效率
电机效率
逆变器效率
曲线半径
在加速度（米/秒2）
电价每焦耳美元
两站之间的总距离（公里）
每个站的再生能量
在每个站节能百分比
在（N M）的总阻力，
每1000米的水平距离的上升（M）
电价的年度通胀
在站#I再生电流
列车的再生或吸收的电流
电阻系数
超级电容器的寿命
在ESS的寿命时间（年）
每能量不变美元
车轴的数
的充电和放电周期数
列车的数目出入口到车站在一天
列车的瞬时功率
用于照明和空调所需的电力（冷却加热）
该站的瞬时功率
恒回报率
火车和最后出发站之间的电阻（欧姆 /公里）
火车和下一站之间的R00电阻（欧姆/公里）
曲线阻力
滚动阻力，期刊，法兰和空气阻力在具有电机货车总和
等级性
滚动阻力，期刊，凸缘和空气阻力在不具有马达的货车的总和
在转换器所需的投资
从可再生能源占利润总额在l年在车站
投资超级电容器成本
充电电容状态
列车速度（公里/小时）
电容电压
线直流母线电压
站直流母线电压
站#i的电压
站#i的电压是多少 1
I路站 1的电压
站（I，I 1）之间的电阻
站之间的电阻（ⅰ，1，i）的
在每个周期的站的最大再生能源
该站每年可再生能源
在列车的总重量（TN）
每个重货车在（TN）
在每一个时间步长的火车和最后一个离开车站之间的距离
2，案例研究
这项研究被施加到线路3德黑兰城域网络。线的总长度约为33公里。据德黑兰西南部连接到它的东北部有26个车站
2.1假设
(1)用于这项研究的驱动周期是基于实际测量和被证明在图1.该图显示了前10个站和站1和2之间的驱动周期的细节的速度循环。
(2)在加速期间的最大速度为70公里/小时，最大加速度为1米/秒2。
(3)线参数和在模拟中使用的不同组件的效率分别在表1和2中给出。牵引电动机是3相，380伏，180千瓦交流电动机配备有交流驱动
2.2网络模式
地铁模型包括火车，单向变电站，储能系统（ESS），并且示于图连接线。2.每个变电站由串联连接的6 MX/ km的电阻的理想直流电压源建模。轨道线通过不断的电阻建模。由于列车在两个站之间移动，火车和相应的站之间的电阻被建模随时间变化的电阻R0和R00如下：
其中，R0是在火车和最后出发站（Omega;/公里）之间的电阻，和R00是火车和下一站（Omega; /公里）之间的电阻。 K表示该电阻系数是0.033（Omega;/公里），d是两个相邻的站（公里）之间的距离，而x（t）是在每个时间步骤中的火车和最后出发站之间的距离。因为列车的流动性，因此电阻的变化，网络的模型是随时间变化的。在PSCAD环境，电阻器的值可以在模拟过程中改变。因此，在本文中，电阻器的值是在每个时间步更新，根据（1）和（2）。此过程提供了案例研究一个良好的物理洞察力和精确的模型。网络模型包括第一10个站的线路3作为整个线的样本。此外，一些站的不具有整流但它们具有固定的ESS，例如站7。此外，在非高峰期间的进展（两列之间的间隔）是5分钟，这意味着制动或供给能量的循环重复在每个站，每5分钟。在高峰时段，发车间隔为2.5分钟。表3和表4示范列车离开的时间向前和非高峰期返回ATH。阴影细胞（选择的时间）是在所研究的持续时间（9：13：49-9：18：49）。由于可以从表3和4中，在指定的时间持续期间中可以看出，有在正向通路四列火车，并在返回路径四列火车。在同一个表可以得出为高峰期，但在这种模式下，八列车在向前路径和八个列车在返回路径。
图1.列车的速度周期（一）10个站的速度 - 时间图，（B）站1和2梯度和弯道信息之间的速度循环的细节。
表格1
行参数。
变电站直流母线电压（V）750
铁路电阻（MOmega;/公里）33
变电站内部电阻（MOmega; /公里）6
表2
组件效率。
变速箱效率97（％）
马达效率90（％）
马达驱动效率95（％）
DC / DC转换效率95（％）
图2.城域网络建模
表3
在前进的道路3号线列车时间表
表4
在返回路径中的3号线列车时间表
2.3火车模型
火车由在再生时在加速时间绘制有功功率或提供有功功率一个受控电流源建模。来计算列车功率，电阻力由在文献中提出的公式进行计算。 [26]。瞬时功率的列车（再生或消耗功率），即，铂由以下等式确定：
在上述等式中，铂是在（W）Pa为用于照明和空调（冷却或加热），它是351千瓦所需的功率，重量是带着乘客列车中（TN）的总质量（考虑5每平方米75千克每个乘客的重量）者，一个是在（米/秒2），Fr是总电阻中的力（N）的加速度。滚动阻力，期刊，凸缘和空气阻力的总和表示为RL在其中具有马达的车辆，并表示为在其余车箱的RV。此外，Rc表示曲线阻力和R代表绩阻力。在上述等式中，WW是旅行车中（TN）的重量，n是车轴的数目，V是在（公里/小时）的速度，q是在（米）的曲线半径，h是每个上升在（M）千米水平距离。在这项研究中，WW，重量和n是252.4，354，28，分别。在案例研究，q为大约300微米，每1000米的水平距离的上升在表5中列出。
效率g，效率m和效率i是齿轮箱的效率，电机效率和逆变器的效率，分别。因此，在火车上，即，它可以由下面的等式来计算的瞬时电流（再生或绘制电流）：
其中，VL是线的直流电压。用于建模的列车行为，它是根据（3）和（9）来计算。然后，该值被用作受控电流源哪些模型火车行为的基准。例如，如果一个列车站1和站2之间移动，一个受控电流源被置于这两个站和轨道之间的电阻是分两部分，即，R0和R00。然后，电阻的值和电流源根据更新（1），（2），（3）和（9），在每个时间步骤。
2.4储能系统模型
ESS的模型包括超级电容器，DC / DC变换器，并且示于图潮流控制器。3.在充电时间中，超级电容器将从列车接收的再生电力和放电时间期间，它们将提供电源给列车。因此，ESS由受控电流源在与超级电容器串联建模。超级电容器本身是由一个理想的电容器和一系列内部电阻建模。功率流控制器将命令直流/直流转换器充电或放电的超级电容器。其工作原理与潮流控制器的详细信息可在[24]中找到。还值得一提的是，当超级电容器充电到自己最大的能力，多余的能量就会在安装在货车车顶制动电阻消散。
表5
每1000米的水平距离的上升，在前进的道路站之间
图3.固定ESS模式。
3.模拟
在这一部分，有几个模拟，在以前部分中描述的案例进行。该软件PSCAD用于执行侦查。
3.1非高峰期
在站#I（IR）再生电流取决于列车再生电流（IT），站＃I（VSI），站i的电压的电压1（VSI-1），站i中 1（VSI 1）如下的电压，
其中Ralpha;1和Ri 1代表站之间和分别，线路电阻（ⅰ，1，i）的第（i 1 I）。
在非高峰期，案例分析进行了模拟和相应的再生电流（针对不同站）导出并演示图4.可以看出，站8具有6.5千安的最高再生峰值电流。此外，每个站的再生能量（ER）是通过下列公式计算，并在图5中示出。
其中，Vs是站的电压和集成的间隔进展。可以看出，在再生能量从178兆瓦/年在站1在站8站1接收的最小的再生能量，因为它具有最小流量变化到3554兆瓦/年。此外，还有它背后没有车站，而且只从明年站接收能量。
节能（ES）每个站的比例也由以下方程定义，
其中，ED是每一站的进展期间应用ESS前的耗能。为ES的计算相应的结果示于图。6，在那里它假定地铁线路被操作每天17小时。结果表明，每年的能源节省是在站1和44％6％之间变化在站8。
图4在非高峰期不同的站再生电流
图5.每年再生能源在非高峰时段各站
图6.每年在非高峰期节能百分比各站。
3.2旺季
在这种模式下，对于不同的站对应的再生电流如图7.再次站8有6千安的最大峰值电流。在高峰时期最大再生峰值电流比非高峰期大部分站点更低。由于在高峰期，目前在其加速相邻站多趟列车，当火车刹车车站#I。这一事件导致了车站我更高的电压降？1和i 1，因此，根据（10），在非高峰期间的峰值电流通常比高峰期水平。不同的站的再生能量被确定并在图证明。8.结果显示，在高峰期，该站8具有5900兆瓦，每年最高可再生能源和站1具有533兆瓦的最低可再生能源。
图9显示在案例研究不同站的节能效果。在这种模式下，能量节省从10％在站1在站8变化到42％随着再生能量的增加，能源消耗也由于较高的流量增加。因此，没有在高峰期和非高峰期的节能效果显着的差别。
图7在高峰期不同站的再生电流
图8每年的可再生能源在高峰期每站
图9能量的百分比在高峰期每年节省的每一站
4.建议ESS配置
这已被建议用于ESS结构的双向转换器的结构
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