超级电容器技术助力发展都市交通系统 - 安防知识网

在先进的城市交通系统和轨道交通系统中，供电系统是确保运输工具稳定行驶的关键要素之一。现今新一代超级电容器已经运用在小汽车启停系统的电压稳定模块，城市混合动力大巴的能量回收系统以及轨道交通的能量回收系统之中，为城市交通的发展奠定基础。

　　列车在运行中会产生巨大的动能，但在停靠站台的制动减速过程中，该能量通常是通过制动电阻消耗浪费掉。一种节约能源的设计是将该部分制动能量反送至电网，供给其他负荷使用。但该方案的缺陷是反送的能量若过大，则有可能造成电网局部电压过高。

　　目前来说，最有效的解决方案是使用储能设备回收制动能量，然后在列车启动时，释放该能量用于列车加速。这不仅能有效节约能量，而且能避免列车在制动和加速过程中对电网造成冲击。这样的方案已经成功地应用到城市的地铁和轻轨系统，并逐渐推广。但在铁路系统，利用储能系统回收列车制动时的能量还是一个较新的技术。

　　在美国费城地区的铁路制动能量回收项目中，由锂电池和Maxwell的超级电容器组成的混合储能系统回收了制动时的能量用于列车加速，并将多余的储存能量供给所在区域的电力运营商，用于调节电网频率。这不仅提高了供电质量，对铁路运营商而言，还是额外的收入。

　　在添加了以静电而非化学方式储存电量的超级电容器之后，列车将能够在制动过程中采集更多能量。

　　Maxwell公司表示，当列车在刹车和加速时，时间短暂但功率很大。常规的电池满足不了大功率的运行需求。而这正是超级电容器的强项：它能大电流充放电，大功率运行。此外，若有频繁的列车启停，则要求用于能量回收的储能系统能够快速充放电，且充放电次数多，寿命长。和常规的通过化学反应产生和储存能量的电池不同，超级电容器的充放电过程是通过离子的移动而产生的，即是个物理过程。

　　这种独特的运作模式让超级电容器拥有更长的使用寿命，以Maxwell的超级电容器为例，其典型的充放电次数可达1百万次。此外静电场储能的机制使得它的充放电速度很快。也因此，超级电容器能满足当前大型都会区列车频繁启停的要求。

　　2002年，西门子曾采用Maxwell的单体用于其站上能量回收系统。目前该系统仍在欧洲的城市如西班牙的马德里和德国的德累斯顿安全稳定运行。西门子也采用Maxwell的超级电容器模块用于它的混合能量回收系统。该系统已于2008年在葡萄牙的里斯本运行，并将于2015年用于卡塔尔的多哈的轨道交通系统。除了西门子之外，庞巴迪，韩国的Woojin和美国的American Maglev等都采用Maxwell的超级电容器单体或模块用于他们的能量回收系统。中国的北车也采用Maxwell的模块用于沈阳的轻轨。

　　而ABB则是在美国费城地区的铁路能量回收项目上采用了Maxwell的产品。该公司表示，超级电容器的加入不仅使能量回收效率得以提升，而且延长了电池的使用寿命。此超级电容器和电池的混合能量回收系统能将SEPTA铁路车辆耗电量降低30%左右。此外，该系统还能使SEPTA为美国电力联营体(PJM Interconnection Network)提供频率调节服务。PJM是一个区域性输电机构，负责协调特拉华州、伊利诺伊州、印第安纳州、肯塔基州、马里兰州、密执安州、新泽西州、北卡罗莱纳州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州、田纳西州、弗吉尼亚州、西弗吉尼亚州和哥伦比亚特区全境或部分地区的电力批发业务。

　　ABB在费城的铁路制动能量回收项目不仅能够回收制动能量，而且还可支持快速电网频率调节，说明进一步稳定电网，提高供电质量。ABB公共交通运输储能业务总监Jacques Poulin表示，铁路能量回收系统是一种较新的技术。例如，奥斯陆地铁系统可以把制动能量回收传输到其网络中，但是铁路当局很少会采集和储存此类能量。费城项目在全球的独特之处就是电池和超级电容器组成的混合储能系统不仅回收储存制动能量用于列车加速，而且还能够为本地电网提供功率平衡服务。通过在本地把储能系统连接到调频市场，铁路公司便能够全天候利用回收的能量资源帮助电网进行调频，实现创收。

　　电网运营商需要维持供电与用电需求的平衡，以确保电网频率保持在小范围内波动。一般情况下是由热电厂为电网供电，以满足用电需求并保持适当频率。不过近年来，凭借其快速放电的优势，储能系统已经开始承担起频率调节的任务。

　　就SEPTA项目而言，现有储能系统能够在一秒钟内快速达到其1.5MW满载电量，而相比之下热电厂则需要几分钟时间。显然，快速反应的储能系统更有利于维持频率在正常运行范围。本地电网运营商PJM已经实施了美国联邦能源管理委员会的新指令，向能够提供快速调频服务的供货商支付更高费用。这让该储能系统获得了极富竞争力的经济效益。SEPTA现有储能系统每天可以回收1.5~2MWH的能量，这相当于成本是该系统两倍的太阳能系统的日供电量。SEPTA预计，其系统提供的电网调频服务每年能够创收15~20万美元。

　　Maxwell科技公司代理总裁兼CEO John Warwick则表示：“交通运输是世界上耗能最大的行业，具备节能降耗减排效应的系统的开发，将为超级电容器技术的长远发展创造巨大机遇。”