超級電容儲能裝置在城市軌道交通中的應用

聶晶鑫，郭育華，夏 猛

0 引言

隨著石化資源的日益減少，環境和能源危機越來越威脅到人類未來的生存發展，節能減排的重要性逐漸得到了全世界的關注。隨著電力電子技術、電機調速和驅動控制技術的進步和發展，交流變頻調速系統已經廣泛應用于軌道交通領域。

變頻調速系統可以實現將機械能轉化為電能，即再生制動，使得一部分能量能夠回饋給電網，從而節約能源。目前的電力牽引系統廣泛使用該電制動方式，既回收了部分機械能，又減少了機械制動的損耗，減少了維護時間和費用。但是以目前的牽引網結構，如果同段線路上沒有列車消耗再生電能，牽引網電壓則會上升，可能影響供電系統安全運行，目前的解決辦法是用電阻消耗多余電能，以維持電壓穩定。在地鐵隧道中該方式會造成隧道內溫度升高，而且不能有效利用回收能量。因此，可以在地鐵直流供電系統中加入儲能環節，它在再生制動時吸收能量，避免浪費；在啟動或加速時提供部分功率支持，減少牽引網電壓波動[1，2]。

本文研究了超級電容的充放電特性和城市軌道交通的運行特點，選擇超級電容作為儲能介質，搭建軌道交通超級電容儲能系統，分析雙向直流變換器的工作過程，采用牽引直流側電壓作為能量控制策略依據，使超級電容儲能系統對直流系統電壓起到穩定作用。

1 超級電容儲能裝置及策略

城市軌道車輛在再生制動時，牽引直流側電壓升高，在啟動和加速時牽引直流側電壓降低，通過控制并接在直流側的雙向DC/DC 變換器，對超級電容充電放電，可以實現削峰平谷、平衡直流側電壓和能量回收再利用的作用。主電路拓撲結構如圖1 所示。

圖1 儲能系統主電路圖

2 超級電容

超級電容的特點有：循環壽命長，充放電循環次數可達50 萬次以上；功率密度大，約是鉛酸電池的20 倍，短時間大功率充放電能力強；充放電速度快，效率高，充放電周期損耗小于10%[3]。而城市軌道交通的特點是區間運行時間短，啟停頻繁，短時間電壓尖峰明顯。所以超級電容的特性恰好（或正好）滿足城市軌道交通儲能的需求，比其他儲能方式具有更好的性能匹配和更高的性價比。

超級電容的荷電狀態SOC（State of Charge）用以表示電池的電荷狀態，即充電的百分比程度

超級電容的荷電狀態僅與端電壓有關，所以充電狀態容易被檢測監控。

超級電容不能用一個電容器來準確描述，需要用一個復雜的電阻和非線性電容構成的網絡來描述。為了方便實現仿真驗證儲能器的功能，現將超級電容用一個近似的電容和電阻的串聯模型替代，如圖1 所示。

3 雙向DC/DC 變換器

系統采用了半橋型雙向DC/DC 變換器，拓撲結構如圖2 所示，超級電容接V2側，V1側接直流母線。該結構體積小、重量輕、器件少、成本低，由于沒有變壓器損耗，散熱少，工作效率也較高。

圖2 半橋型雙向DC/DC 變換器電路圖

3.1 充電模式

當電機減速制動時，超級電容器吸收回饋到直流母線的能量，此時雙向DC/DC 變換器工作在buck 模式。此時IGBT1 工作，電流流向超級電容側，在t＜ton時段IGBT1 導通充電，ton＜t 時段IGBT1 截止，二極管續流（圖3）。

圖3 DC/DC 變換器充電工作模式電路圖

3.2 放電模式

當電機啟動和加速時，電機需要較大功率，超級電容釋放電能提供功率支持，雙向DC/DC 變換器工作在boost 模式。此時IGBT2 工作，電流由超級電容流向直流側，在t＜ton時段IGBT2 導通，電容L 產生電流，ton＜t 時段IGBT2 截止，二極管續流，電流流向直流側（圖4）。

圖4 DC/DC 變換器放電工作模式電路圖

4 控制策略

控制主要目的是減小電壓波動，同時還要限制充放電電流，避免過大電流損壞器件。另一方面要將電池儲能量控制在一個合理狀態，既能提供一定功率輸出，也要留有一定的吸收能量空間。如果再生能量過多而無法完全吸收，還要投入耗能電阻輔助消耗電能。

直流母線側電流I 的變化能引起直流母線側電壓V 的變化，通過測量直流側電容電壓可以間接獲得負載功率的變化，因此將直流側電壓作為充放電控制策略的判斷依據。設定當直流側電壓小于V1時，牽引功率為正，列車正在啟動或加速，需要能量支持，超級電容器釋放能量，以保證直流母線電壓穩定。當直流側電壓大于V4時，牽引功率為負，有制動能量產生，此時儲能系統從直流側吸收能量，以保證直流母線電壓穩定。見圖5 所示。

圖5 能量控制策略圖

5 結束語

本文介紹了超級電容儲能裝置用于城市軌道交通系統中，可以使再生能量循環利用，并且保持直流電壓穩定。詳細說明了儲能裝置的工作原理，以及控制策略。

隨著超級電容產品的日益成熟，生產成本隨之下降，超級電容儲能裝置裝備在城市軌道系統中的性價比也開始凸現。加之對節能環保要求的提高，這一裝置會很快應用于城市軌道交通領域。

[1] 陳朗.超級電容在軌道交通系統中的應用[J].城市快軌交通，2008，（6）：76-79.

[2] 何曉光，張逸成.軌道交通超級電容能力回收控制系統設計[J].電氣自動化，2009，（5）：73-75.

[3] Cegnar E J， Hess H L，Johnson B K.A purely ultra -capacitor energy storage system hybrid electric vehicles utilizing a based DC-DC boost converter.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2004.Nineteenth Annual IEEE，2004，2: 1 160-1 164.

[4] 林渭勛.現代電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2006.