1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量的儲存利用

付志飛

近年來，我國城市交通發(fā)展迅速，且為人們的出行提供了較大的便利。隨著低碳環(huán)保型城市建設(shè)目標(biāo)的制定與實(shí)施，城軌系統(tǒng)中再生制動能量的儲存與轉(zhuǎn)換已成為當(dāng)前城市建設(shè)中的重點(diǎn)工作。本文以1500V城軌系統(tǒng)的再生制動能量儲存利用作為研究對象，通過分析實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)再生制動能量儲存裝置的基本原理，進(jìn)而對1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量的儲存與利用方法展開了深入研究。

【關(guān)鍵詞】1500V城軌系統(tǒng) 再生制動能量 儲存利用

作為城市交通的重要組成部分，城軌系統(tǒng)的運(yùn)行情況不僅關(guān)系著其交通的建設(shè)情況，而且對于節(jié)約環(huán)保型城市的建立也具有重要的影響。本文通過對1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存裝置的特點(diǎn)及其基本原理展開研究，進(jìn)而對裝置的控制策略以及裝置內(nèi)各個模塊功能的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量存儲裝置簡述

1.1 1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量的儲存裝置特點(diǎn)

1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存裝置的特點(diǎn)為：以裝置吸收的制動能量得以充分利用為目標(biāo)，在利用儲能模塊優(yōu)化技術(shù)與能量管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，降低城軌系統(tǒng)母線電壓的波動，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化車輛電制動的效果。

1.2 再生制動能量儲存裝置的基本原理

當(dāng)城軌系統(tǒng)中的地鐵車輛處于再生制動的工作情況時，其所產(chǎn)生的再生制動能量并不能完全被本車的用電設(shè)備及系統(tǒng)中的其他車輛所吸收，進(jìn)而使得系統(tǒng)母線電壓快速升高。而此時，系統(tǒng)線路中的1500V（超級電容）再生制動能量儲存裝置則會將多余的能量吸收，在對超級電容進(jìn)行充電的情況下，使得裝置將系統(tǒng)多余的電能轉(zhuǎn)化為電容的電場能并將其儲存，從而達(dá)到控制系統(tǒng)母線線壓、最大限度發(fā)揮車輛電制動性能的目的。

此外，在電能的利用方面，當(dāng)1500V城軌系統(tǒng)的供電區(qū)間內(nèi)有車輛啟動或部分車輛具有供電需求時，超級電容在升壓斬波放電的情況下，可以將其內(nèi)部的電場能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而將電容存儲的電能進(jìn)行釋放，回饋給直流母線以滿足相關(guān)電力需求。

2 1500V城軌系統(tǒng)再生制動裝置能量儲存的實(shí)現(xiàn)

2.1裝置模塊的設(shè)置及其特點(diǎn)

1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存裝置的模塊包括了超級電容模塊、電阻吸收模塊、蓄電池模塊以及逆變模塊。其中超級電容模塊的特點(diǎn)是：功率密度較高、充放電時間較短，且具有控制簡單和環(huán)保等優(yōu)良特性，但模塊的單體耐壓較低，若單獨(dú)使用并不能滿足城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存利用裝置的電壓與能量等級的要求。所以，根據(jù)其特點(diǎn)可知，在使用超級電容時，需要視情況進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)使用。超級電容吸收或釋放的總能量E=C（U22- U12），其中 與 分別表示裝置在整個充放電過程中母線電壓的最低值與最高值，C表示超級電容器組。電阻吸收模塊在整個再生制動能量儲存裝置中的作用是補(bǔ)充上述超級電容儲存模塊對母線降壓的不足，即當(dāng)電容模塊對母線的降壓未達(dá)到制動能量儲存的標(biāo)準(zhǔn)或電容器組出現(xiàn)內(nèi)部故障時，電阻吸收模塊則會將母線電壓穩(wěn)定在U1—U2 之間，進(jìn)而確保地鐵車輛可以有效利用電制動。

1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存裝置儲存并利用電壓的過程為：超級電容器持續(xù)充電使得電容電壓高于系統(tǒng)的蓄電池電壓時，超級電容則會自動對蓄電池進(jìn)行充電，而上述電壓轉(zhuǎn)移的過程中則會使得直流母線的電壓持續(xù)升高，此時，蓄電池將會和電容一同吸收城軌系統(tǒng)的多余能量；而當(dāng)超級電容放電使得直流母線電壓降低時候，則電容電壓要低于裝置內(nèi)蓄電池的電壓，此時，蓄電池則會對電容進(jìn)行充電，即蓄電池一起將儲存的電能回饋給城軌系統(tǒng)的電網(wǎng)中，使先前制動產(chǎn)生的多余能量得到充分利用。由此可見，上述過程對蓄電池本身的要求較高，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，蓄電池應(yīng)該選用放電性能較好的鋰電池。

逆變模塊的工作過程為整流電路、平波電流以及控制電路和逆變電路，其主要作用就是借助能量管理技術(shù)，將蓄電池中儲存的制動電能轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的工頻交流電能，并將其供給城軌系統(tǒng)中的部分負(fù)載，例如站內(nèi)的照明、空調(diào)和風(fēng)機(jī)等。

2.2裝置的控制策略

2.2.1雙向變換器的控制

雙向變換器就是在保持輸入或輸出電壓穩(wěn)定的情況下，根據(jù)系統(tǒng)用電的具體要求改變電流的方向，進(jìn)而達(dá)到雙向性電流運(yùn)行的目的。1500V城軌系統(tǒng)中的雙向變換器的工作模式主要分為如下四種：

（1）初始充電模式，即以恒流模式對初始階段電容值為零時的超級電容進(jìn)行充電，使超級電容具備滿足裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的電壓深度。

（2）充電模式，即當(dāng)直流母線的電壓持續(xù)升高到城軌系統(tǒng)容納電壓的上限 時，超級電容開始運(yùn)作，直接從直流母線吸收能量。

（3）放電模式，即直流母線電壓下降到系統(tǒng)下線電壓 時，超級電容則開始運(yùn)作，開始向直流母線釋放能量。

（4）被有保持模式。當(dāng)直流母線的電壓處于裝置放電模式與充電模式電壓之間時（U1—U2 ），利用電流與電壓雙閉環(huán)控制的降壓和升壓電路對超級電容的內(nèi)部電壓進(jìn)行微調(diào)，從而使電壓值維持在裝置所設(shè)定的電壓深度。

2.2.2超級電容的控制

根據(jù)2.2.1中雙向變換器的變換控制可知，超級電容的控制模塊主要具有三種工作狀態(tài)，分別為微調(diào)、放電和充電。微調(diào)、放電和充電根據(jù)城軌系統(tǒng)電網(wǎng)電壓的變化進(jìn)行協(xié)調(diào)并互相轉(zhuǎn)化，使得裝置對電網(wǎng)電壓的優(yōu)化性能得到了充分改善。

3 結(jié)論

本文通過對1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存裝置的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化與儲存的基本原理進(jìn)行闡述，在對裝置的超級電容模塊、電阻吸收模塊、蓄電池模塊以及逆變模塊等各模塊功能實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)而對裝置的控制策略做出了具體分析。可見，未來加強(qiáng)對1500V城軌系統(tǒng)再生制動能量儲存與利用方法的研究力度，對于建設(shè)節(jié)約環(huán)保型城市并促進(jìn)我國城市交通發(fā)展具有重要的歷史作用和現(xiàn)實(shí)意義。

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作者單位

武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院 湖北省武漢市 430072endprint