城市軌道交通新型車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制*

成建國(guó)張 一文小龍

（1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，518000，深圳；2.深圳市華力特電氣股份有限公司，518000，深圳∥第一作者，碩士研究生）

城市軌道交通新型車載儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制*

成建國(guó)1張 一1文小龍2

（1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，518000，深圳；2.深圳市華力特電氣股份有限公司，518000，深圳∥第一作者，碩士研究生）

在分析傳統(tǒng)地面集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用超級(jí)電容可儲(chǔ)存大電量、快速充放電等特點(diǎn)，研制替代列車制動(dòng)電阻的新型車載儲(chǔ)能裝置。該裝置包括一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。一次系統(tǒng)主要由斷路器、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）及電容器組等組成。二次系統(tǒng)主要為控制器，對(duì)升降壓模塊的IGBT進(jìn)行控制以及計(jì)算等。該裝置能有效減少軌道交通列車牽引能耗，減少列車制動(dòng)熱量散發(fā)，降低隧道溫升，達(dá)到節(jié)能減排的效果，同時(shí)可降低列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。

城市軌道交通；列車制動(dòng)電阻；車載儲(chǔ)能系統(tǒng)

First-author's address Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，518000，Shenzhen，China

城市軌道交通列車一般采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)（部分列車采用液壓制動(dòng)或磁軌制動(dòng)替代空氣制動(dòng)）。其中，電制動(dòng)又分為再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)。城市軌道交通列車制動(dòng)過(guò)程中，優(yōu)先采用再生制動(dòng)［1］，當(dāng)再生制動(dòng)能量不能被接觸網(wǎng)或地面儲(chǔ)能裝置吸收時(shí)，啟動(dòng)電阻制動(dòng)。

電阻制動(dòng)主要是將電能轉(zhuǎn)換成熱能，并通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式消耗掉。城市軌道交通列車在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)電制動(dòng)相當(dāng)頻繁，電阻制動(dòng)消耗的能量日積月累，是一個(gè)非常可觀的數(shù)字。根據(jù)測(cè)算，上海軌道交通2號(hào)線北新涇站至咸寧路站，一般情況下每列車制動(dòng)電阻每天消耗的能量總和為10.8 k Wh［2］。上海軌道交通2號(hào)線共有30個(gè)站，初步估算，制動(dòng)電阻一年消耗的能量約為11.8×104k Wh，消耗電費(fèi)為10.6萬(wàn)元（按工業(yè)用電0.9元/k Wh計(jì)算）。

本文闡述了一種新的能量?jī)?chǔ)存及利用裝置，其能吸收列車電阻制動(dòng)中消耗的能量，可用來(lái)替代列車制動(dòng)電阻。當(dāng)列車實(shí)施電阻制動(dòng)時(shí)，該裝置吸收能量；當(dāng)列車牽引時(shí)，其釋放能量。

1　電阻制動(dòng)能量吸收方案研究

傳統(tǒng)的制動(dòng)儲(chǔ)能裝置，是在牽引變電站設(shè)置集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)，直接利用接觸網(wǎng)或接觸軌作為媒介，通過(guò)判斷接觸網(wǎng)或接觸軌直流電壓進(jìn)行充放電。其原理框圖如圖1所示。

圖1　傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置原理框圖

傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的優(yōu)點(diǎn)是判斷依據(jù)簡(jiǎn)單，原理相對(duì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是不能完全吸收電制動(dòng)過(guò)程的能量，同時(shí)需要制動(dòng)電阻配合，增加了車輛負(fù)擔(dān)。

本文闡述的新型儲(chǔ)能裝置可完全取代制動(dòng)電阻，完全吸收電制動(dòng)能量，該裝置原理框圖如圖2所示。

圖2　新型儲(chǔ)能裝置原理框圖

新型車載儲(chǔ)能裝置從牽引單元原連接制動(dòng)電阻處接入，通過(guò)直流降壓模塊，將電阻制動(dòng)的能量吸收，然后通過(guò)直流升壓模塊，將儲(chǔ)存的能量釋放給接觸網(wǎng)，供本車輛或鄰近車輛牽引驅(qū)動(dòng)使用。

根據(jù)測(cè)算，上海軌道交通2號(hào)線高峰時(shí)段通過(guò)北新涇站至咸寧路站時(shí)，制動(dòng)電阻消耗的能量為0.124 kWh［2］。如果可通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)存列車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)電阻消耗的能量，在列車牽引時(shí)將能量釋放，日積月累，將會(huì)節(jié)約大量的能量，降低列車運(yùn)營(yíng)成本。

2　新型車載儲(chǔ)能裝置的原理及組成

根據(jù)廣州地鐵1號(hào)線列車能耗分析［3］，在行車高峰期及低峰期，單個(gè)制動(dòng)電阻消耗的能量大部分介于0.1～1.0kWh之間。由于列車原有制動(dòng)電阻質(zhì)量約為380kg，綜合超級(jí)電容質(zhì)量及容量考慮，本裝置選用1.0kWh作為超級(jí)電容最大可循環(huán)使用容量。這樣，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置的質(zhì)量約為400kg，與原有列車制動(dòng)電阻質(zhì)量相當(dāng)，不會(huì)給列車運(yùn)行增加額外的負(fù)擔(dān)。

新型車載儲(chǔ)能裝置包括一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。其中，一次系統(tǒng)主要包括斷路器、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）及電容器組；二次系統(tǒng)主要為控制器，對(duì)升降壓模塊的IGBT進(jìn)行控制以及算法計(jì)算等。其詳細(xì)原理圖如圖3所示。

該裝置由連接單元、轉(zhuǎn)換單元、電容器組及控制器等組成。

連接單元包括：

·S1、F0：正常充電連接回路；

·K1、F1、R1：預(yù)充電連接回路；

·S2：放電回路斷路器；

·D0、D3：二極管，防止反向輸入；

·L2：平波電抗器。

轉(zhuǎn)換單元包括：

·V1、V2、L1：直流升降壓回路。

電容器組包括：

·Cbank：超級(jí)電容器組；

·V3、R2：超級(jí)電容組完全放電回路。

控制器：對(duì)一次系統(tǒng)的IGBT進(jìn)行控制，并監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，提供溫度、充放電電流以及狀態(tài)指示等。

圖3　新型車載儲(chǔ)能裝置原理圖

連接單元與轉(zhuǎn)換單元組成一路buck/boost電路，列車制動(dòng)時(shí)，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓升高到DC1800V時(shí)，DC1800V通過(guò)直流降壓電路轉(zhuǎn)換成超級(jí)電容組電壓；列車牽引時(shí)，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓低于DC 1600V時(shí)，電容組電壓通過(guò)直流升壓電路升至DC 1600V，供給接觸網(wǎng)。

目前市場(chǎng)上常用的超級(jí)電容模塊為48V，165F。設(shè)V1為超級(jí)電容充滿后電壓，V2為超級(jí)電容放電后電壓。由于超級(jí)電容電能可以完全釋放，V2理論上可以為0V，但基于充放電電流及超級(jí)電容使用壽命考慮，V2取值為600V，V1取值為1152V。則根據(jù)電容能量公式），需要24個(gè)超級(jí)電容模塊，可循環(huán)充放電能量為1.05 kWh。

參考列車制動(dòng)電阻電流，本裝置充放電額定電流為200 A。

3　控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)

控制器（CPU）采用TI公司的DSP芯片TMS320F28335。TMS320F28335是一款高性能的數(shù)字信號(hào)控制器，最高頻率為150 MHz，帶浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能滿足車載式儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)算控制需要。

控制器的硬件框圖如圖4所示。控制器包括充放電控制、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、風(fēng)冷控制、信號(hào)指示及通信等。

圖4　控制器硬件框圖

控制器軟件部分采用TI DSP/BIOS5.X實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。DSP/BIOS5.X為TI公司提供的免費(fèi)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。軟件總體框架如圖5所示。

圖5　軟件總體框架圖

由于采樣、模擬量計(jì)算、控制輸出、HMI（人機(jī)界面）、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等子任務(wù)均為常規(guī)任務(wù)，故本文只對(duì)充放電控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。充放電任務(wù)流程框圖如圖6所示。

圖6　充放電控制子任務(wù)流程

4　裝置樣機(jī)

在深圳市地鐵集團(tuán)有限公司院士工作站的框架下，與西南交通大學(xué)簽訂了該項(xiàng)目的技術(shù)咨詢合同，為該新型車載儲(chǔ)能裝置的研制提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。根據(jù)該裝置的軟硬件原理，已研制出了控制器PCB（印刷線路板）、直流升降壓系統(tǒng)等；經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，已采購(gòu)超級(jí)電容組。目前樣機(jī)已組裝好，待經(jīng)過(guò)各種測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證合格后，將安裝上地鐵列車進(jìn)行應(yīng)用考核。樣機(jī)控制器見(jiàn)圖7。

圖7　控制器

5　結(jié)語(yǔ)

本文闡述了一種新型的城市軌道交通列車制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置。該裝置可有效利用目前列車電阻制動(dòng)消耗掉的能量，可完全替代列車制動(dòng)電阻。使用該裝置后，城市軌道交通列車可取消（替代）制動(dòng)電阻（如在既有列車上進(jìn)行改造，則無(wú)需改變既有列車的安裝結(jié)構(gòu)），能有效減少列車牽引能耗，減少列車制動(dòng)熱量散發(fā)，降低隧道溫升，達(dá)到節(jié)能減排的效果，同時(shí)可降低列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。

［1］ 楊峰.地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)淺析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2009（4）：29.

［2］ 方宇，堯輝明，楊儉.上海城市軌道交通2號(hào)線車輛電阻制動(dòng)能耗計(jì)算［J］.城市軌道交通研究，2010（8）：25.

［3］ 劉寶林.地鐵列車能耗分析.［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2007（4）：65.

［4］ 曾先光，徐志榮，奚華峰.DC 1 500 V供電的城市軌道交通車輛超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)分析［J］.城市軌道交通研究，2013（10）：87.

Development of New On-board Energy Storage System for Urban Rail Transit

Cheng Jianguo，Zhang Yi，Wen Xiaolong

Abstract Based on an analysis of the traditional centralized ground energy storage system，and the super capacitor featuring large amount of power storage，quick charge and discharge，a new on-board energy storage device is developed in place of train braking resistor.This device is composed of primary system and secondary system.The primary system mainly consists of CB，IGBT（insulated gate bipolar transistor）and capacitor bank，while the secondary system mainly includes controllers，which control IGBT of step up/down modules and calculate algorithms，etc.This device can effectively reduce the traction energy consumption of rail transit trains and metro braking heat dissipation，decrease temperature rise in culvert for the effect of energy conservation and emission reduction.As a result，the device can save the actual operating cost of trains with good practical value.

urban rail tranist；train braking resistor；onboard energy storage system

U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2015.07.022

2013-10-27）

*省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B090500022，由廣東省人民政府、教育部、科技部、工業(yè)和信息化部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院在深圳市地鐵集團(tuán)有限公司成立的院士工作站支持）