城軌車輛車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

成建國(guó) 吳松榮 張 一 郭世明 陳 靜

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城軌車輛車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

成建國(guó) 吳松榮 張 一 郭世明 陳 靜

摘 要：為了提高再生制動(dòng)能量利用率，同時(shí)抑制直流牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，研究了多種儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收技術(shù)。為了減少牽引網(wǎng)線路損耗，采用了車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置充放電自由切換的基礎(chǔ)上，有效保護(hù)儲(chǔ)能裝置。根據(jù)深圳地鐵線路參數(shù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)和減少牽引網(wǎng)線路損耗的功能。

關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)；車載式；儲(chǔ)能系統(tǒng)；控制策略；牽引網(wǎng)損耗

成建國(guó)：深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，廣東深圳518000

0　引言

在城市軌道交通中，直流牽引變電所通過(guò)降壓和整流裝置向列車供電。由于能量的單向流動(dòng)性，列車再生制動(dòng)能量返回電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)電壓升高。另一方面，地鐵列車耗電量和所需功率隨客流量變化較大，在早晚客流量高峰時(shí)，用電功率較大，而其余大多數(shù)時(shí)間，用電功率較小。但是牽引變電所必須按照最大需求功率設(shè)計(jì)，設(shè)備容量利用率不高。目前，再生制動(dòng)能量回收技術(shù)主要包括逆變回饋型和儲(chǔ)能型。由于儲(chǔ)能裝置不僅可以在列車制動(dòng)時(shí)吸收能量，而且在列車啟動(dòng)時(shí)提供功率支撐，降低變電所設(shè)備功率等級(jí)。因此，儲(chǔ)能技術(shù)成為再生制動(dòng)能量回收方式的首選［1］。

針對(duì)再生制動(dòng)能量回收問(wèn)題，本文對(duì)比了蓄電池、飛輪、超級(jí)電容3種儲(chǔ)能裝置，詳細(xì)闡述了各自優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)深圳某地鐵線路運(yùn)營(yíng)參數(shù)，研究了車載超級(jí)電容儲(chǔ)能方式和變換器控制策略。該方案不僅可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的循環(huán)利用，并且能減小牽引網(wǎng)線路損耗，降低變電所設(shè)備功率等級(jí)。

目前，儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量利用方式主要有蓄電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能。

1　儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收技術(shù)

列車再生制動(dòng)具有瞬時(shí)功率高，充放電頻繁切換等特征，要求儲(chǔ)能裝置具有功率密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1.1蓄電池儲(chǔ)能型

考慮到列車制動(dòng)功率較大，蓄電池多采用鎳氫電池和鋰電池，并且采用多個(gè)裝置并聯(lián)。例如日本川崎的 Gigacell?BPS［2］和法國(guó) Saft 的 Intensium Max［3］系列產(chǎn)品，吸收功率可以達(dá)到1 MW，容量可達(dá)100 kW·h以上。

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖1所示，蓄電池通過(guò)雙向DC/DC 變換器并聯(lián)在直流牽引供電網(wǎng)側(cè)，可以大幅度提高蓄電池容量利用率。同時(shí)，蓄電池的充放電電流得到控制，有利于蓄電池的保護(hù)［4］。

蓄電池儲(chǔ)能的主要缺點(diǎn)是充放電時(shí)間較長(zhǎng)，且壽命有限。鎳氫電池和鋰電池雖然循環(huán)壽命較長(zhǎng)，但是工作溫度范圍較窄，對(duì)工作環(huán)境要求較高。

1.2飛輪儲(chǔ)能型

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括逆變器、電機(jī)、軸承和飛輪等，原理如圖2所示。地鐵列車制動(dòng)時(shí)，電能通過(guò)逆變器和電機(jī)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，將制動(dòng)能量存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。在地鐵列車啟動(dòng)時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速下降，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。為了減小摩擦損耗，飛輪儲(chǔ)能裝置常置于真空環(huán)境中［5］。

圖1　蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

圖2　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

由于飛輪功率密度大，很適合需要頻繁制動(dòng)和啟動(dòng)的城市軌道交通場(chǎng)合。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在國(guó)外已有長(zhǎng)足的進(jìn)步，早在1988年，日本京濱高鐵采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收再生制動(dòng)能量，節(jié)能可達(dá)12%。此外，在美國(guó)紐約、德國(guó)漢諾威、中國(guó)香港均有相關(guān)應(yīng)用。在我國(guó)，僅在少數(shù)高校有相關(guān)學(xué)術(shù)研究，尚未有工程應(yīng)用，與國(guó)外相比差距較大。而造價(jià)較高、工作條件苛刻等缺陷一度限制了飛輪的應(yīng)用。

1.3超級(jí)電容儲(chǔ)能型

超級(jí)電容是容值可達(dá)數(shù)千法拉的電容器，其充放電過(guò)程無(wú)能量轉(zhuǎn)換，只涉及電能交換，效率很高，循環(huán)壽命長(zhǎng)［6］。超級(jí)電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收方式可分為車載式和地面式2種，原理如圖3所示。

為了維護(hù)方便，地面式儲(chǔ)能系統(tǒng)通常安裝在牽引變電所。由于接觸網(wǎng)存在阻抗，在列車牽引運(yùn)行時(shí)會(huì)造成接觸網(wǎng)線路損耗，而車載式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在車上，存儲(chǔ)制動(dòng)能量無(wú)需經(jīng)過(guò)接觸網(wǎng)，避免了接觸網(wǎng)線路損耗。車載儲(chǔ)能裝置容量配置僅需考慮列車自身制動(dòng)功率和能量，而地面式儲(chǔ)能裝置需要綜合考慮發(fā)車密度、供電區(qū)間長(zhǎng)度等因素，容量配置較為困難。

1.4應(yīng)用分析

由于地鐵站間距離短，列車一般運(yùn)行3 min 完成一次循環(huán)啟動(dòng)和制動(dòng)。儲(chǔ)能裝置需要在放電和充電模式之間頻繁切換，對(duì)循環(huán)壽命要求很高，并且制動(dòng)功率高達(dá)數(shù)兆瓦。因此，飛輪和超級(jí)電容更適合再生制動(dòng)場(chǎng)合。飛輪儲(chǔ)能對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高，從國(guó)外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，往往采用地面式安裝方案，可以避免機(jī)械振動(dòng)等對(duì)裝置的影響。基于上述因素，本文研究車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖3　超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

2　車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)及控制策略

為了分析車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，首先需要確定儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)能裝置除了滿足充放電等需求外，更重要的是對(duì)車上裝置的保護(hù)，防止儲(chǔ)能裝置造成過(guò)壓和過(guò)流等。

圖4　車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

2.1車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)原理如圖4所示，圖4a 中R 為斬波電阻，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)失效時(shí)投入工作，C 為機(jī)車濾波電容，單個(gè)超級(jí)電容模塊通過(guò)3通道雙向變換器與濾波電容并聯(lián)。pSub、pEDLC和pLoad分別為變電所輸出功率、儲(chǔ)能裝置功率和列車負(fù)載功率，功率流向與圖中方向一致。以4動(dòng)2拖編組列車為對(duì)象，采用4套超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，分別安裝在4節(jié)動(dòng)車上。

圖4b 為3通道雙向變換器，每個(gè)通道負(fù)擔(dān)1/3負(fù)載電流，可減小每個(gè)通道電流應(yīng)力。同時(shí)采用交錯(cuò)控制，可以減小電流紋波。

2.2儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

圖5所示為儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略框圖，制動(dòng)電阻在牽引網(wǎng)電壓超過(guò)1800 V 時(shí)投入使用。圖5a 所示為雙向變換器控制環(huán)，本文采用經(jīng)典的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制策略。vBusREF為給定電壓值，與 vBus誤差值經(jīng)過(guò)電壓控制器以及電流限幅器得到電流參考值 iEDLCREF。該參考值與超級(jí)電容充放電電流 iEDLC的差值經(jīng)過(guò)電流控制器補(bǔ)償，通過(guò)載波調(diào)制得到三相變換器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5　儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略框圖

為了將超級(jí)電容電壓控制在給定范圍［VEDLCMin，VEDLCMax］，超級(jí)電容充放電電流必須控制在一定范圍內(nèi)。當(dāng)超級(jí)電容端電壓接近上下限時(shí)，不能再對(duì)其進(jìn)行大電流充放電，而為了防止超級(jí)電容突然切除可能帶來(lái)的系統(tǒng)誤動(dòng)作，充放電電流不能瞬間給定為零。圖5b為超級(jí)電容電流限幅控制原理圖，根據(jù)相似三角形性質(zhì)，超級(jí)電容電流給定限幅值［IEDLCMin，IEDLCMax］ 由公式（1）、（2）給出［7］。

在公式（1）、（2）中，IEDLCRated為超級(jí)電容最大充放電電流，由超級(jí)電容自身參數(shù)決定，Δv 為等效內(nèi)阻引起的平均壓降。

當(dāng)超級(jí)電容電壓 vEDLCMea（t） 在區(qū)間［VEDLCMin+Δv ，VEDLCMax-Δv+］內(nèi)時(shí)，電流參考值 iEDLCREF被限制在區(qū)間［-IEDLCRated，IEDLCRated］。當(dāng)不在此電壓區(qū)間時(shí)，隨著超級(jí)電容電壓靠近給定范圍，電流參考值開(kāi)始線性減小。

考慮超級(jí)電容處于充電工作模式，假設(shè)超級(jí)電容最大工作電壓 VEDLCMax=1400 V，額定充電電流IEDLCRated= -3294 A，Δv =20 V。當(dāng)超級(jí)電容電壓小于1380 V 時(shí)，IEDLCMin= -3294 A，當(dāng)超級(jí)電容電壓為1390 V 時(shí)，IEDLCMin= -1647 A，當(dāng)超級(jí)電容電壓為1400 V 時(shí)，IEDLCMin= -0 A。同理可以分析超級(jí)電容放電時(shí)的情況。

3　儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

為了驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制策略的正確性，根據(jù)圖4車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖，基于 MATLAB/ Simulink 搭建了車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。針對(duì)深圳某地鐵線路進(jìn)行仿真，接觸網(wǎng)線路電抗在直流供電系統(tǒng)中一般為0.04 Ω/km、1 mH。假設(shè)列車位于某供電區(qū)間1/2處，根據(jù)地鐵A型車車輛參數(shù)及編組方式（4動(dòng)2拖），單臺(tái)電機(jī)額定功率為190 kVA，列車傳動(dòng)比為6.6875，車輪直徑為840 mm，以滿載、制動(dòng)初速度為60 km/h 進(jìn)行仿真。圖6所示為列車運(yùn)行功率及能耗圖，0～t1為列車啟動(dòng)階段，0～t2為列車牽引階段，t2～85 s 為列車制動(dòng)階段。

由圖6可知，列車牽引能耗約為12.27 kW·h、最大啟動(dòng)功率為4.7 MW，再生制動(dòng)能量約為11.16 kW·h，最大制動(dòng)功率為5.8 MW。列車牽引能耗與制動(dòng)能量比較接近，主要是由于該供電區(qū)間站間距離很短。因此，理論上儲(chǔ)能裝置可回收能量為11.5 kW·h。

為了盡量降低雙向變換器電流應(yīng)力，將超級(jí)電容工作電壓設(shè)計(jì)為［700 V，1400 V ］。根據(jù)超級(jí)電容能量計(jì)算公式 E =1/2×CU2，計(jì)算出超級(jí)電容容量約為55F。

圖6　列車運(yùn)行功率及能耗波形

4　仿真分析

假設(shè)超級(jí)電容初始電壓為1200 V，投入儲(chǔ)能裝置后超級(jí)電容電壓、功率以及儲(chǔ)能波形如圖7所示，由圖7可知，列車牽引時(shí)超級(jí)電容釋放能量，端電壓由1200 V 下降至700 V，最大輸出功率為3.5 MW，完全釋放能量7.26 kW·h；列車制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)存能量，端電壓由700 V 上升至1255 V，最大吸收功率4.5 MW，儲(chǔ)存能量大約為8.29 kW·h，約為再生制動(dòng)能量的74.02%。

圖7　超級(jí)電容電壓、功率、儲(chǔ)能變化波形

圖8所示為牽引網(wǎng)電壓、變電所輸出功率和牽引網(wǎng)線路損耗對(duì)比波形。由圖8可知，無(wú)儲(chǔ)能裝置情況下，列車啟動(dòng)時(shí)網(wǎng)壓會(huì)跌落至1300 V，變電所輸出功率最大4.8 MW，制動(dòng)工況下網(wǎng)壓會(huì)升高至1800 V，制動(dòng)電阻一直投入工作，牽引網(wǎng)線路損耗約為1.39 kW·h。

配置儲(chǔ)能裝置后，列車啟動(dòng)階段網(wǎng)壓跌落至1400 V，變電所最大輸出功率約為3.3 MW。制動(dòng)階段網(wǎng)壓最高1760 V，制動(dòng)電阻并未投入工作，牽引網(wǎng)線路損耗約為0.3 kW·h。

因此，配置儲(chǔ)能裝置可以在列車牽引時(shí)釋放能量，提供功率支撐，降低變電所輸出功率，同時(shí)緩解網(wǎng)壓跌落狀況；在列車制動(dòng)時(shí)吸收能量，防止網(wǎng)壓升高，可以取代制動(dòng)電阻。列車經(jīng)過(guò)牽引與制動(dòng)1次循環(huán)，可以減少牽引網(wǎng)線路損耗1.09 kW·h。

從上述分析可知，車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效利用列車再生制動(dòng)能量，且能抑制網(wǎng)壓波動(dòng)，減小牽引網(wǎng)線路損耗。

圖8　牽引網(wǎng)側(cè)電壓、變電所功率及線路損耗波形

5　結(jié)論

本文對(duì)比了多種儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量回收技術(shù)，車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)具有功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)某實(shí)際地鐵線路情況，確定了車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)，詳細(xì)闡述了雙向變換器控制策略。通過(guò)仿真研究，驗(yàn)證了車載式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)具有抑制網(wǎng)壓波動(dòng)、減小牽引網(wǎng)線路損耗和提高再生制動(dòng)能量利用率等功能。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on On-Board Supercapacitor Energy Storage System of Transit Vehicle

Cheng Jianguo, Wu Songrong, Zhang Yi, et al.

Abstract:In order to improve the utilization of regenerative braking energy, meanwhile to suppress DC traction network voltage fluctuation, the paper studies regenerative braking energy recovery technology on a variety of energy storage types. In order to reduce the traction network line loss, the vehicle uses on-board supercapacitor energy storage system. The paper describes the control strategy of the system based on automatic switching of the energy storage device for charging and discharging on the effective protection of the energy storage device. Carrying out the simulation based on the data of a metro line, it verifi es the system which has the function of control of traction network voltage fl uctuation and reduction of the loss of catenary line.

Keywords:regenerative braking, on-board, energy storage system, control strategy, catenary line loss

中圖分類號(hào)：U264.91+6∶U260.35+9

基金項(xiàng)目：廣東省省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B090500022）

收稿日期2015-12-23