城軌車輛車載式超級電容儲能系統研究

成建國 吳松榮 張 一 郭世明 陳 靜

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城軌車輛車載式超級電容儲能系統研究

成建國 吳松榮 張 一 郭世明 陳 靜

摘 要：為了提高再生制動能量利用率，同時抑制直流牽引網電壓波動，研究了多種儲能型再生制動能量回收技術。為了減少牽引網線路損耗，采用了車載式超級電容儲能系統。詳細闡述了車載式超級電容儲能系統控制策略，在實現儲能裝置充放電自由切換的基礎上，有效保護儲能裝置。根據深圳地鐵線路參數進行仿真，驗證了該系統具有抑制牽引網電壓波動和減少牽引網線路損耗的功能。

關鍵詞：再生制動；車載式；儲能系統；控制策略；牽引網損耗

成建國：深圳市地鐵集團有限公司，高級工程師，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降壓和整流裝置向列車供電。由于能量的單向流動性，列車再生制動能量返回電網會導致牽引網電壓升高。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，用電功率較大，而其余大多數時間，用電功率較小。但是牽引變電所必須按照最大需求功率設計，設備容量利用率不高。目前，再生制動能量回收技術主要包括逆變回饋型和儲能型。由于儲能裝置不僅可以在列車制動時吸收能量，而且在列車啟動時提供功率支撐，降低變電所設備功率等級。因此，儲能技術成為再生制動能量回收方式的首選［1］。

針對再生制動能量回收問題，本文對比了蓄電池、飛輪、超級電容3種儲能裝置，詳細闡述了各自優缺點。根據深圳某地鐵線路運營參數，研究了車載超級電容儲能方式和變換器控制策略。該方案不僅可實現再生制動能量的循環利用，并且能減小牽引網線路損耗，降低變電所設備功率等級。

目前，儲能型再生制動能量利用方式主要有蓄電池儲能、飛輪儲能和超級電容儲能。

1　儲能型再生制動能量回收技術

列車再生制動具有瞬時功率高，充放電頻繁切換等特征，要求儲能裝置具有功率密度大，循環壽命長等特點。

1.1蓄電池儲能型

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

蓄電池儲能系統原理如圖1所示，蓄電池通過雙向DC/DC 變換器并聯在直流牽引供電網側，可以大幅度提高蓄電池容量利用率。同時，蓄電池的充放電電流得到控制，有利于蓄電池的保護［4］。

蓄電池儲能的主要缺點是充放電時間較長，且壽命有限。鎳氫電池和鋰電池雖然循環壽命較長，但是工作溫度范圍較窄，對工作環境要求較高。

1.2飛輪儲能型

飛輪儲能系統主要包括逆變器、電機、軸承和飛輪等，原理如圖2所示。地鐵列車制動時，電能通過逆變器和電機轉化為動能，電機轉子通過軸承帶動飛輪旋轉，將制動能量存儲在高速旋轉的飛輪中。在地鐵列車啟動時，飛輪轉速下降，動能轉化為電能。為了減小摩擦損耗，飛輪儲能裝置常置于真空環境中［5］。

圖1　蓄電池儲能系統原理圖

圖2　飛輪儲能系統原理圖

由于飛輪功率密度大，很適合需要頻繁制動和啟動的城市軌道交通場合。飛輪儲能系統在國外已有長足的進步，早在1988年，日本京濱高鐵采用飛輪儲能系統吸收再生制動能量，節能可達12%。此外，在美國紐約、德國漢諾威、中國香港均有相關應用。在我國，僅在少數高校有相關學術研究，尚未有工程應用，與國外相比差距較大。而造價較高、工作條件苛刻等缺陷一度限制了飛輪的應用。

1.3超級電容儲能型

超級電容是容值可達數千法拉的電容器，其充放電過程無能量轉換，只涉及電能交換，效率很高，循環壽命長［6］。超級電容儲能型再生制動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。

為了維護方便，地面式儲能系統通常安裝在牽引變電所。由于接觸網存在阻抗，在列車牽引運行時會造成接觸網線路損耗，而車載式儲能系統安裝在車上，存儲制動能量無需經過接觸網，避免了接觸網線路損耗。車載儲能裝置容量配置僅需考慮列車自身制動功率和能量，而地面式儲能裝置需要綜合考慮發車密度、供電區間長度等因素，容量配置較為困難。

1.4應用分析

由于地鐵站間距離短，列車一般運行3 min 完成一次循環啟動和制動。儲能裝置需要在放電和充電模式之間頻繁切換，對循環壽命要求很高，并且制動功率高達數兆瓦。因此，飛輪和超級電容更適合再生制動場合。飛輪儲能對運行環境要求較高，從國外應用經驗來看，往往采用地面式安裝方案，可以避免機械振動等對裝置的影響。基于上述因素，本文研究車載超級電容儲能系統。

圖3　超級電容儲能系統原理圖

2　車載式超級電容儲能系統及控制策略

為了分析車載式超級電容儲能裝置，首先需要確定儲能系統結構。儲能裝置除了滿足充放電等需求外，更重要的是對車上裝置的保護，防止儲能裝置造成過壓和過流等。

圖4　車載式超級電容儲能系統原理圖

2.1車載式超級電容儲能系統

車載式超級電容儲能系統原理如圖4所示，圖4a 中R 為斬波電阻，當儲能系統失效時投入工作，C 為機車濾波電容，單個超級電容模塊通過3通道雙向變換器與濾波電容并聯。pSub、pEDLC和pLoad分別為變電所輸出功率、儲能裝置功率和列車負載功率，功率流向與圖中方向一致。以4動2拖編組列車為對象，采用4套超級電容儲能系統，分別安裝在4節動車上。

圖4b 為3通道雙向變換器，每個通道負擔1/3負載電流，可減小每個通道電流應力。同時采用交錯控制，可以減小電流紋波。

2.2儲能系統控制策略

圖5所示為儲能系統控制策略框圖，制動電阻在牽引網電壓超過1800 V 時投入使用。圖5a 所示為雙向變換器控制環，本文采用經典的電壓外環、電流內環控制策略。vBusREF為給定電壓值，與 vBus誤差值經過電壓控制器以及電流限幅器得到電流參考值 iEDLCREF。該參考值與超級電容充放電電流 iEDLC的差值經過電流控制器補償，通過載波調制得到三相變換器驅動信號。

圖5　儲能系統控制策略框圖

為了將超級電容電壓控制在給定范圍［VEDLCMin，VEDLCMax］，超級電容充放電電流必須控制在一定范圍內。當超級電容端電壓接近上下限時，不能再對其進行大電流充放電，而為了防止超級電容突然切除可能帶來的系統誤動作，充放電電流不能瞬間給定為零。圖5b為超級電容電流限幅控制原理圖，根據相似三角形性質，超級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為超級電容最大充放電電流，由超級電容自身參數決定，Δv 為等效內阻引起的平均壓降。

當超級電容電壓 vEDLCMea（t） 在區間［VEDLCMin+Δv ，VEDLCMax-Δv+］內時，電流參考值 iEDLCREF被限制在區間［-IEDLCRated，IEDLCRated］。當不在此電壓區間時，隨著超級電容電壓靠近給定范圍，電流參考值開始線性減小。

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

3　儲能系統容量配置

為了驗證儲能系統和控制策略的正確性，根據圖4車載式超級電容儲能系統原理圖，基于 MATLAB/ Simulink 搭建了車載式超級電容儲能系統。針對深圳某地鐵線路進行仿真，接觸網線路電抗在直流供電系統中一般為0.04 Ω/km、1 mH。假設列車位于某供電區間1/2處，根據地鐵A型車車輛參數及編組方式（4動2拖），單臺電機額定功率為190 kVA，列車傳動比為6.6875，車輪直徑為840 mm，以滿載、制動初速度為60 km/h 進行仿真。圖6所示為列車運行功率及能耗圖，0～t1為列車啟動階段，0～t2為列車牽引階段，t2～85 s 為列車制動階段。

由圖6可知，列車牽引能耗約為12.27 kW·h、最大啟動功率為4.7 MW，再生制動能量約為11.16 kW·h，最大制動功率為5.8 MW。列車牽引能耗與制動能量比較接近，主要是由于該供電區間站間距離很短。因此，理論上儲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力，將超級電容工作電壓設計為［700 V，1400 V ］。根據超級電容能量計算公式 E =1/2×CU2，計算出超級電容容量約為55F。

圖6　列車運行功率及能耗波形

4　仿真分析

假設超級電容初始電壓為1200 V，投入儲能裝置后超級電容電壓、功率以及儲能波形如圖7所示，由圖7可知，列車牽引時超級電容釋放能量，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；列車制動時超級電容儲存能量，端電壓由700 V 上升至1255 V，最大吸收功率4.5 MW，儲存能量大約為8.29 kW·h，約為再生制動能量的74.02%。

圖7　超級電容電壓、功率、儲能變化波形

圖8所示為牽引網電壓、變電所輸出功率和牽引網線路損耗對比波形。由圖8可知，無儲能裝置情況下，列車啟動時網壓會跌落至1300 V，變電所輸出功率最大4.8 MW，制動工況下網壓會升高至1800 V，制動電阻一直投入工作，牽引網線路損耗約為1.39 kW·h。

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

因此，配置儲能裝置可以在列車牽引時釋放能量，提供功率支撐，降低變電所輸出功率，同時緩解網壓跌落狀況；在列車制動時吸收能量，防止網壓升高，可以取代制動電阻。列車經過牽引與制動1次循環，可以減少牽引網線路損耗1.09 kW·h。

從上述分析可知，車載式超級電容儲能系統可有效利用列車再生制動能量，且能抑制網壓波動，減小牽引網線路損耗。

圖8　牽引網側電壓、變電所功率及線路損耗波形

5　結論

本文對比了多種儲能型再生制動能量回收技術，車載式超級電容儲能系統具有功率密度高，循環壽命長等優勢。根據某實際地鐵線路情況，確定了車載式超級電容儲能系統參數，詳細闡述了雙向變換器控制策略。通過仿真研究，驗證了車載式超級電容儲能系統具有抑制網壓波動、減小牽引網線路損耗和提高再生制動能量利用率等功能。

參考文獻

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責任編輯 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：U264.91+6∶U260.35+9

基金項目：廣東省省部產學研結合項目（2012B090500022）

收稿日期2015-12-23