有軌電車超級電容的電能管理

閆春樂 簡優宗

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有軌電車超級電容的電能管理

閆春樂 簡優宗

分析有軌電車中超級電容的電能管理，立足于實際應用的可行性和便捷性，研究系統的配置方案，給出超級電容各部分的電路拓撲和控制策略。最后依據超級電容本身的特點，分析車載電容器組的組合方式以及組合后整體耐壓與容值的變化特點。

有軌電車；超級電容；電能管理

0　引言

有軌電車是一種集約化的交通方式，但龐大的系統仍然使其躋身于城市能耗大戶的行列。有軌電車的網絡能耗具有可預測性、可調節性以及二次節能的特征，在降低能耗方面存在著巨大潛力[1~3]。

1　系統介紹

有軌電車在啟動過程中需要很大的啟動電流以產生啟動轉矩，在制動過程中為了快速準確的停靠在規定位置，必須采用電氣制動的方式。在制動過程中如果不能采用能量回饋的方式對制動能量回收，將產生極大的能源浪費，使整個車輛運行中的能源利用率極低，這在大力提倡節能環保的形勢下是不允許的。

要對制動能量進行回收，就必須要有儲能裝置，而目前常用的蓄電池、飛輪和超級電容等儲能裝置中，超級電容的功率密度、效率和壽命等均處于優勢地位，因此被各界廣泛采用[4~6]，以下就有軌電車中超級電容的電能管理方法進行分析。

2　超級電容配置方案

2.1充電方案

在有軌電車運行過程中，將超級電容裝載在列車上，利用超級電容正負極快接方式在列車靠近站臺的位置引出充電端子，在每個站臺都設置快速充電裝置，通過 2 根電纜與超級電容引出的快接接頭進行電氣連接，并將超級電容與充電裝置的連接狀態作為反饋信號送至快速充電裝置。當列車到站停穩后，工作人員將充電裝置的輸出電纜快接接頭接至超級電容正負端子的快接接頭上，充電裝置檢測到電氣回路接通后，即開始快速充電，當超級電容組電壓升到規定值或充電時間已經達到列車在該車站允許停留的時間時，充電裝置自動停止輸出，工作人員拔下充電裝置的快接接頭，列車充電完成。

2.2供電方案

超級電容組給列車動力系統供電是通過 1 個四象限變流器連接超級電容與驅動電機。在加速過程中，變流器將超級電容中儲存的直流電轉換為適合當前電機轉速的交流電供給驅動電機，電機將電能轉換為機械能，帶動列車前進。當列車即將進站時，列車減速運行進入制動狀態，將機械能轉換為電能，電機運行處于發電機狀態。此時，變流器將交流電整流為直流電送至超級電容。超級電容總體配置方案如圖 1 所示。

圖1　有軌電車超級電容總體配置方案

3　超級電容組的能量交換方案

3.1超級電容組的充電模式

3.1.1超級電容電氣特性

超級電容的電氣特性如下：

但到了人類問世、文明啟門，麻煩就接踵而至了。照現在的發展趨勢，地球生命的自斷生路或全盤滅絕，從天文尺度看，未必不是一件指日可待的事。

超級電容中儲存能量為：

其中，C 為超級電容組的等效電容；U 為電容組電壓；i 為充電電流；t 為開關導通時間；W 為電能。

依據式（1）可以看出，電容兩端電壓的變化率與電容兩端的電流成正比，即電流流入電壓正端時，電容電壓升高，體現為給電容充電；電流從正端流出時，電容電壓降低，體現為電容放電過程。式（2）給出了在電流作用下電容兩端電壓的變化情況，電流越大，同樣時間下電壓變化越大；在同樣電流下，持續時間越長，電壓變化越大。由式（3）可知，電容存儲能量與電容兩端電壓的平方成正比，為了增加儲存能量，就必須提高電容兩端的電壓。式（4）也定量給出了電容兩端電壓升高時能量變化量的大小。

因此，在充電過程中，若想給超級電容儲存更多的能量，一是要提供較大的充電電流，二是要維持足夠長的充電時間。

3.1.2BUCK電路

目前多采用斬波降壓（BUCK）電路，其拓撲結構如圖 2 所示。

圖2　BUCK 電路原理圖

該電路電壓方程如下：

BUCK 電路采用電流閉環、電壓限制的方式進行控制。通過高頻脈寬調制方式控制主控開關通斷的占空比 D，可準確控制輸出電流的大小，控制給超級電容充電的速度。其閉環控制方程如下：

BUCK 電路工作過程中能量變化如下：三相電源經二極管布控整流后輸出直流電壓，接入 BUCK 電路，在BUCK 電路的開關導通時，直流電壓流經電感給 BUCK電容充電，同時經快速接頭給超級電容供電。當 BUCK開關斷開時 BUCK 電容中儲存的能量釋放，經快速接頭供給超級電容，同時二極管起到續流作用，可避免在電感二端出現過電壓。由于采用高頻脈寬調制模式控制，輸出電壓電流諧波將會控制在很低的范圍內。

3.2超級電容組的供電模式

3.2.1PWM方式

超級電容與列車驅動系統之間的電氣連接要求能量能夠雙向流動，因此采用脈沖寬度調制（PWM）可控整流方式（圖3）。在列車啟動或者加速運行時超級電容的能量通過PWM整流器逆變輸出三相交流電供給驅動馬達。在列車減速的制動過程中電機作為發電機運行，其制動能量通過 PWM 整流器給超級電容充電，實現了能量回饋，在提高效率的同時也減小了由于機械制動增加的磨損問題。能量回饋如圖 4 所示[7]。

3.2.2SVPWM方式

三相橋臂都采用可控器件，逆變時電流流經上橋全控器件和下橋的反并聯二極管，整流時電流流經上橋二極管和下橋的全控器件。通過對全控器件的控制，可以控制電流的流向，目前常采用的控制方式是空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM）控制。其電壓方程如下：

圖3　PWM 電路示意圖

圖4　PWM 方式能量回饋示意圖

展開得：

其中，ed、eq、e0為電網側二相旋轉坐標系下 dqo 軸的電壓分量；id、iq、i0為二相旋轉坐標系下 dqo 軸的電流分量；vd、vq、v0為三相橋臂二相旋轉坐標系下 dqo 軸的電壓分量；R、L為回路等效電阻、電感；w 為交流電壓角速度；p 為微分算子。

可以看出，d、q 軸分量相互耦合，給控制器設計帶來困難，需要采用前饋解耦的控制策略，如果電流環用 PI 調節，則控制方程如下：

可以得到 dqo 坐標系下 PWM 整流器電流環的解耦框圖如圖 5 所示，該部分控制策略如圖 6 所示。

圖5　PWM 整流器電流內環解耦示意圖

圖6　能量回饋部分控制策略框圖

4　超級電容組的組成方式

超級電容有著單個電容電壓低、容值大的特點，一般單體電壓只有幾伏，容值則能達到上萬法拉。有軌電車在實際運營中所用的電壓較高，如廣東某項目實際電壓為 900V。因此，必須采用超級電容串聯的方式提高其供電電壓。但是電容的串聯會直接導致容值成比例的下降，需采用并聯的方式增大其容值，以便增大能量儲存能力。

設單體超級電容的耐壓值為 u0，容值為 c0，串聯數量為 m，并聯數量為 n，則該電容組的耐壓值和容值分別為：

該電容組電容數量 R 為：

5　結語

根據有軌電車的實際需求，提出了超級電容的系統配置方案，以及充放電電路拓撲結構、控制策略。據此設計的超級電容電能管理裝置在某有軌電車項目上順利投運，驗證了該方案的合理性和可行性。

[1] 朱青華，馮憲瑞. 基于超級電容原理的車載儲能裝置的應用分析[J]. 鐵道機車車輛，2013，33（3）：90-94.

[2] 侯偉，王文濤，鄢婉娟. 超級電容組在軌實驗設計與驗證[J]. 電源技術，2014，38（2）：310-314.

[3] 孟彥京，張商州，陳景文，等. 充電方式對超級電容能量效率的影響[J]. 電子器件，2014，37（1）：13-16.

[4] 朱波，樸學松，楊建宇. 超級電容儲能系統在軌道車輛的應用[J]. 鐵道機車車輛，2014，34（2）：74-77.

[5] 杜爽，左春桂. 超級電容混合動力汽車能量存儲技術發展研究[J]. 電源技術，2014，38（3）：589-595.

[6] 張莉，吳延平，李琛，等. 基于超級電容器儲能系統的均壓放電控制策略[J]. 電工技術學報，2014，29 （4）：329-333.

[7] 簡優宗. 風力發電變流技術研究[D]. 黑龍江哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

Super Capacitor Energy Management in Tram

Yan Chunle, Jian Youzong

The super capacitor electric energy management of the trams are analyzed based on the practical application feasibility and convenience, the paper makes study on the confi guration scheme of the system, and provides the circuit topology and control strategy of all parts of the super capacitor. In its fi nal part, the paper analyzes the confi guration structure scheme of tram capacitor group and characteristics of the overall pressure and the change of capacitance value after the confi guration based on the characteristics of the super capacitor. Keywords: tram, super capacitor, energy management

U264

閆春樂：國電南瑞科技股份有限公司，助理工程師，江蘇南京 211060

2015-09-30責任編輯 凌晨