沈陽渾南現代有軌電車超級電容器儲能裝置的設計及驗證*

曾桂珍 曾潤忠

(華東交通大學軌道交通學院,330013,南昌∥第一作者,副教授)

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沈陽渾南現代有軌電車超級電容器儲能裝置的設計及驗證*

曾桂珍 曾潤忠

(華東交通大學軌道交通學院,330013,南昌∥第一作者,副教授)

介紹了基于超級電容器技術的用于沈陽渾南現代有軌電車的儲能裝置,并根據車輛應用要求,對儲能裝置所需能量進行了計算。通過對計算結果的分析及主要部件參數的計算,設計了一套用于車載的超級電容儲能裝置;并對儲能裝置所用超級電容器在所需工況下的電壓、電流等輸出及輸入參數進行了仿真驗證,證明了計算結果正確、計算方法滿足現代有軌電車儲能裝置的設計要求

現代有軌電車; 超級電容器; 儲能系統

Author′s address School of Track Traffic,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

城市軌道交通(以下簡為“城軌”)架空接觸網或第三軌供電方式導致城軌車輛必須采用封閉的或專用的線路,地鐵車輛可以在隧道、地面或高架上運營,而現代有軌電車采用地面軌道線路,一般采用架空接觸網的供電方式,因此不僅影響城市的景觀環境，而且還會加大供電系統檢修維護的裝置安全難度。

為滿足現代有軌電車線路無架空接觸網區域的需要,采用車載儲能裝置。安裝在列車上的儲能裝置的制動電流通路比安裝在地面儲能裝置的制動電流通路要短得多,線電壓的波動范圍也比地面儲能裝置小。而且使車載儲能裝置充電的閥值電壓較低,可有效地減少電能的損耗。由此可見,車載儲能裝置統在節能、減少電網峰值功率和穩定線網電壓方面有明顯的優點。并且可持車載儲能吸收裝置看作一個能量來源,在與外部供電的情況下,可以短時間為列車提供能量,從而可省去部分架空接觸網,這是新型城軌車輛發展的目標和方向。

1 超級電容器能量分析

現代有軌電城軌車輛在正常運行過程中,主要分為牽引和制動兩種工況。沈陽渾南新區現代有軌電車項目中,超級電容器裝置主要用于車輛通過無受電網區域。車輛在無受電網區域內,會經歷牽引—恒速—制動過程,而牽引過程就是車輛的牽引系統克服車輛各種阻力進行加速的過程。車載超級電容器裝置的能量必須克服車輛啟動及運行過程中的各種阻力,才能實現車輛的加速過程。車輛在正常運行過程中,需要克服的阻力包括:車輛啟動阻力、基本運行阻力、彎道阻力、坡道阻力等。而車輛加速過程中,超級電容器裝置還需要為車輛的速度變化提供相應的能量。

按照設計要求,車載超級電容器裝置能使車輛在線路中運行1 km,其中包含30‰坡度的坡道長100 m及2次車輛啟動過程。在無架空接觸網區域通過時，車輛限制速度為20 km/h。

在有接觸網區域內,車輛在牽引工況時,超級電容器信者能裝置用于提供牽引時的瞬時能量,以減少車輛對接觸網的能量需求。

車輛在恒速工況時,超級電容器儲能裝置提供能量供車輛克服車輛的基本運行阻力,以維持相應速度的運行。

車輛在進行制動工況時,超級電容器信儲能裝置可吸收牽引逆變器再生制動的能量。

2 超級電容器能量計算方法

當列車在無架空接觸網區域處于牽引狀態時，需要超級電容器提供能量。超級電容器的能量主要是為車輛通過無架空接觸網區域時使用。因此下面僅對列車通過無受電區時，超級電容器能量能否滿足牽引工況需求進行分析和計算。

牽引工況下，超級電容器能量主要保證車輛克服各種阻力以及車速變化的能量需求。現通過能量需求分析,進行超級電容器的總能量計算。

2.1 車輛起動阻力

車輛在起動時,需要克服車輛慣性等阻力,通常認為車輛速度在3 km/h以下時車輛處于起動過程中。車輛起動過程中的阻力

(1)

式中:

R起——車輛起動阻力,N；

m——車輛質量,kg;

g——重力加速度,m/s2。

在起動過程中,車輛按照一定加速度a從速度為零加速到v起(為3 km/h),則該過程中，車輛的能量需求為克服起動阻力,此時牽引力恒定。在起動過程中車輛的運行距離為

(2)

則可得到車輛起動過程所需要的能量

W起=R起×S起

(3)

2.2 車輛運行基本阻力

車輛速度提高至3 km/h以上時,車輛進入到正常運行狀態。按照設計要求,車輛在無架空接觸網區域內限制速度為20 km/h。根據項目牽引電機的特性曲線設計,車輛速度在20 km/h以下時,其加速度是恒定的,據此，車輛基本阻力能耗計算過程如下。

+(0.046+0.006 5(N-1)Av2)]

(4)

式中：

R阻—車輛運行基本阻力，N；

m——車輛質量，kg；

n——車輛輪軸數量，個；

v——車輛速度，km/h；

N——車輛數量，輛；

A——車輛橫截面積，m2。

車輛加速過程所需的時間

(5)

則車輛運行基本阻力的能耗為

[0.046+0.006 5(N-1)A(3.6 at)2)]adt

(6)

2.3 坡道阻力

車輛在通過坡道時,受到坡道的阻力,需要超級電容器釋放能量來克服坡道阻力。

坡道阻力R坡是根據車輛質量和坡道的坡度i計算得到的,即

(7)

車輛通過坡道需要的能量為

W坡=R坡×S坡

(8)

式中：

S坡——通過的坡道長度。

2.4 曲線阻力

車輛通過曲線時受到曲線阻力,需要超級電容器釋放能量來克服曲線阻力。

曲線阻力R曲是根據車輛重量和曲線直徑D計算得到的。

(9)

車輛通過曲線需要的能量

W曲=R曲×S曲

(10)

式中：

S曲——車輛通過的曲線長度。

2.5 車輛動能變化引起的能量

車輛速度從0增加到20 km/h,其動能在整個加速過程中出現了變化,該能量也是由超級電容器提供的。因此車輛動能變化所需的能量

(11)

2.6 恒速過程中的阻力能量

車輛在恒速運行過程中,整個車輛的基本運行阻力為恒定值,因此所需要維持車輛恒速過程的能量為：

W行=R阻20×(S-S加-S制)

(12)

式中：

R阻20——車輛20 km/h運行時的運行阻力；

S——車輛運行的距離；

S加——車輛加速運行的距離；

S制——車輛制動運行法距離。

在車輛整個運行過程中,需要消耗能量的就是以上6項。車輛在制動過程中是不消耗超級電容器能量的,并需要超級電容器對再生制動產生的能量進行回收。在項目設計中再生制動能量通過DC/DC(直流/直流)變換裝置回收到超級電容器上進行儲存,對于多余的能量,可以通過制動電阻進行消耗。

3 車載超級電容器的配置方式

與蓄電池存在最佳工作區域不同,超級電容器沒有最佳工作區域,因此在設計超級電容器組時,可有較大的裕量存在。超級電容器組的設計需要遵循以下3個原則:

(1) 超級電容器組的最大電壓應該低于空載時直流母線的電壓UDC。這樣在超級電容器處于放電過程中時,DC/DC變流器工作在Boost狀態。若是超級電容器的電壓過低,在Boost控制時對控制過程中的占空比要求很高。因此在設計雙向DC/DC變流器過程中,為了留有足夠的裕量,超級電容器的最大工作電壓Usc,max應該滿足式(13)的約束關系。

Usc，max≤UDC

(13)

(2) 超級電容器的端電壓變化范圍為最大電壓的50%～100%。這樣，對于超級電容器來說能夠使用的能量為存儲能量的75%左右,而這個變化范圍也被定義成超級電容器SOC(充電狀態)的變化范圍,即滿足式(14)的約束。

0.5Usc，max≤Usc≤Usc，max

(14)

(3) 列車正常工作狀態下超級電容器的能量需要滿足上述所需耗能的要求,并且需要考慮車載設備體積和質量的限制。

依照上述的設計原則,設計總能量為Esc的超級電容,電容值應能滿足式(15)和(16)的要求：

(15)

Usc,min=0.5Usc,max

(16)

超級電容器的串聯數x和并聯數y可由式(17)和(18)表示。

(17)

(18)

式中：

Csc_cell——超級電容器單體電壓。

4 超級電容器參數及配置

在項目中,根據車輛能量和超級電容器的配置計算,最終選擇采用48 V、165 F超級電容器模組,采用12串4并的方式,將超級電容器進行組合。整車超級電容器組具備1.6 kWh的能量。超級電容器組的主要參數如表1所示。

表1 超級電容器組的參數

5 超級電容器組的應用過程分析及仿真驗證

(1) 無架空接觸網區域的特性為:線路長633 m;停車1次;1個彎道,其曲線半徑為35 m、曲線長度為69 m;坡度最大為3.5‰。

(2) 無架空接觸區域內的車輛參數:車輛輪徑為620 mm;車輛載重以最大61.9 t計算;最大速度為20 km/h;車輛牽引力為84 kN，牽引功率為294 kW；所有輔助系統均被關閉,不消耗能量；控制系統采用車輛蓄電池供電。

仿真模擬時,將車輛看做具有一定牽引和制動特性面可以進行運動的點,通過對其進在一定線路情況下的行動力學特性仿真模擬,可以得到一次停站的車輛運情況仿真結果，如圖1～圖4所示。

由以上圖1到圖4可見,在車輛運行過程中,消耗能量較大的部分是車輛起動過程；而超級電容器輸出電流較大的部分也是在車輛起動過程,在制動過程中,進行能量回收,可以維持車輛更長距離的運行。

圖1 車輛速度時間曲線圖

圖2 車輛功率時間曲線圖

圖3 超級電容器電壓時間曲線

圖4 超級電容器電流時間曲線

如果要求車輛進行多次停車,則通過同樣的仿真模擬,以驗證超級電容器是否可以滿足要求(詳見圖5～圖8)。

圖5 車輛速度時間曲線圖

圖6 車輛功率時間曲線圖

圖7 超級電容器電壓時間曲線

圖8 超級電容器電流時間曲線

6 超級電容器儲能裝置的地面試驗驗證

基于裝置地面試驗平臺,對超級電容器的充放電性能進行試驗測試。

(1) 恒流充電條件下，超級電容器的電壓和電流波形見圖9。

圖9 恒流充電條件下超級電容器的電壓和電流波形

(2) DC/DC變流器輸出750 V時，放電狀態下DC/DC變流器輸出電壓、電流波形和超級電容器輸出電壓、電流波形見圖10。

圖10 750 V恒壓輸出狀態下DC/DC變流器和超級電容器的電壓、電流波形

通過試驗驗證可以看出,項目選用的超級電容器組滿足最初的設計要求,能量計算過程正確,可以支持車輛通過無架空接觸網區域,并滿足相關性能要求。

7 結語

本文通過對現代有軌電車用的超級電容器儲能裝置進行分析,總結并提出了現代有軌電車所需能量的計算方法,并通過實際案例,進行了超級電容器的選取和配置。通過仿真和地面試驗驗證,證明了計算結果的正確,該計算方法可滿足現代有軌電車儲能裝置的設計要求。

[1] 饒忠.列車牽引計算[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[2] 沈忠紅.廣州地鐵車輛故障診斷系統[J].機車電傳動,2000(4):26.

[3] 黃采倫,樊曉平,陳特放.列車故障在線診斷技術及應用[M].北京:國防工業出版社,2006.

[4] 王迅.城市軌道交通車載超級電容儲能系統控制策略的研究[D].北京:北京交通大學,2010.

[5] 王雪迪.基于城市軌道交通車輛的超級電容儲能系統的研究 [D].北京:北京交通大學,2008.

[6] 黃厚明.基于超級電容的軌道車輛制動能量回收系統的研究[D].上海:上海交通大學,2009.

[7] 鄧文豪.城市軌道交通地面型超級電容儲能系統關鍵技術的研究 [D].北京:中國鐵道科學研究院,2010.

Design and Validation of Light Rail Vehicle with Energy Storage System in Shenyang Hunnan DistrictZENG Guizhen, ZENG Runzhong

The modern LRV running in Shenyang Hunnan District that based on super capacitor energy storage technology is described. According to the vehicle application requirements, the energy of this storage system is calculated. Through an analysis of the calculation results and the calculation of main component parameters, a set of super capacitor energy storage system is designed, the parameters of required voltage, current output and input of the energy storage system that adopts the super capacitor are simulated and verified. The result shows the calculation is correct, it could meet the requirements of energy storage for modern LRV.

light rail vehicle(LRV); super capacitor; energy storage system

*華東交通大學校立科研基金資助(15GD07)

U 482.103

10.16037/j.1007-869x.2016.05.016

2015-01-07)