基于城軌超級電容儲能系統

伍雨彬 蔡苗苗

摘要：超級電容被廣泛應用于交通運偷、工業、新能源及裝備等其他領域，隨著新能源的大力發展，在城軌領域，軌道交通環保、節能的優點已越來越受到重視，大力發展軌道公共交通已成為世界各國的共識。超級電容與二次電池相比具有循環壽命長、充放電為物理變化、對環境無污染、功率密度高、SOC檢測容易等優點，超級電容將成為未來軌道交通領域中儲能元件的一個重要選擇。

關鍵詞：軌道交通;超級電容;儲能系統

1 引言

在城軌交通運營中，現代城軌列車普遍采用再生制動的方式將能量回饋到接觸網，而這些能量除了被直流電網吸收和按一定比例被其他相鄰列車吸收利用外，剩余能量主要被車輛的制動電阻以發熱的方式消耗點或被線路上的裝置吸收，在城軌交通中，采用超級電容儲能裝置對城軌交通供電系統進行抑制網壓波動和回收制動能量，大大提高了城軌系統能量利用率，實現節能環保，促進可持續發展。

2 超級電容

超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量，其容量比通常的電容器大得多。

超級電容器結構上的具體細節依賴于對超級電容器的應用和使用。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。

3 城軌超級電容儲能系統

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。城軌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，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。

4 含車載超級電容的城軌列車運行系統

含車載超級電容的城軌列車運行系統分牽引制動系統和超級電容儲能系統兩部分。超級電容儲能系統與列車的牽引制動系統并聯連接，并獨立控制。超級電容儲能系統由雙向DC/DC變換器和超級電容器組兩部分組成。當列車牽引/制動時，超級電容儲能系統釋放/吸收系統能量。該系統中包括I₁電網電流，I_d為列車所需要的電流，I_s為儲能系統的輸出電流。則滿足：I_d=I₁+I_s。

雙向DC/DC變換器可分為隔離式和非隔離式兩種。非隔離式器件少、效率高、控制簡單，而且，非隔離式雙向DC/DC變換器可實現雙象限運行，即變換器兩端電壓方向不變，但電流方向可以改變，在功能上相當于Boost變換器和Buck變換器的組合。這些特點非常符合車載超級電容儲能系統的工作特點，故選擇非隔離式變換器。非隔離式儲能裝置結構圖儲能裝置的工作狀態有3種：充電狀態、放電狀態和保持狀態。用PWM方式控制開關管的T₁、T₂導通與關斷。當開關管T₁導通T₂關斷時，T2反并聯二極管續流，雙向DC-DC變換器工作在Buck電路狀態，即儲能裝置工作在充電狀態;當開關管T₂導通T₁關斷時，T₁反并聯二極管續流，雙向DC-DC變換器工作在Boost電路狀態，即儲能裝置工作在放電狀態;當開關管T₁和T₂都處于關斷狀態時，雙向DC-DC變換器停止工作，儲能裝置處于備用保持狀態。儲能裝置連續不斷地在上面三種狀態之間切換，避免了直流電網電壓的大范圍波動，起到了節能和穩壓的作用。

4.1 超級電容儲能系統方案設計步驟

超級電容儲能系統由直流電源BMS主控制器、BMS子控制器、傳感器、執行器和多個超級電容組構成。方案需要完成的內容有：編寫輸入輸出對照表，繪制功能流程圖，用編程軟件在電腦上進行軟件仿真，在實驗室與電腦相連，進行系統仿真，調試，觀察按鍵，制動按鈕等功能是否得以實現，根據實際情況進行調試，直到系統完全正常為止。

5 結束語

隨著科學技術的猛速發展，我國在鐵路機車制造業基礎上，通過技術引進、消化吸收、自主創新，在新型供電制式與車載儲能技術等關鍵領域取得突破，形成了目前的新型儲能式軌道車輛。本文針對列車制動過程中電阻吸收制動能量的缺點，引入超級電容儲能裝置。該裝置將電容組存儲制動時產生的能量供列車加速使用，這樣不僅節約能源、減少污染，還能改善電網供電品質。將超級電容儲能系統應用到城市交通車輛上，這對節能和環保具有重要意義。

參考文獻

[1]成建國，吳松榮，張一，郭世明，陳靜.城軌車輛車載式超級電容儲能系統研究[J].現代城市軌道交通，2016，（02）：7-11.

[2]馬麗潔，廖文江，高宗余.城軌列車車載超級電容儲能控制策略研究[J].電工技術學報，2015，30（S1）：63-68.

[3]趙亞杰，夏歡，王俊興，楊中平，林飛.基于動態閾值調節的城軌交通超級電容儲能系統控制策略研究[J].電工技術學報，2015，30（14）：427-433.