超級電容儲能型現代有軌電車供電系統設計要點分析*

胡 斌

(中國鐵路設計集團有限公司 ,300142,天津//工程師)

1 現代有軌電車供電技術概述

現代有軌電車供電制式可分為傳統架空接觸網供電方式和新型無網供電方式兩種。架空接觸網供電方式具有技術成熟、造價低廉、應用廣泛等優勢，但其景觀效果差，對凈空要求高，在城市中心設置很不美觀。新型無網供電方式不再在車輛上方架設接觸網，從而避免了上述缺點，是未來有軌電車供電制式的發展趨勢。無網供電系統按照車輛授流方式的不同又可分為地面供電方式和儲能元件供電方式。

常見的地面供電方式分為地面嵌入式接觸軌供電(APS)、電磁吸附式地面牽引供電(Tramwave)和電磁感應式牽引供電(Primove)[1-3]。這3種地面供電方式均為國外廠商專有技術，技術引進可能性小，且全套設備采購成本高，后期運營維護受供貨商制約，工程應用可靠性較低，造價高昂。以我國現在的技術水平和實際情況，地面牽引供電方式目前尚不具備在有軌電車領域大面積推廣的條件。

儲能元件供電方式根據儲能元件的不同，大致可分為蓄電池供電方式、超級電容供電方式和飛輪儲能供電方式3種。其中，現代有軌電車的運行特點與超級電容特性具有良好的匹配性。

超級電容是新型儲能元器件的代表，目前在工業生產多個領域均有應用。超級電容具有很多優點[4-5]，如充放電速度快、循環壽命長、充放電電流大、能量轉換效率高、內阻小、功率密度高,以及充放電過程無化學反應、無污染等。本文從主要影響因素、外部電源、牽引負荷特性、主接線形式及運行方式等方面，對超級電容儲能型現代有軌電車供電系統的設計要點進行深入分析。

2 供電系統設計要點分析

現代有軌電車供電系統設計是整個有軌電車設計的重要環節，由于車輛受電方式的變化，其供電系統的設計與傳統接觸網方式有較大區別。

2.1 主要影響因素

不同于傳統城市軌道交通(以下簡為“城軌”)車輛(動態負荷)，超級電容儲能型現代有軌電車是在各個車站內，通過整流機組及充電裝置變換出車輛需要的電壓、電流，并在短時間內(通常利用車輛停站時間，不超過30 s)向儲能元件充電，獲取下一區間車輛運行所需的電能。所以，此種車輛受流形式為靜態負荷。圖1為兩種牽引供電制式的對比示意圖。

a) 傳統架空接觸網牽引供電方式

b) 無網牽引供電方式

從圖1建立的模型分析可知，對于傳統的城軌供電系統設計，主要的設計影響因素為牽引負荷計算、牽引網電壓水平計算及走行軌對地電位計算等。而完成上述計算，應具備以下基本計算條件[6-7]：

(1)線路資料：線路長度、坡度、車站數量、站間距等；

(2)行車資料：運行交路、車輛編組、高峰小時發車對數、發車時間、停站時間等；

(3)列車資料：列車電流曲線、列車速度曲線和列車時間曲線等；

(4)牽引網資料：接觸網和走行軌的單位阻抗等；

(5)電壓參數：牽引變電所空載電壓、牽引網額定電壓等。

對于超級電容儲能型現代有軌電車無網供電系統設計，除上述影響因素外，還應完成超級電容充放電功率計算、儲能量計算以及車輛續航里程計算等。這些計算除需上述計算條件外，還應具備：

(1)超級電容參數：單體容量、電壓、電流、模組串并聯數等；

(2)平交路口資料：車輛路權方式，全線平交路口數量、位置，交通組織方式等；

(3)充電裝置資料：設備額定功率、電壓電流等級、運行方式等。

2.2 外部電源選擇

目前，我國城市電網對軌道交通的供電方式一般可歸納為主變電所集中供電和開閉所相對分散供電兩種。

主變電所集中供電方式的主要優點在于調度管理方便、易實現軌道交通的資源共享。但電源點難以引入、運維成本高、工程實施難度大、工程投資巨大是其不可避免的缺點。

現代有軌電車屬中低運量軌道交通形式，通常定位于大型城市軌道交通的補充、延伸或中小城市軌道交通的骨干。所以，現代有軌電車的線網規劃規模通常不大，且線路選址常位于大型城市的片區內或中小城市的市中心，不需要大量的主變電所資源共享，調度管理亦不復雜。此外，文獻[7]指出，現代有軌電車供電系統負荷等級基于制式特點、車輛特點和運營特點，選擇二級負荷更為合適，一旦發生現代有軌電車停運的情況，可通過租用社會公共交通資源對現代有軌電車客流進行應急性支援，弱化對城市公共交通的沖擊。綜上所述，現代有軌電車供電系統外部電源宜采用開閉所相對分散供電方式。

目前，城市配電網絡的主流電壓等級為10 kV，單回路饋線間隔容量為8 000～10 000 kVA。超級電容儲能型現代有軌電車無網供電系統牽引負荷性質特殊，供電系統的設計需根據負荷特性對系統中外部電源容量校核。

2.3 牽引負荷特性分析

超級電容模組的功率密度大，充電時間短(≤30 s)，故牽引負荷總體呈脈沖狀，充電功率根據列車編組數量的不同而變化。常見的車載超級電容主要參數如表1所示。

表1 車載超級電容主要參數表

超級電容儲能型現代有軌電車牽引負荷特性如圖2所示。

圖2 牽引負荷特性示意圖

超級電容充電通常采用恒流充電及恒壓充電,或者兩種方式的結合。超級電容電壓、電流隨時間的變化曲線如圖3所示[8]。

注：t0為恒流充電區間；t1為恒壓充電區間；U0為超級電容起始充電電壓；U1為超級電容終止充電電壓；I額定為超級電容額定充電電流

結合圖2和圖3，可得到單個充電裝置充電功率的均方根值：

(1)

式中：

PRMS——單個充電裝置充電功率的均方根值；

P0——恒流充電區平均功率；

P1——恒壓充電區平均功率。

設供電臂內同時運營的車輛有m輛，則總的牽引負荷可表示為：

PTac=k0mPRMS

(2)

式中：

PTac——供電臂內總的牽引功率；

k0——車輛同時充電系數,根據具體線路的條件、運營組織方案等因素確定。

2.4 主接線形式的選擇

目前，國內常見的超級電容儲能型無網供電系統主接線形式主要分為單機組一對一型、單機組一對多型和雙機組一對多型3種。圖4給出了3種無網供電方案的主接線示意圖。3種接線形式在供電可靠性、工程可實施性、工程投資、運營維護、回流系統等方面各有優缺點，如表2所示。

a) 單機組一對一主接線型

b) 單機組一對多主接線型

c) 雙機組一對多主接線型

從表2可以看出：單機組一對一型主接線形式由于區間無直流電纜敷設，車輛在車站內完成回流，故電纜維護的工作量小，無鋼軌電位和雜散電流的問題，但由于每站都設置牽引所且不相互支援，結果帶來供電可靠性降低、工程可實施性差且投資高的問題；單機組一對多型主接線形式供電可靠性較高，變電所數量及各變電所內設備數量均較少，工程實施性好，投資低，設備維護工作量小，但區間電纜工程量增大，且存在鋼軌電位偏高及雜散電流腐蝕問題；雙機組一對多型主接線形式的設計方案與單機組一對多型主接線形式類似，由于采用雙機組，使得供電可靠性進一步提高，但對應工程可實施性、工程投資方面與單機組一對多型相比沒有優勢。綜合以上分析，筆者認為，針對超級電容儲能型現代有軌電車無網供電系統的設計宜采用單機組一對多型主接線形式。

表2 無網供電系統主接線對比表

2.5 運行方式分析

現代有軌電車無網供電系統中，需要經常變更系統的運行方式，以使系統安全、經濟、合理運行，或滿足檢修工作的要求。常見的無網供電系統運行方式包括正常情況、外部電源故障、牽引所故障以及充電裝置故障。

在正常運行情況下，中壓環網聯絡開關分開，各路外部電源負責本供電分區范圍內的所有負荷，各牽引所向本所范圍內的充電裝置輸出電能，滿足超級電容有軌電車的充電要求。

在一路外部電源故障退出的情況下，閉合中壓環網聯絡開關，由相鄰外部電源通過中壓環網越區供電，負擔本區電源及故障電源范圍內的所有高峰小時牽引負荷及動力照明的一、二級負荷。

在任一牽引所解列退出的情況下，運行方式需根據不同的主接線形式具體分析：

(1)對單機組一對一型主接線形式，牽引所解列等同于其對應的充電裝置故障，此時需依靠超級電容儲能元件的續航能力，在故障車站停車時不充電，運行至下一正常供電的充電裝置時再補充電能；

(2)對單機組一對多型主接線形式，牽引所解列時閉合所內越區隔離開關，由相鄰牽引所共同承擔故障所的供電負荷，構成大雙邊供電方式，末端牽引所故障時，由相鄰牽引變電所越區單邊供電；

(3)對雙機組一對多型主接線形式，牽引所之間通過直流支援電纜連接，相互支援，任一牽引所解列后由相鄰支援牽引所負擔本所和故障所內所有高峰小時牽引負荷及動力照明的一、二級負荷。

在充電裝置故障退出運行的情況下，通常不考慮相鄰充電裝置間的相互支援，而是依靠儲能元件本身的能量冗余為車輛提供續航。影響車輛續航能力的因素主要有以下幾點：

(1)儲能元件本身可用的能量；

(2)車輛的能耗，含牽引用電部分和輔助用電部分；

(3)車輛再生制動工況下回收能量的比率；

(4)具體的線路條件情況，如長大坡段、平交道口等。

車載超級電容的儲能量可表示為：

(3)

式中：

C——車輛超級電容總容量，其值等于串并聯超級電容單體的容量總和。

車載超級電容的儲能量配置根據列車編組長度的不同而變化，常見的配置為10～20 kWh。而現代有軌電車的平均能耗可采用傳統城軌列車的能耗計算式進行估算：

(4)

式中：

F牽引——列車總牽引力；

VA——列車起動過程中恒轉矩區終速；

t牽引——列車總牽引時間；

t運行——列車總運行時間。

結合現代有軌電車的車輛參數及運營經驗，列車平均單位耗電量約為4～6 kWh/km。若考慮線路坡度、制動能量回收及平交道口延誤等因素的影響，可認為超級電容儲能型現代有軌電車的有效續航里程約為2～3 km[9]。

文獻[10]指出，我國現代有軌電車的車站間距一般在0.6～1.0 km，可以滿足單個充電裝置故障退出運行，車輛跨站充電的續航里程要求。在工程實際中，若出現長大區間或多個路口延誤的情況，可根據具體條件在區間設置補充充電裝置并配備移動充電裝置，以保證車輛在區間的正常行駛。

3 結論

本文以超級電容儲能型現代有軌電車及其供電系統為主要研究對象，重點分析了無網供電系統的設計要點，并得出以下結論：

(1)在接觸網持續授流條件下，車輛牽引負荷為動態負荷，而在超級電容車站充電條件下，車輛牽引負荷為靜態負荷。

(2)無網供電系統外部電源推薦采用開閉所相對分散供電方式，外部電源容量需根據牽引負荷特性校核。

(3)牽引負荷根據超級電容的充電特性確定，總體呈現脈沖狀，牽引功率的計算采用均方根值，并考慮列車同時充電系數。

(4)無網供電系統的主接線形式可分為3種，通過技術經濟比選，推薦采用單機組一對多型的主接線形式。

(5)根據充電裝置故障退出的運行方式分析，得出了超級電容儲能型現代有軌電車的有效續航里程和設計方案的匹配性。