儲能式現(xiàn)代有軌電車超級充電裝置關鍵技術研究及應用

中鐵電氣化局集團西安電氣化工程有限公司 許 俊 北京科銳博潤電力電子有限公司 張 皎 齊澤鋒 劉 鵬

現(xiàn)代有軌電車作為城市公共交通體系的重要組成部分，具有運能大、投資少、建設周期短、無架空接觸網(wǎng)等優(yōu)點，得到了大力發(fā)展，在未來城市交通中具有廣闊應用前景。有軌電車使用電力驅(qū)動，屬于綠色交通，常規(guī)有軌電車采取架空線網(wǎng)提供電力，但是供電的架空線網(wǎng)在一些特定的環(huán)境對景觀帶來影響、在線路規(guī)劃時受到制約。新型的超級電容儲能式有軌電車采取無架空線網(wǎng)供電方案，通過車載超級電容為有軌電車提供能量，借助超級電容的快速充放電能力，列車可以實現(xiàn)乘客上下車的幾十秒內(nèi)完成補電。根據(jù)目前現(xiàn)代有軌電車的車載超級電容配置，地面超級充電裝置的輸出最高電壓達950V，輸出電流1800A，可擴展至2700A，充電功率超過1.7MW。

1 超級電容充放電特性

現(xiàn)代有軌電車的儲能元件為超級電容，由于超級電容具備的低內(nèi)阻、高循環(huán)壽命的特點，現(xiàn)代有軌電車可以實現(xiàn)快速的超級充電。超級電容器（Super Capacitor）是一種新型儲能元件，其儲能密度高于常規(guī)電容器，充放電倍率高于電化學電池。采用雙電層技術的超級電容具有更好的溫度范圍，循環(huán)壽命可達100萬次[1]。超級電容可等效為一個電容與內(nèi)阻ESR電阻的串聯(lián)電路，當超級電容進行充放電時，充放電電流將在其內(nèi)部的ESR上產(chǎn)生一個壓降，這個壓降與內(nèi)部等效電容兩端電壓疊加后反映到超級電容輸出端子兩端的端口電壓。

超級電容在充放電過程中端口電壓的變化過程如下：在充電過程中電流在ESR上的壓降造成端電壓升高，充電結(jié)束后（t3）ESR兩端電壓消失，端口電壓下降，反映內(nèi)部電容兩端電壓；當超級電容放電時，由于ESR兩端電壓反向、電容端電壓降低，放電結(jié)束后電容兩端電壓升高。在恒流充電過程中，超級電容內(nèi)部電容電壓以接近線性升高，恒流放電過程中，超級電容內(nèi)部電容電壓以接近線性下降。在實際的充電過程中，多數(shù)采用恒流限壓充電策略以實現(xiàn)快速充電過程，當端口電壓達到限壓值后轉(zhuǎn)恒壓模式，逐漸減小充電電流，此時ESR上的壓降降低，超級電容端口電壓逐漸接近內(nèi)部電容兩端電壓，可以兼顧充電的快速性及充電過程的安全性[2]。

2 地面超級充電裝置關鍵技術

2.1 充電裝置功能與拓撲

圖1為現(xiàn)代有軌電車充電裝置的功能框圖，超級充電系統(tǒng)結(jié)構主要包括車輛進出站檢測、控制系統(tǒng)和功率變流等三大部分。其中控制裝置通過通訊與車輛進出站檢測子系統(tǒng)和功率變流相連。車輛進出站檢測子系統(tǒng)通過車輛位置及充電軌軌壓檢測有軌電車的速度，判斷車輛進站或出站狀態(tài)，提供控制裝置進行啟動充電或停止充電的依據(jù)。

控制裝置實現(xiàn)充放電順序控制功能，根據(jù)預設的充電模式進行輸出控制及電氣保護功能。進出站檢測子系統(tǒng)可檢測車輛進出站信號及車輛進出站速度，并通過預設的判斷邏輯判定車輛進站、越站、出站，并相應啟動充電及中止充電過程。車輛充電過程中移動或離站時會在接觸弓與充電軌間產(chǎn)生拉弧，這個拉弧會造成超級電容兩端過電壓、危害車載超級電容安全，控制系統(tǒng)在檢測到燃弧后將采取閉鎖輸出的保護措施。部分充電站僅配置一臺超級充電裝置供上下行列車分時充電，在這種情況下，控制系統(tǒng)會根據(jù)上行列車進站時序及超級電容容量進行上下行列車的分時充電優(yōu)化控制。

交流電源的充電機主要包括整流變壓器、整流器、直流Buck變換器和輸出隔離裝置等。直流電源的充電機只包含輸入接口裝置、直流Buck變換器和輸出隔離裝置等。超級充電裝置從10kV電網(wǎng)取電，經(jīng)整流變壓器降壓然后通過多組并聯(lián)的變流裝置給車輛進行充電。

2.2 充電控制策略的研究

超級充電裝置充電電流大，變流單元由多個并聯(lián)變流器構成，調(diào)制方式采用交錯并聯(lián)控制。采用交錯并聯(lián)的調(diào)制方式可降低開關頻率、減小輸出紋波及降低平波電抗器容量，當有變流器故障退出后，其他變流器可繼續(xù)運行，相應的載波移相角根據(jù)故障變流器數(shù)量和位置進行調(diào)整。

變流器充電輸出電流的參考值需要綜合考慮輸入直流電壓降、允許的最大充電功率及設置的輸出電流設置值限制。圖1為一個算例生成的典型輸出電流及功率圖，按時間分別為恒流充電模式（4～16s）、恒功率充電模式（16～27s）、恒壓充電模式（27～35s）。

圖1 典型充電電流及充電功率曲線

2.3 車輛進出站檢測

超級電容儲能式有軌電車地面超級充電裝置采用RFID非接觸式射頻檢測，列車進出站射頻檢測系統(tǒng)由車載標簽、充電軌上方的射頻讀卡器及識別系統(tǒng)構成。一般有兩種配置模式，一是雙標簽單讀卡器模式，另一種為單標簽雙讀卡器模式。雙標簽單讀卡器模式在列車前部及后部各配置一個標簽，充電軌中間位置設置一個讀卡器，這種方式的系統(tǒng)配置簡單，成本較低。單標簽雙讀卡器模式在車輛的中間接觸弓下方位置設置一個標簽，在充電軌的導入段及導出段上方合適位置裝設進站讀卡器及出站讀卡器各一個。這種方式配置復雜、成本高，但對不同充電軌長度的適應性更好。

讀卡器的位置裝設導電軌上方，距離約為0.5m，與車載標簽間的垂直距離約0.750m，假定充電軌尺寸如圖2所示，充電軌端部與接觸點的距離約為2.3m，在響應時間以內(nèi)（射頻方案），車輛行駛的最大距離為2.4m，假設預留的安全距離為一米，則標簽位置距離受電弓距離要在9.3m以內(nèi)。考慮到雙向檢測要求，標簽需位于車頂，以受流器為中心兩側(cè)對稱各放置一組。由于在車頂位置，標簽應在7.5m到9m處位置。

圖2 充電軌尺寸圖

3 現(xiàn)代有軌列車超級充電裝置應用

廣州海珠有軌電車試驗段（THZ1）是國內(nèi)第一條開通運營的超級電容儲能的現(xiàn)代有軌電車線路，于2014年12月31日正式開通試運營，線路呈東西走向。線路全長7.7公里，始于萬勝圍站，止于廣州塔站，共設11座超級充電站，全為地面站，平均每站間距0.784公里。目前線路已經(jīng)安全運行超過6年，運營載荷趨于穩(wěn)定。2020年4月～5月對琶洲大橋南站的超級充電裝置運行情況進行了測試，測試可見超級充電裝置的日平均充電量為434kWh，從10kV電源入口側(cè)到直流輸出側(cè)測得的平均綜合效率為85.54%，日充電量與效率呈現(xiàn)正相關性。

對裝置損耗進行進一步分析，損耗的構成為：整流變壓器的空載損耗78%、整流變壓器的負載損耗9%、整流變壓器13%。由損耗構成情況可見，對超級充電裝置效率影響最大的因素是整流變壓器的空載損耗。這與超級充電裝置為沖擊脈沖供電的特征有關，充電裝置的有效充電時間僅占總時間的約2%，98%左右的時間處于空載運行狀態(tài)，這種工況極大放大了整流變空載運行下的損耗比重。由此也可知，提高超級充電裝置效率應主要從降低整流變空載損耗著手。