混合供電策略在儲能式有軌電車的應用研究

徐興龍

（廣州有軌電車有限責任公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，儲能式新型有軌電車蓬勃發展，已在多個城市投入運營。目前，儲能式有軌電車供電模式主要有超級電容單獨供電、贗電容供電以及超級電容和鈦酸鋰電池混合供電三種模式[1]。其中，超級電容和鈦酸鋰電池混合供電可以充分利用超級電容快充快放和鈦酸鋰電池安全續航的優點，不僅可以縮短線路充電站的建設周期，而且可以降低線路充電站的建設成本。

鈦酸鋰電池具有重量輕、體積小、壽命長、節能環保等優點，但其在軌道交通應用仍處于初級階段[2]。該文針對間歇式充電的有軌電車線路，通過仿真計算提出一種基于超級電容和鈦酸鋰電池混合供電策略。

1 有軌電車運營技術條件

該文以某城市已開通運營有軌電車線路為例，線路長度14.4 km，共設19個站，其中充電站13個。

有軌電車為四模塊編組的新型儲能式有軌電車，編組方式為=Mc1+T++M+Mc2=。其中2個為帶司機室的動力模塊，1個不帶司機室的動力模塊，1個帶受電器的拖車模塊。整列車共4個轉向架，3個動力轉向架和1個拖車轉向架。列車長36.6 m，寬2.65 m，最高運行速度70 km/h。列車AW1載客72人，AW2載客280人，AW3載客364人。車輛采用3臺超級電容與1臺鈦酸鋰電池（前端配置雙向DC/DC）的混合供電方案。

車輛主要電氣性能指標如表1所示。

表1 車輛主要電氣性能指標

2 混合供電方案概述

混合供電通過超級電容優先供電，當車輛續航需鈦酸鋰電池補充能量時，或超級電容電壓低于一定值時，雙向DC/DC開通，鈦酸鋰電池開始投入為車輛補充能量。制動工況再生能量優先反饋至超級電容，在大長下坡路段，雙向DC/DC開通將再生制動能量或者超級電容的能量反饋給鈦酸鋰電池充電，如圖1所示。

圖1 雙向DC/DC充放電原理

該方案綜合利用超級電容放電倍率大但儲存能量較少，鈦酸鋰電池放電倍率較小但儲存能量大的特點，通過該混合供電方案以實現列車動力性能和儲能增程的要求。

3 充電控制策略

列車停靠在站臺時，優先滿足超級電容充電，再給鈦酸鋰電池充電。雙向DC/DC開啟給鈦酸鋰電池充電需同時滿足如下條件：

（1）車輛為零速狀態。

（2）車輛無牽引指令。

（3）受流器檢測到輸入電流＞50 A。

（4）超級電容充電到800 V。

列車停靠在站臺時，關閉雙向DC/DC，滿足如下條件之一即可：

（1）車輛為非零速狀態。

（2）收到牽引指令。

（3）鈦酸鋰電池充滿電（由鈦酸鋰電池通過網絡發送容量狀態信息給DC/DC，網絡故障時由DC/DC判斷電壓）。

3.1 正常工況下的仿真計算

列車超級電容為9 500 F單體電容，每個箱體有688個單體（2并344串），3個箱體可用電量10.104 kWh（考慮全壽命周期衰減20%，最高電壓900 V），單組最大放電電流約為600 A。鈦酸鋰電池可用電量33 kWh。正常工況下，列車網絡正常，仿真計算基于以下條件：

（1）載荷情況為 AW2載荷，車輛最高運行速度為70 km/h。

（2）車輛工作正常電壓500～900 V，運行時儲能系統輸出電壓不低于500 V。

（3）按照提供的線路條件，考慮到儲能電源全壽命周期內20%的容量衰減，正常運行時儲能電源最低放電電壓為DC500 V。

（4）考慮路口停車、路口等待時間的影響。

（5）根據運行區段不同的彎曲半徑信息，考慮了因彎曲半徑過小而不得不采取限速措施的影響。

（6）根據超級電容電壓的變化情況，考慮了鋰電池擇機投入使用的情況。

（7）為保證行車安全，路口要有一定的限速運行措施：因相鄰路口間隔及路口自身長度的制約，部分路口最高限速由車輛的牽引及電制動性能確定，但不高于30 km/h。全路段所有路口最高運行時速30 km/h。

上行線輔助系統功率按照超級電容電壓分級不減載，線路站間耗能統計見表2。

表2 上行線路區間能耗仿真計算

從仿真結果可知，列車運行時間為2 485.4 s，平均運行速度為20.67 km/h（不含首尾停站時間）。不考慮充電站停車時能耗，上行線車輛總能耗為99.21 kWh，其中牽引系統總能耗為63.4 kWh，輔助系統總能耗為35.33 kWh；鋰電池提供能耗為16.34 kWh，鋰電池充電時間共需要199 s。若在站間給鋰電池充電，可為鋰電池補電時間累計180 s，充電14.8 kWh。終點站剩余45 s足以把鋰電池充滿。

下行線路輔助系統功率按照超級電容電壓分級不減載，線路站間耗能統計見表3。

表3 下行線路區間能耗仿真計算

下行線路輔助系統功率按照超級電容電壓分級不減載，車輛運行行時間為2 505.4 s，平均運行速度為20.51 km/h（不含首尾停站時間）。

輔助系統功率按照超級電容電壓分級不減載，不考慮充電站停車時能耗，下行線車輛總能耗為94.5 kWh，其中牽引系統總能耗為58.9 kWh，輔助系統總能耗為35.6 kWh；鋰電池提供能耗為15.1 kWh，需要充電時間183 s。若在站間給鋰電池充電，充電站可為鋰電池充電時間累計188 s，補電15.1 kWh。

3.2 故障運行能力仿真計算

按照現有充電站設置，若任意充電站突發故障，故障時間不確定，即預先不知道充電站故障。為保證車輛能順利運行到下一個正常充電站，實施以下控制。

（1）從故障充電站開始到下一個正常充電站，鋰電池全程投入。

（2）正常情況下，交流負載為0 kW，直流負載為9.21 kW，單臺客室空調的功率為18.43 kW，單臺司機室空調的功率為2.12 kW，輔助負載共51.16 kW；當充電站故障后，從故障充電站開始輔助負載功率按以下控制適當降載：交流負載為0 kW，直流負載為9.21 kW，單臺客室空調的功率為8.26 kW，單臺司機室空調的功率為2.12 kW，輔助負載共30.82 kW。

（3）從故障充電站開始，車輛進行限速。

（4）該次仿真計算分別選取上行線路及下行線路條件最惡劣的區間（鋰電池投入最大）的充電站和終點站充電站故障進行仿真。

上行線路線坑站充電站故障退出運行，在線坑站開始進行限速，限速28 km/h可以運行到下一個充電站（會議中心站）。仿真計算數據如表4。

表4 上行區間充電站故障能耗仿真計算

上行終點站新豐路站故障退出運行，在新豐站開始進行限速，限速40 km/h可以運行到下一個充電站（賢江公園）。仿真數據如表5。

表5 上行區間終點站充電站故障能耗仿真計算

下行線路賢江公園充電站故障退出運行仿真，在賢江公園開始進行限速，限速45 km/h可以運行到下一個充電站（嶺頭東站）。區間仿真數據如表6。

表6 下行區間充電站故障能耗仿真計算

下行線路終點站（香雪站）故障退出運行仿真，在香雪站開始進行限速，限速32 km/h可以運行到下一個充電站（線坑站）。區間仿真數據如表7。

表7 下行區間終點站充電站故障能耗仿真計算

從線路仿真計算可知，按照現有13個充電站設置，車輛正常限速70 km/h，終點站充電時間90 s，考慮停站期間和終點站給鋰電池充電，上行和下行在終點站都能把鋰電池充滿。當某一充電站故障后，從故障充電站開始到下一個正常充電站，空調功率減載50%，限速28 km/h能運行到下一個正常充電站。

4 總結

該文針對城市混合供電儲能式有軌電車工況，設計了儲能式現代有軌電車混合供電系統方案，并對儲能系統運行能力進行評估，說明超級電容和鈦酸鋰電池系統配置方案可以滿足車輛運營需求。該方案充分利用超級電容快充快放和鈦酸鋰電池安全續航的優點，不僅可以縮短線路充電站的建設周期，而且可以降低線路充電站的建設成本。