超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車啟動(dòng)對(duì)供電系統(tǒng)的影響

張文波，雷建明

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通的不斷發(fā)展，儲(chǔ)能式有軌電車越來越受到青睞，特別是基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能式有軌電車。成套的儲(chǔ)能式有軌電車的供電系統(tǒng)一般包括整流變壓器、12脈波或者24脈波整流器、BUCK斬波電路以及一些濾波回路[1-3]。在有軌電車實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)不同的啟動(dòng)工況，包括停站充滿電后離站，停站未充滿電離站。下面就對(duì)這兩種啟動(dòng)工況分別分析其對(duì)供電系統(tǒng)的影響。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

成套供電系統(tǒng)包括：整流器前級(jí)三繞組變壓器，二極管全橋整流器，BUCK斬波電路，系統(tǒng)如圖1所示。12脈波整流器包括了一臺(tái)三繞組移相變壓器及其每個(gè)副邊繞組各3個(gè)平衡電抗器，2臺(tái)全橋三相不控整流器。其中三繞組移相變壓器副邊繞組一組采用Y接法，另一繞組采用△接法。

圖1 有軌電車成套充電系統(tǒng)

整流器中采用平衡電抗器是防止兩組整流器直接并聯(lián)時(shí)會(huì)因?yàn)檩斎雮?cè)電壓存在相位差導(dǎo)致輸出電壓瞬時(shí)值存在差異，這樣會(huì)導(dǎo)致輸出電壓低的整流器被截止，從而使兩組整流器出現(xiàn)交替性工作，這樣降低了利用率。采用平衡電抗器后，降低了整流器的電流峰值，降低了輸出電壓的紋波。充電裝置采用BUCK斬波電路，為了降低BUCK輸出的電流、電壓紋波，該回路一般設(shè)計(jì)成多相交錯(cuò)并聯(lián)的方式[4-8]，選用四相交錯(cuò)并聯(lián)的方式，每相相差90°，拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 四相交錯(cuò)拓?fù)?/p>

1.2 充電裝置控制策略

本次設(shè)計(jì)中，BUCK回路采用恒流-恒壓切換方式，初始給超級(jí)電容充電時(shí)，BUCK工作于恒流模式，同時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容的電壓，當(dāng)其電壓達(dá)到BUCK的恒壓目標(biāo)值時(shí)，BUCK控制模式切換為恒壓模式，為了降低切環(huán)過程中帶來的沖擊，在進(jìn)行切環(huán)時(shí)將原電流環(huán)的積分直接賦給電壓環(huán)，此時(shí)以浮充方式繼續(xù)給超級(jí)電容進(jìn)行充電[9-10]。

1.3 超級(jí)電容模型

超級(jí)電容是一種介于電容器與電池之間的儲(chǔ)能元件，它同時(shí)擁有兩者的優(yōu)點(diǎn)，其一般采用經(jīng)典的等效模型電路，如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容經(jīng)典等效模型

圖3中ESR是等效串聯(lián)電阻，其決定了超級(jí)電容的充電速度以及最大輸入輸出功率，EPR是等效并聯(lián)電阻，其決定了超級(jí)電容開路時(shí)自身的放電速度，也就是其自身的靜態(tài)損耗。

2 工作原理

四相交錯(cuò)并聯(lián)的BUCK電路根據(jù)其移相角度依次導(dǎo)通和關(guān)斷，現(xiàn)就對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的等效電路如圖4所示。

圖4 BUCK工作狀態(tài)

如圖4所示，(a)圖是絕緣柵雙極型晶閘管(IGBT)導(dǎo)通時(shí)的等效電路，此時(shí)直流電源對(duì)電感和電容進(jìn)行充電，在充電過程中電感上的電流逐步增加；(b)圖是IGBT關(guān)斷時(shí)的等效電路，電感在IGBT導(dǎo)通期間(DT)時(shí)間的儲(chǔ)能后，對(duì)電容進(jìn)行放電，放電時(shí)間為(1-D)T。

假設(shè)BUCK工作于電流連續(xù)狀態(tài)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電感上電流的變化率為：

當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電感上電流的變化率為：

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，ΔIon=ΔIoff，則單個(gè)BUCK回路中電流的變化率為：

式中，ΔU為輸入輸出電壓差。

則四相交錯(cuò)并聯(lián)的電流變化率為

由公式(4)可見，四交錯(cuò)的電流波動(dòng)頻率為單模塊的4倍，當(dāng)D＜0.25時(shí)，總的輸出電流的波動(dòng)值較單模塊時(shí)減少很多。

3 實(shí)驗(yàn)仿真分析

按照?qǐng)D1所示的裝置拓?fù)鋱D，在PSCAD中進(jìn)行搭建，交流側(cè)輸入電壓10 kV，整流器變壓器采用自耦的三繞組變壓器，副邊分別采用△/Y型接法，變比為10/1.18，整流器采用全橋不可控二極管構(gòu)成，BUCK輸入側(cè)濾波電容容值為2 420 μF，BUCK輸出濾波電感感值為0.2 mH，開關(guān)頻率為2 kHz，充電電流為1 500 A，有軌電車恒壓目標(biāo)值為820 V。

(1) 工況一：有軌電車充滿電離站，仿真波形如圖5～8所示。

圖5 有軌電車充滿電充電電流

(2) 工況二：有軌電車未充滿電離站，假定車輛在1s時(shí)離站，仿真波形如圖9～12所示。

圖6 有軌電車充滿電充電電壓

圖7 整流器前級(jí)變壓器電流(充滿電)

圖8 整流器前級(jí)變壓器電壓(充滿電)

圖9 有軌電車未充滿電充電電流

圖10 有軌電車未充滿電充電電壓

(3) 針對(duì)以上兩種不同工況的啟動(dòng)分析。通過以上實(shí)驗(yàn)仿真分析，可以看出車輛充滿電離站后，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的沖擊非常小，幾乎沒有，且有軌電車經(jīng)過了BUCK電路的恒流/恒壓充電后，電容的SOC跌落很小，充電效果好；但在有軌電車車輛未充滿電離站時(shí)，車載超級(jí)電容沒有充滿電，由于超級(jí)電容電壓與充電電壓存在電勢(shì)差，導(dǎo)致充電電流仍較大，加上車輛啟動(dòng)電流的沖擊，因此造成整流器前級(jí)變壓器電流過電流，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的沖擊很大。

通過圖12可以看出，變壓器原邊電流突變較大，特別是B相電流，沖擊達(dá)到額定電流的2.5倍，由于整個(gè)線路的阻抗較小，變壓器電壓出現(xiàn)了微小的畸變，此時(shí)也會(huì)影響變壓器原邊電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量，進(jìn)而影響其他電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖11 整流器前級(jí)變壓器電流(未充滿電)

圖12 整流器前級(jí)變壓器電壓(未充滿電)

4 建議措施

由以上分析知，在有軌電車車輛未充滿電離站時(shí)，由于超級(jí)電容的充電電流疊加車輛啟動(dòng)電流的沖擊，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過電流。

因此，為避免或減小過電流對(duì)系統(tǒng)的影響，提出如下建議與措施。

(1) 列車正在充電過程中，若列車啟動(dòng)離站，充電裝置應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)到并迅速停止充電，以減小對(duì)充電電源系統(tǒng)側(cè)的沖擊影響。

(2) 通過精確計(jì)算有軌電車在兩站之間消耗的電能，合理設(shè)計(jì)車載超級(jí)電容的容量以及充電裝置的容量，以此確保列車站內(nèi)上下客時(shí)間內(nèi)車載超級(jí)電容能充足電量的情況下離站。

5 結(jié)束語

目前，超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車逐步在全國(guó)各大城市如廣州、三亞、武漢投入運(yùn)行，在其啟動(dòng)過程中也會(huì)出現(xiàn)不同工況，不同工況對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)影響不同。通過在PSCAD中搭建有軌電車整個(gè)供電系模型，模擬并分析了儲(chǔ)能式有軌電車在兩種不同的啟動(dòng)工況下對(duì)其供電系統(tǒng)的影響，并得出了結(jié)論，給出了建議措施。仿真結(jié)果與超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車實(shí)際工程線路運(yùn)行工況對(duì)供電系統(tǒng)的影響現(xiàn)象一致，為優(yōu)化并完善有軌電車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、保證整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了參考。