摘 要： 采用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)軌道交通工程存在的再生制動(dòng)能量吸收功能，同時(shí)可以有效解決逆變回饋型節(jié)能裝置的再生能量倒送110 kV主變電所問(wèn)題。本文以實(shí)際工程中的列車運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)列車制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行力學(xué)和電學(xué)分析，提出了電容儲(chǔ)能型節(jié)能裝置的整體設(shè)計(jì)方案。儲(chǔ)能型節(jié)能裝置包括雙向斬波器和超級(jí)電容組，斬波器主電路采用交錯(cuò)并聯(lián)的雙向Buck-Boost電路，超級(jí)電容組采用串并聯(lián)方案；根據(jù)儲(chǔ)能裝置的電壓和電流需求，設(shè)計(jì)了超級(jí)電容組的串聯(lián)配置數(shù)量和并聯(lián)配置數(shù)量。建立了列車、整流機(jī)組和儲(chǔ)能裝置模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能裝置中斬波電路的控制策略，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置在列車制動(dòng)過(guò)程中能量的儲(chǔ)存功能和牽引過(guò)程中能量的釋放功能；最后以PWM整流器的功率源模式作為列車模擬源，模擬列車的牽引過(guò)程和制動(dòng)過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了斬波電路的控制策略和超級(jí)電容組的充放電特性，結(jié)果表明該儲(chǔ)能方案的斬波電路控制策略和電容組容量配置方案滿足要求。
關(guān)鍵詞： 超級(jí)電容；容量配置；Buck-Boost；控制策略
隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能的日益重視，軌道交通工程中涌現(xiàn)出了多種類型的再生節(jié)能設(shè)備，其中以逆變回饋型和儲(chǔ)能型應(yīng)用最為廣泛。儲(chǔ)能型節(jié)能設(shè)備僅與直流牽引網(wǎng)有接口，不存在再生能量倒送110 kV主變電所的情況，因此在發(fā)車密度較低、列車之間互相吸收比例較低的郊區(qū)或市域線路得到越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。
超級(jí)電容的功率密度大、充放電速度快，完美匹配軌道交通列車制動(dòng)瞬時(shí)功率大、上升速度快的應(yīng)用需求，在軌道交通行業(yè)內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。
1 整體方案
儲(chǔ)能型節(jié)能裝置包括雙向斬波器和超級(jí)電容組，通過(guò)直流開(kāi)關(guān)柜接入到變電所的1500 V直流母線，如圖1所示。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，再生能量返送到牽引網(wǎng)上，變電所直流母線電壓高于空載電壓，雙向斬波器進(jìn)入Buck工作模式，將能量存到超級(jí)電容組中；當(dāng)車輛牽引取流時(shí)，變電所直流母線電壓低于空載電壓，雙向斬波器進(jìn)入Boost工作模式，將超級(jí)電容組中存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)。
圖1 儲(chǔ)能型節(jié)能方案
1.1 容量配置
1.1.1 列車制動(dòng)計(jì)算
列車制動(dòng)是列車在電制動(dòng)力和阻力共同作用下車速降為零的過(guò)程，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)定律
(1)
式中，F(xiàn)b為電制動(dòng)力；f為平均阻力；m為列車計(jì)算重量，回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)按6%計(jì)算；a為列車制動(dòng)減速度。
列車制動(dòng)產(chǎn)生的反饋功率可表示為
(2)
式中，為制動(dòng)速度；η為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，取0.89；p0為輔助用電功率，取289 kW（功率因數(shù)為0.85）。
列車制動(dòng)時(shí)，一部分動(dòng)能用來(lái)克服阻力做功、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)損耗和輔助用電設(shè)備消耗，剩余的能量全部轉(zhuǎn)換為電能并反饋到直流牽引網(wǎng)上，反饋的總能量可表示為
(3)
式中，為制動(dòng)初速度；s為制動(dòng)距離；t為制動(dòng)時(shí)間。
濟(jì)南市域軌道交通R1號(hào)線采用DC1500V供電的B型列車，列車參數(shù)：2動(dòng)2拖4輛編組，AW2車重200 t，最高運(yùn)行速度100 km/h，輔助用電功率170 kVA×2，平均制動(dòng)減速度-1 m/s2，平均阻力10 kN。
根據(jù)上述計(jì)算方法，列車單次制動(dòng)的峰值功率為4705 kW，單次制動(dòng)能量為17 kW·h。由于市域列車的發(fā)車密度較低，相鄰車互相吸收的比例低于20%，因此，反饋到變電所的峰值功率約為3764 kW，制動(dòng)能量約為13.6 kW·h。
1.2 儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)
根據(jù)列車制動(dòng)計(jì)算的數(shù)據(jù)，儲(chǔ)能裝置的功率可確定為4000 kW，超級(jí)電容組的儲(chǔ)能不低于14 kW·h。
斬波器的主電路采用交錯(cuò)并聯(lián)的Buck-Boost電路拓?fù)?，超?jí)電容充電時(shí)由上管的IGBT和下管的反并聯(lián)二極管構(gòu)成降壓斬波電路，超級(jí)電容放電時(shí)由下管的IGBT和上管的反并聯(lián)二極管構(gòu)成升壓斬波電路，多支路交錯(cuò)并聯(lián)可以有效降低總輸出電流的紋波系數(shù)。
圖2 斬波器主電路拓?fù)?
牽引網(wǎng)工作電壓范圍為1500～1800 V，因此超級(jí)電容組的充放電電壓可選擇為600～1200 V，采用標(biāo)準(zhǔn)的48 V/165 F超級(jí)電容模組，超級(jí)電容模組的串聯(lián)數(shù)為N=1200/48=25，為了確保電容組工作安全、留取一定的設(shè)計(jì)余量，可選擇26只超級(jí)電容模組串聯(lián)。
超級(jí)電容吸收的總能量為14 kW·h，因此電容容值為C=2E/，電容的并聯(lián)數(shù)為M=(93.3×26)/165=14.7，可選擇15只電容并聯(lián)。
1.3 控制策略
儲(chǔ)能裝置與整流機(jī)組、列車共同組成了電源-負(fù)荷系統(tǒng)，儲(chǔ)能裝置應(yīng)選擇合適的控制策略，確保：①列車制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能裝置為超級(jí)電容組充電、同時(shí)整流機(jī)組退出運(yùn)行；②列車牽引時(shí)，儲(chǔ)能裝置將超級(jí)電容組中的電能釋放出來(lái)、與整流機(jī)組共同為列車提供牽引能量。避免發(fā)生儲(chǔ)能裝置從整流機(jī)組抽取能量，或超級(jí)電容組的能量未及時(shí)釋放而導(dǎo)致列車再次制動(dòng)時(shí)無(wú)法吸收再生能量。
建立列車、整流機(jī)組和儲(chǔ)能裝置的電氣模型，如圖3所示。整流機(jī)組的模型為電壓源與電阻的串聯(lián)，考慮到整流器僅具備單向變流能力，模型中需要串入二極管以防止整流機(jī)組電流反向，Ud0為整流機(jī)組的空載電壓，Rd0為等效內(nèi)阻。列車的模型為功率源，功率的大小由列車的運(yùn)行狀態(tài)決定，根據(jù)牽引計(jì)算過(guò)程得到。儲(chǔ)能裝置的模型為電壓源，Uc為穩(wěn)壓值，當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)穩(wěn)壓值需高于空載電壓且低于系統(tǒng)允許最高電壓，當(dāng)超級(jí)電容放電時(shí)穩(wěn)壓值需低于空載電壓且高于系統(tǒng)允許最低電壓。Rline為牽引網(wǎng)的線路電阻，由單位長(zhǎng)度阻抗和線路長(zhǎng)度決定。
圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型
儲(chǔ)能裝置的控制特性需考慮與整流機(jī)組和列車的配合，如圖4所示，CD段為整流機(jī)組外特性曲線，ABC段為儲(chǔ)能裝置充電特性曲線、DE段為放電特性曲線。
圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制特性曲線
Ud0為整流機(jī)組的空載電壓，通常為1650 V；Uinv為儲(chǔ)能裝置吸收能量時(shí)的穩(wěn)壓值，為了優(yōu)先保證車輛之間的互相吸收，可設(shè)置為1700～1800 V；Urec為儲(chǔ)能裝置釋放能量時(shí)的穩(wěn)壓值，可設(shè)置為1600～1500 V。
2 試驗(yàn)驗(yàn)證
由于試驗(yàn)條件的限制，利用容量為500 kW的PWM整流器作為列車模擬源，測(cè)試儲(chǔ)能裝置的充放電特性，試驗(yàn)波形如圖5所示。PWM整流器設(shè)定為功率源特性，以發(fā)出500 kW功率模擬列車制動(dòng)工況，儲(chǔ)能裝置檢測(cè)到直流電壓升高到1700 V時(shí)進(jìn)入降壓斬波模式，超級(jí)電容的電壓從初始電壓600 V充電至1200 V；再以吸收500 kW功率模擬列車牽引工況，儲(chǔ)能裝置檢測(cè)到直流電壓降低到1500 V時(shí)進(jìn)入升壓斬波模式，超級(jí)電容的電壓從初始1200 V放電至600 V。
圖5 充放電波形
3 結(jié)論
本文研究了應(yīng)用于城市軌道交通供電系統(tǒng)的超級(jí)電容儲(chǔ)能型節(jié)能設(shè)備的容量配置問(wèn)題，確定了儲(chǔ)能裝置的功率和電量；設(shè)計(jì)了交錯(cuò)并聯(lián)的雙向斬波電路和超級(jí)電容組的串并聯(lián)方案；在對(duì)列車、整流機(jī)組和儲(chǔ)能裝置建模的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能裝置的控制策略；最后通過(guò)模擬列車的牽引/制動(dòng)試驗(yàn)研制了超級(jí)電容的充放電特性，試驗(yàn)結(jié)果表明了方案的可行性。本文的研究對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能型節(jié)能設(shè)備在軌道交通工程中的應(yīng)用具有一定的工程指導(dǎo)價(jià)值。
引用本文： 趙正一,俞葆青,孔德卿等.城軌超級(jí)電容儲(chǔ)能的容量配置和控制策略研究[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2020,09(05):1558-1561.
ZHAO Zhengyi,YU Baoqing,KONG Deqing,et al.Research on capacity configuration and control strategy of the super capacitor energy storage device for rail transit[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1558-1561.
第一作者：趙正一（1988—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮友b置控制策略，E-mail：zhzhyi052@163.com。
