超級電容儲能裝置在城市軌道交通中的應用

聶晶鑫，郭育華，夏猛

　　摘要：利用超級電容特性并結(jié)合城市軌道交通特點，設計一種用于城市軌道交通的儲能裝置，以維持在車輛 啟動和再生制動時的電壓穩(wěn)定，減少隧道內(nèi)因電阻發(fā)熱而產(chǎn)生的溫升。通過吸收再生制動能量，在列車啟動時釋放能量，使其循環(huán)利用，實現(xiàn)節(jié)約環(huán)保。

　　0引言

　　隨著石化資源的日益減少，環(huán)境和能源危機越來越威脅到人類未來的生存發(fā)展，節(jié)能減排的重要性逐漸得到了全世界的關注。隨著電力電子技術(shù)、電機調(diào)速和驅(qū)動控制技術(shù)的進步和發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于軌道交通領域。

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)將機械能轉(zhuǎn)化為電能，即再生制動，使得一部分能量能夠回饋給電網(wǎng)，從而節(jié)約能源。目前的電力牽引系統(tǒng)廣泛使用該電制動方式，既回收了部分機械能，又減少了機械制動的損耗，減少了維護時間和費用。但是以目前的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如果同段線路上沒有列車消耗再生電能，牽引網(wǎng)電壓則會上升，可能影響供電系統(tǒng)安全運行，目前的解決辦法是用電阻消耗多余電能，以維持電壓穩(wěn)定。在地鐵隧道中該方式會造成隧道內(nèi)溫度升高，而且不能有效利用回收能量。因此，可以在地鐵直流供電系統(tǒng)中加入儲能環(huán)節(jié)，它在再生制動時吸收能量，避免浪費；在啟動或加速時提供部分功率支持，減少牽引網(wǎng)電壓波動[1，2]。

　　本文研究了超級電容的充放電特性和城市軌道交通的運行特點，選擇超級電容作為儲能介質(zhì)，搭建軌道交通超級電容儲能系統(tǒng)，分析雙向直流變換器的工作過程，采用牽引直流側(cè)電壓作為能量控制策略依據(jù)，使超級電容儲能系統(tǒng)對直流系統(tǒng)電壓起到穩(wěn)定作用。

　　1超級電容儲能裝置及策略

　　城市軌道車輛在再生制動時，牽引直流側(cè)電壓升高，在啟動和加速時牽引直流側(cè)電壓降低，通過控制并接在直流側(cè)的雙向DC/DC變換器，對超級電容充電放電，可以實現(xiàn)削峰平谷、平衡直流側(cè)電壓和能量回收再利用的作用。主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2超級電容

　　超級電容的特點有：循環(huán)壽命長，充放電循環(huán)次數(shù)可達50萬次以上；功率密度大，約是鉛酸電池的20倍，短時間大功率充放電能力強；充放電速度快，效率高，充放電周期損耗小于10%[3]。而城市軌道交通的特點是區(qū)間運行時間短，啟停頻繁，短時間電壓尖峰明顯。所以超級電容的特性恰好（或正好）滿足城市軌道交通儲能的需求，比其他儲能方式具有更好的性能匹配和更高的性價比。

　　4控制策略

　　控制主要目的是減小電壓波動，同時還要限制充放電電流，避免過大電流損壞器件。另一方面要將電池儲能量控制在一個合理狀態(tài)，既能提供一定功率輸出，也要留有一定的吸收能量空間。如果再生能量過多而無法完全吸收，還要投入耗能電阻輔助消耗電能。

　　直流母線側(cè)電流I的變化能引起直流母線側(cè)電壓V的變化，通過測量直流側(cè)電容電壓可以間接獲得負載功率的變化，因此將直流側(cè)電壓作為充放電控制策略的判斷依據(jù)。設定當直流側(cè)電壓小于V1 時，牽引功率為正，列車正在啟動或加速，需要能量支持，超級電容器釋放能量，以保證直流母線電壓穩(wěn)定。當直流側(cè)電壓大于V4時，牽引功率為負，有制動能量產(chǎn)生，此時儲能系統(tǒng)從直流側(cè)吸收能量，以保證直流母線電壓穩(wěn)定。見圖5所示。

　　5結(jié)束語

　　本文介紹了超級電容儲能裝置用于城市軌道交通系統(tǒng)中，可以使再生能量循環(huán)利用，并且保持直流電壓穩(wěn)定。詳細說明了儲能裝置的工作原理，以及控制策略。

　　隨著超級電容產(chǎn)品的日益成熟，生產(chǎn)成本隨之下降，超級電容儲能裝置裝備在城市軌道系統(tǒng)中的性價比也開始凸現(xiàn)。加之對節(jié)能環(huán)保要求的提高，這一裝置會很快應用于城市軌道交通領域。

　　參考文獻：

　　[1]陳朗.超級電容在軌道交通系統(tǒng)中的應用[J].城市快軌交通，2008，（6）：76-79.

　　[2]何曉光，張逸成.軌道交通超級電容能力回收控制系統(tǒng)設計[J].電氣自動化，2009，（5）：73-75.

　　[3]Cegnar E J，Hess H L，Johnson B K. A purely ultra - capacitor energy storage system hybrid electric vehicles utilizing a based DC-DC boost converter. Applied Power Electronics Conference and Exposition，2004. Nineteenth Annual IEEE，2004，2: 1 160-1 164.

　　[4]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.