超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用

聶晶鑫，郭育華，夏 猛

0 引言

隨著石化資源的日益減少，環(huán)境和能源危機(jī)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(guān)注。隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)調(diào)速和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。

變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，即再生制動(dòng)，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(dòng)方式，既回收了部分機(jī)械能，又減少了機(jī)械制動(dòng)的損耗，減少了維護(hù)時(shí)間和費(fèi)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(huì)上升，可能影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)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(huì)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(chǔ)能環(huán)節(jié)，它在再生制動(dòng)時(shí)吸收能量，避免浪費(fèi)；在啟動(dòng)或加速時(shí)提供部分功率支持，減少牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)[1，2]。

本文研究了超級(jí)電容的充放電特性和城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn)，選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能介質(zhì)，搭建軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)電壓起到穩(wěn)定作用。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置及策略

城市軌道車輛在再生制動(dòng)時(shí)，牽引直流側(cè)電壓升高，在啟動(dòng)和加速時(shí)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(duì)超級(jí)電容充電放電，可以實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路圖

2 超級(jí)電容

超級(jí)電容的特點(diǎn)有：循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)50 萬次以上；功率密度大，約是鉛酸電池的20 倍，短時(shí)間大功率充放電能力強(qiáng)；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(diǎn)是區(qū)間運(yùn)行時(shí)間短，啟停頻繁，短時(shí)間電壓尖峰明顯。所以超級(jí)電容的特性恰好（或正好）滿足城市軌道交通儲(chǔ)能的需求，比其他儲(chǔ)能方式具有更好的性能匹配和更高的性價(jià)比。

超級(jí)電容的荷電狀態(tài)SOC（State of Charge）用以表示電池的電荷狀態(tài)，即充電的百分比程度

超級(jí)電容的荷電狀態(tài)僅與端電壓有關(guān)，所以充電狀態(tài)容易被檢測(cè)監(jiān)控。

超級(jí)電容不能用一個(gè)電容器來準(zhǔn)確描述，需要用一個(gè)復(fù)雜的電阻和非線性電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來描述。為了方便實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證儲(chǔ)能器的功能，現(xiàn)將超級(jí)電容用一個(gè)近似的電容和電阻的串聯(lián)模型替代，如圖1 所示。

3 雙向DC/DC 變換器

系統(tǒng)采用了半橋型雙向DC/DC 變換器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，超級(jí)電容接V2側(cè)，V1側(cè)接直流母線。該結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、器件少、成本低，由于沒有變壓器損耗，散熱少，工作效率也較高。

圖2 半橋型雙向DC/DC 變換器電路圖

3.1 充電模式

當(dāng)電機(jī)減速制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器吸收回饋到直流母線的能量，此時(shí)雙向DC/DC 變換器工作在buck 模式。此時(shí)IGBT1 工作，電流流向超級(jí)電容側(cè)，在t＜ton時(shí)段IGBT1 導(dǎo)通充電，ton＜t 時(shí)段IGBT1 截止，二極管續(xù)流（圖3）。

圖3 DC/DC 變換器充電工作模式電路圖

3.2 放電模式

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)和加速時(shí)，電機(jī)需要較大功率，超級(jí)電容釋放電能提供功率支持，雙向DC/DC 變換器工作在boost 模式。此時(shí)IGBT2 工作，電流由超級(jí)電容流向直流側(cè)，在t＜ton時(shí)段IGBT2 導(dǎo)通，電容L 產(chǎn)生電流，ton＜t 時(shí)段IGBT2 截止，二極管續(xù)流，電流流向直流側(cè)（圖4）。

圖4 DC/DC 變換器放電工作模式電路圖

4 控制策略

控制主要目的是減小電壓波動(dòng)，同時(shí)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(chǔ)能量控制在一個(gè)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(cè)量直流側(cè)電容電壓可以間接獲得負(fù)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(shè)定當(dāng)直流側(cè)電壓小于V1時(shí)，牽引功率為正，列車正在啟動(dòng)或加速，需要能量支持，超級(jí)電容器釋放能量，以保證直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)直流側(cè)電壓大于V4時(shí)，牽引功率為負(fù)，有制動(dòng)能量產(chǎn)生，此時(shí)儲(chǔ)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。

圖5 能量控制策略圖

5 結(jié)束語

本文介紹了超級(jí)電容儲(chǔ)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(xì)說明了儲(chǔ)能裝置的工作原理，以及控制策略。

隨著超級(jí)電容產(chǎn)品的日益成熟，生產(chǎn)成本隨之下降，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置裝備在城市軌道系統(tǒng)中的性價(jià)比也開始凸現(xiàn)。加之對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的提高，這一裝置會(huì)很快應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域。

[1] 陳朗.超級(jí)電容在軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)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(jí)電容能力回收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)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(jī)械工業(yè)出版社，2006.