DC 1 500 V供電的城市軌道交通車輛超級電容儲能技術(shù)分析

曾先光 徐志榮 奚華峰

(南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師)

目前，用于城市軌道交通領(lǐng)域的超級電容儲能裝置主要有西門子公司的SITRAS SES和龐巴迪公司的Mitrac En.Saver。這些裝置大都針對600V和750V的直流供電系統(tǒng)，其構(gòu)成主要為雙向DC/DC變換器和超級電容儲能單元等。對于1 500 V的直流供電系統(tǒng)還沒有非常成功的使用案例。這是因為初始制動時，反饋的功率和電流非常大，且超級電容組電壓不工作在恒定電壓，而是在一個較大的范圍內(nèi)變化。因此，對于DC 1 500 V供電系統(tǒng)，超級電容儲能裝置不僅設(shè)計難度大，成本也非常高。

1 超級電容儲能裝置主要參數(shù)

1.1 列車再生制動分析

1 500 V直流供電系統(tǒng)的車輛再生制動功率峰值非常大，并且持續(xù)時間短。例如，某城市地鐵為2動1拖、6輛編組，AW2(滿載)載荷下，電制動完全能滿足制動要求，其制動力曲線如圖1，列車再生制動的最大輪軸電功率為6 800 kW。

圖1 AW2載荷下制動力曲線

考慮傳動系統(tǒng)的效率，齒輪箱為97%，電機(jī)為94%，牽引逆變器為97%(電機(jī)和逆變器效率為非恒定值，本文按此值進(jìn)行分析)，則列車反饋輸出的最大電制動功率Pback=6 800 kW×η=6 014 kW，其中η=97%×94% ×97%。由峰值功率和公式Iback=Pback/U(U為接觸網(wǎng)電壓)可以確定峰值電流也非常大。

此例中，列車在AW2(338 t)狀態(tài)下，電制動完全可以滿足80～6 km/h時的制動(列車速度小于8 km/h時，電制動開始淡出)。計算忽略轉(zhuǎn)動慣量、列車阻力，考慮傳動效率，則列車反饋輸出的再生制動總能量為:

1.2 超級電容儲能裝置主要參數(shù)分析

超級電容儲能裝置主要使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。超級電容與供電網(wǎng)進(jìn)行的能量交換是通過控制雙向DC/DC變換器對超級電容進(jìn)行充放電來實(shí)現(xiàn)的。

圖2 儲能裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

若按照列車反饋到接觸網(wǎng)的功率和能量設(shè)計儲能裝置，無疑增加了設(shè)計難度。因此，可考慮按1輛動車進(jìn)行設(shè)計，然后再配置相同動車數(shù)量的儲能裝置，一樣可以滿足列車的電制動要求。

將Pback和Eback擬合到每輛動車進(jìn)行均分，則每輛動車反饋到接觸網(wǎng)的最大功率為:

每輛動車反饋到接觸網(wǎng)的能量為:

假設(shè)反饋到接觸網(wǎng)功率最大、網(wǎng)壓也剛達(dá)到1 700 V時，儲能裝置開始工作，若超級電容組的電壓為初始電壓600 V，此時DC/DC變換器需要承受的最大電流約為:

選擇如此大電流的開關(guān)管比較困難，因此可以選擇2個1 500 A/3 300 V的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)并聯(lián)。

擬選擇額定工作電壓為2.7 V、絕緣電壓為2.85 V、容量為3 000 F、最大持續(xù)工作電流為150 A的超級電容。若放電深度?=0.5，則超級電容單體儲存的能量為:

若考慮吸收每輛動車的全部電制動能量(實(shí)際中可以考慮一個百分比)，則至少需要的超級電容個數(shù)為:

確定了超級電容的個數(shù)后，根據(jù)雙向DC/DC變換器的參數(shù)和模組工作電壓范圍，并考慮工作電流等因素，對超級電容的串并聯(lián)配置進(jìn)行優(yōu)化組合，以達(dá)到最佳的儲能狀態(tài)。例如375×6(共2 250個超級電容)的組合，其超級電容模組的最高工作電壓為1 012.5 V(放電深度為0.5時，最小工作電壓約為506.25 V，滿足變換器的升壓比)，絕緣電壓為1 068.75 V，最大持續(xù)電流為900 A。儲能裝置不是工作在持續(xù)的工作狀態(tài)，其最大電流為最大持續(xù)電流的3～4倍均可。

2 儲能裝置的設(shè)計優(yōu)化

實(shí)際上，城市軌道交通車輛電制動能量的利用與行車密度有很大關(guān)系，如果行車密度大，則列車制動時反饋的電能就可提供給其他正在加速的列車使用。因此，沒必要按照最大電制動功率(或最大電流)設(shè)計DC/DC變換器的功率。

從圖1可知，在電制動過程中，再生制動的輪軸峰值功率6 800 kW只短時間出現(xiàn)在65 km/h附近。若允許列車在制動過程中網(wǎng)壓抬升，只要不超過1 800 V(制動電阻開啟電壓)，儲能裝置依然能夠起到很好的節(jié)能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的作用。

不妨考慮限制儲能裝置的最大工作電流，如最大工作電流為1 000 A，紋波電流為20%，則峰值電流為1 200 A。這樣，便可以選擇一個1 500 A/3 300 V的IGBT。

假設(shè)儲能裝置在初始工作時，以1 000 A的恒定電流將超級電容由500 V充電至850 V，然后不論列車反饋到接觸網(wǎng)的功率如何變化，以恒功率或限壓充電至1 000 V，充電電流減小。則給超級電容的初始充電功率為500 kW，最大充電功率為850 kW。

儲能裝置的儲能和抑制網(wǎng)壓的效果與其充電時間關(guān)系密切。375×6的超級電容組合的總?cè)萘緾==48F，則以1 000 A電流將超級電容由500 V充電至850 V所需的時間t=ΔU·C/I=16.8 s。列車制動性能與時間的關(guān)系如圖3。

根據(jù)圖2和圖3擬合出圖4。即對每輛動車反饋的電制動功率(考慮了輔助逆變器消耗的功率)和儲能裝置吸收的功率。根據(jù)速度和制動時間繪制曲線(速度和時間變化一致)。

圖3 列車制動性能與時間的關(guān)系

圖4 儲能裝置功率與電制動反饋功率關(guān)系

圖4中，A1為左邊兩功率曲線間的面積，A2為右邊兩功率曲線間的面積，單位為kW，對時間積分即為能量。A2可通過調(diào)整充電時間(曲線斜率)來改變。這樣，儲能裝置的設(shè)計依據(jù)為:① A2表示的能量不會抬升網(wǎng)壓至(或超過)1 800 V;②A1不為負(fù)數(shù)，即儲能裝置吸收功率不小于電制動反饋功率。

因此，可通過調(diào)整儲能裝置的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，將圖4優(yōu)化為圖5的形式。即儲能裝置吸收的功率上升到與電制動反饋功率相等時，便與電制動反饋功率同步下降至零為止。這樣依然可滿足儲能裝置的設(shè)計依據(jù)。

另外，可以對儲能裝置進(jìn)行模塊化設(shè)計，如DC/DC雙向變換器并聯(lián)或串聯(lián)以達(dá)到大功率的目的;超級電容模塊根據(jù)變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置，滿足能量儲存容量的需求;可通過不同的配置滿足不同的需求。模塊化設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)可以概況為以下幾個方面:

圖5 優(yōu)化后的曲線

(1)可以減小每臺變換器的設(shè)計容量。儲能裝置由多個等單元組成，要達(dá)到一定容量的儲能裝置，只需優(yōu)化配置等單元數(shù)量。

(2)超級電容模塊可以直接從供應(yīng)商獲得。可選擇不同額定電壓、工作電流和容量的模塊;且模組內(nèi)已做好了均壓等保護(hù)電路，設(shè)計時只需考慮模組之間的均壓等，降低了設(shè)計難度。

3 結(jié)語

本文針對DC 1 500 V供電的軌道交通車輛的再生制動特點(diǎn)，總結(jié)了超級電容儲能裝置設(shè)計的難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的設(shè)計思路和優(yōu)化設(shè)計方案。通過優(yōu)化降低了設(shè)計難度。在滿足不同容量需求的應(yīng)用時，使用模塊化設(shè)計減少了設(shè)計的周期和重復(fù)性，提高了大容量儲能裝置設(shè)計的可行性。

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