超級(jí)電容城市軌道列車能量管理系統(tǒng)研究

張玉龍，俞建軍，朱品昌，陳 寧（張玉龍/浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州，310053）

超級(jí)電容城市軌道列車能量管理系統(tǒng)研究

張玉龍，俞建軍，朱品昌，陳 寧
（張玉龍/浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州，310053）

結(jié)合超級(jí)電容特性與城市軌道交通列車以其站間距離短頻繁加速、啟動(dòng)、制動(dòng)高負(fù)荷大功率運(yùn)行的特點(diǎn)，給出超級(jí)電容等效電路及SOC測(cè)量方法，提出超級(jí)電容城市軌道列車能量管理方法。利用DC/DC逆變器buck模式與boost模式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)車輛總線電壓在加速、制動(dòng)時(shí)趨于穩(wěn)定，能量轉(zhuǎn)移控制過(guò)程加入系統(tǒng)通訊故障自處理部分，消弱了高壓強(qiáng)電磁環(huán)境干擾影響。

超級(jí)電容；軌道交通； DC/DC逆變器；能量回收；故障處理

0 引言

城市人口比例不斷增加，路面交通擁堵愈演愈烈，大運(yùn)量高密度的城市軌道交通工具地位凸顯。數(shù)據(jù)顯示，提供城市軌道交通的能量，僅有大約十分之一的能量消耗于輔助列車運(yùn)行，剩下的城市軌道交通耗能主要集中在啟動(dòng)和制動(dòng)階段，其中制動(dòng)消耗的能量過(guò)半。合理的設(shè)計(jì)列車運(yùn)行方法，妥善處理制動(dòng)能量消耗，是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通節(jié)能減排重要途徑。傳統(tǒng)城市軌道列車使用的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的變頻調(diào)速系統(tǒng)，既變頻電機(jī)電流與電壓不同相時(shí)器件儲(chǔ)存能反充電源可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能回收，這種變頻技術(shù)極大促進(jìn)軌道列車制動(dòng)能回收再利用的發(fā)展。這種僅僅依靠電網(wǎng)供電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)列車動(dòng)態(tài)工況變化存在一些缺陷，列車在啟動(dòng)、加速、上坡時(shí)需要較大電能支撐消耗較大，城市軌道列車高峰期這種影響直接增加了城市電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。列車在制動(dòng)和減速等工況時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)快速充電，高峰時(shí)期電網(wǎng)回收的電能會(huì)引起供電電壓增加，所升電壓不及時(shí)處理勢(shì)必增加網(wǎng)絡(luò)電路中能量消耗。

由此，超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)就是結(jié)合城市軌道交通系統(tǒng)，頻繁的啟動(dòng)、加速、制動(dòng)特點(diǎn)，優(yōu)化出一種合理方案。列車啟動(dòng)加速時(shí)釋放所補(bǔ)充所需電壓，減速制動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)制動(dòng)回收的電能。優(yōu)化超級(jí)電容能量管理系統(tǒng)可以起到較好的節(jié)能效果，能量回收再利用降低軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，又減輕了高峰期城市電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。

1 超級(jí)電容特性

超級(jí)電容利用活性碳多孔電極與電解液組成雙電層結(jié)構(gòu)的雙電層電容器，當(dāng)兩端加電壓時(shí)兩個(gè)電極分別正負(fù)極化，電解液中正負(fù)離子分別游離各自電荷相反的電極而形成兩個(gè)集電層，猶如兩個(gè)串聯(lián)的電容。

A為極板面積，d為介質(zhì)厚度，C為電容值μF，Uc為電容端電壓。超級(jí)電容所存儲(chǔ)能量：

結(jié)合式子（1）（2）可知，超級(jí)電容儲(chǔ)能能力取決于自身極板面積、介質(zhì)厚度，活性炭單位質(zhì)量表面積極大，電極面之間厚度極小，所以超級(jí)電容儲(chǔ)能能力突出。極板間電解質(zhì)離子游動(dòng)發(fā)生的是物理變化，內(nèi)阻極小這樣特點(diǎn)成就超級(jí)電容可以大功率迅速充電放電。

超級(jí)電容荷電核量SOC（State of Charge）既超級(jí)電容瞬時(shí)能量值Ec與其可存儲(chǔ)的最大能量值的比值表示超級(jí)電容的核電狀態(tài)：

由公式（2）（3）可知：

圖1 超級(jí)電容內(nèi)部等效電路模型

超級(jí)電容動(dòng)態(tài)工作過(guò)程會(huì)受到環(huán)境溫度、充放電流、荷電狀態(tài)等因素影響，圖1模型雖然難以模擬出超級(jí)電容動(dòng)態(tài)特性，但可以簡(jiǎn)單反映出超級(jí)電容許多特性，計(jì)算出超級(jí)電容斷路電壓。

圖中顯示為放電過(guò)程，充電時(shí)電流方向相反，C超級(jí)電容容量，U1為輸出電壓，R2等效并聯(lián)電阻充放電時(shí)對(duì)電路影響甚微靜態(tài)漏電流v=起作用需R2盡可能大，R1充放電影響總電路應(yīng)盡可能小。

分析超級(jí)電容自身特性，了解超級(jí)電容是一個(gè)大容量?jī)?chǔ)能電器元件，具有比功率高，充電放點(diǎn)時(shí)間迅速，環(huán)保壽命長(zhǎng)特性。利用超級(jí)電容充電放電迅速與儲(chǔ)能能力可以解決軌道列車供電系統(tǒng)高峰供電壓力與制動(dòng)能回收升壓?jiǎn)栴}。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

絕緣柵雙極晶體管變流器根據(jù)軌道列車供電電網(wǎng)電壓的變化向超級(jí)電容充電或放電，減速或制動(dòng)能回收時(shí)超級(jí)電容存儲(chǔ)電網(wǎng)回收的制動(dòng)能，加速啟動(dòng)時(shí)超級(jí)電容補(bǔ)充供電電網(wǎng)低于設(shè)定值的電能。

圖2 絕緣柵雙極晶體管變壓逆變器拓?fù)鋱D

如下圖2所示，當(dāng)列車到站制動(dòng)時(shí)供電電網(wǎng)將制動(dòng)回收的能量存儲(chǔ)超級(jí)電容，DC/DC變換器將較大的直流電轉(zhuǎn)換為較小直流電并快速充電，進(jìn)入降波斬波器buck模式。絕緣柵雙極晶體管K2導(dǎo)通，K1關(guān)斷，總線電壓想超級(jí)電容反饋能量。0〈t〈ton時(shí)段，K2導(dǎo)通，總線電壓向電感蓄電；ton〈t時(shí)段，K1導(dǎo)通，電感蓄能電流經(jīng)T1繼續(xù)流向超級(jí)電容側(cè)。

當(dāng)列車啟動(dòng)加速牽動(dòng)供電降至設(shè)定最低值時(shí)超級(jí)電容放電，K1導(dǎo)通，K2閉合，電流由超級(jí)電容流向總線電壓側(cè)流動(dòng)。0〈t〈ton時(shí)段，K1導(dǎo)通，超級(jí)電容向電感蓄電；ton〈t時(shí)段，K2導(dǎo)通，電感蓄能電流經(jīng)T2繼續(xù)流向總線電壓側(cè)流動(dòng)。

4 超級(jí)電容與總線控制方法

超級(jí)電容結(jié)合軌道交通列車運(yùn)行工況的能量控制策略，解決負(fù)載供電總線因?yàn)榱熊囶l繁啟動(dòng)加速大功率功能拖低電壓，到站減速與制動(dòng)能回收引起的電壓升高，這些城市軌道交通頻繁出現(xiàn)的工況引起的總線電壓起伏不穩(wěn)工況問(wèn)題，以避免總線高壓波動(dòng)大電流燒損輔助器件。超級(jí)電容為負(fù)載總線因加速啟動(dòng)放電補(bǔ)充額外能量，電壓不低于總電壓的一半，荷電狀態(tài)SOC控制在四分之一以上，所以如圖3所示，要對(duì)超級(jí)電容充放電檢測(cè)，保證SOC處于設(shè)定的40%-80%理想狀態(tài)范圍內(nèi)，以應(yīng)對(duì)較少情況減速制動(dòng)能過(guò)多而無(wú)法回收。同時(shí)在超級(jí)電容靜態(tài)時(shí)要考慮自身漏電影響，確保最終超級(jí)電容SOC值的瞬態(tài)準(zhǔn)確性。

圖3 超級(jí)電容與總線控制關(guān)系框圖

總線電壓側(cè)隨運(yùn)行工況變化引起的電壓電流波動(dòng)，也通過(guò)檢測(cè)實(shí)時(shí)地向控制系統(tǒng)傳遞信號(hào)?？刂茊卧幚韥?lái)自超級(jí)電容荷電狀態(tài)與負(fù)載總線運(yùn)行瞬時(shí)電壓電流信號(hào)，操縱超級(jí)電容充放電與DC/DC逆變器應(yīng)處于buck狀態(tài)還是boost狀態(tài)。

圖4 控制系統(tǒng)信號(hào)處理流程圖

如圖4所示，超級(jí)電容能量管理控制策略突出信息處理關(guān)鍵作用，控制的是強(qiáng)電流大功率開通與關(guān)斷，間接控制高壓超級(jí)電容充放電，均要考慮電磁干擾與漏電保護(hù)，所以要有系統(tǒng)故障自處理系統(tǒng)。檢測(cè)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的穩(wěn)定性，出現(xiàn)比較小的擾流信號(hào)時(shí)發(fā)出故障信號(hào)，不可抗拒故障時(shí)應(yīng)發(fā)出終止系統(tǒng)運(yùn)行程序。

5 總結(jié)

城市軌道交通列車以其站間距離短頻繁加速、啟動(dòng)、制動(dòng)高負(fù)荷大功率運(yùn)行的特點(diǎn)，極其適用超級(jí)電容充放電迅速比功率高特性。提出超級(jí)電容SOC與端電壓之間關(guān)系，分析超級(jí)電容等效電路以及超級(jí)電容能量管理策略。控制DC/DC逆變器buck模式與boost模式轉(zhuǎn)換并檢測(cè)超級(jí)電容與總線側(cè)電壓以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容與總線電壓側(cè)之間能量的轉(zhuǎn)移。

能量回收與軌道交通聯(lián)網(wǎng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制能量回收系統(tǒng)運(yùn)行是能源管理策略設(shè)計(jì)關(guān)鍵，具有意義非凡的研究?jī)r(jià)值。超級(jí)電容產(chǎn)品的成熟與成本下降之后，以及社會(huì)對(duì)環(huán)保能源的渴求，促使超級(jí)電容城市軌道交通列車正在加速向我們駛來(lái)。

［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 vehiclesutilizing a based DC-DC boost converter.Applied PowerElectronics Conference and Exposition，2004.NineteenthAnnual IEEE，2004，2： 1 160-1 164.

［4］ 聶晶鑫.超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用［J］.城市快軌交通，2011，（2）：48-50.

張玉龍，男，1983.02，浙江杭州，漢族，教師，助教，新能源汽車。

Super capacitor energy management system of city railway train

Zhang Yulong，Yu Jianjun，Zhu Pinchang，Chen Ning
（zhang yl/mechanical and electrical professional technology institute of zhejiang.hangzhou，310053）

Combining with the super capacitor characteristics and urban rail transit train with its stand the distance between the short frequent braking acceleration， start，load high power operation，the characteristics of super capacitor equivalent circuit is given and the method for measuring the SOC，super capacitor energy management methods of urban rail train is put forward.Using the model of buck DC/ DC inverter and boost conversion to realize vehicle bus voltage stable during acceleration，braking，energy transfer control process to join the communication failure since the processing parts，weaken the high pressure of strong electromagnetic interference environment

super capacitor；Rail transit；DC/DC inverter；Energy recovery.Fault handling