基于超級電容的地鐵列車再生制動能量利用分析

張 一 成建國 吳松榮 郭世明 陳 靜

(1.深圳市地鐵集團有限公司,518000,深圳; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,610031,成都∥第一作者，工程師)

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基于超級電容的地鐵列車再生制動能量利用分析

張 一1成建國1吳松榮2郭世明2陳 靜2

(1.深圳市地鐵集團有限公司,518000,深圳; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,610031,成都∥第一作者，工程師)

為吸收地鐵列車再生制動能量,對比了多種能量回收技術(shù)。研究一種基于非隔離雙向DC/DC變換器的超級電容儲能裝置,分析了其工作原理和結(jié)構(gòu)特點。在列車制動時,儲能裝置吸收制動能量,列車加速時釋放能量,減少了能源浪費。根據(jù)地鐵運行工況,分析了儲能裝置容量配置及能量管理控制策略。通過仿真驗證了方案的可行性。

地鐵列車； 再生制動; 儲能裝置; 超級電容

First-author′s address Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.,518000,Shenzhen,China

城市軌道交通制動能量再生利用技術(shù)現(xiàn)已得到重視。電力牽引傳動系統(tǒng)電制動時，牽引電機由電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài),列車的動能轉(zhuǎn)化為電能回饋到直流牽引網(wǎng),既回收了部分動能,又減少了摩擦制動的損耗。在列車起動、制動頻繁的場合,可回收的再生制動能量相當(dāng)可觀[1-2]。通常地鐵列車再生制動能量占牽引能量的20%～40%。這部分能量中的20%～80%會被吸收利用,而剩余能量則由列車的制動電阻熱消耗掉[3]。在大運量、高密度的運行條件下,電阻制動會在地鐵隧道內(nèi)產(chǎn)生大量熱量,使得隧道溫度升高,加大了空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)的負擔(dān)。

針對常規(guī)電阻制動的能源浪費問題,本文對比研究了再生制動能量利用方式,闡述了其優(yōu)缺點。根據(jù)某地鐵線路運營時刻表和線路參數(shù),研究了基于超級電容器的儲能方式和相應(yīng)的雙向變換器控制策略。該方案實現(xiàn)了再生制動能量的合理利用,并且穩(wěn)定了直流牽引網(wǎng)壓。

1 再生制動能量回收技術(shù)

目前,地鐵再生制動能量的使用方式主要包括電阻消耗型、逆變回饋型以及儲能型等。其中，電阻消耗型不僅不能利用電能,而且會造成環(huán)境溫度上升,增加通風(fēng)散熱負擔(dān)。因此,本文僅對比研究逆變回饋型和儲能型兩種方式。

1.1 逆變回饋型

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置采用晶閘管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等電力電子器件構(gòu)成三相逆變器,將再生制動能量逆變至變電所負載側(cè)或者電網(wǎng)側(cè)。圖1為逆變回饋型再生制動能量吸收方式原理圖。從成本及安全性考慮,早期多采用晶閘管。由于該方式將再生制動能量回饋到電網(wǎng)時要考慮電壓、頻率、相位、諧波等問題,還要考慮并網(wǎng)政策等因素,因此，僅在日本札幌地鐵、韓國釜山地鐵等有少量應(yīng)用。這種方式具有明顯的缺點:需要變比大的變壓器和較大的電抗器,會對電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生畸變影響。

圖1 逆變回饋型再生制動能量吸收方式原理圖

文獻[4-5]提出了采用IGBT器件的PWM(脈沖寬度調(diào)制)逆變回饋方式。IGBT器件開關(guān)頻率高、回饋電能的諧波含量小,因此，所需要的電抗器容量遠小于晶閘管方案。目前,在地鐵變電所供電變換裝置中采用的二極管不可控整流對電網(wǎng)存在嚴(yán)重的電流諧波污染。當(dāng)牽引供電網(wǎng)有剩余能量時,逆變回饋裝置向交流供電網(wǎng)反饋能量。如牽引供電網(wǎng)沒有剩余能量，則逆變回饋裝置工作于有源濾波(Active power filter,簡為APF)模式,可有效改善交流供電網(wǎng)的電能質(zhì)量,也可提高該裝置的利用率。此技術(shù)已經(jīng)在南非鐵路上得到應(yīng)用,并由天津地鐵3號線首次引入國內(nèi)。為適用于大功率場合,PWM逆變器多采用多電平結(jié)構(gòu),其存在主電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且自耦變壓器等裝置占地空間大、控制復(fù)雜。

文獻[6]提出將變電所中二極管整流器替換為PWM整流器。這樣,PWM整流器可在制動時作為逆變器使用,無需額外的再生制動吸收裝置,并且減小了鋼軌沿線的迷流。東京地鐵Tsukuba Express已經(jīng)應(yīng)用該項技術(shù)。但是該項技術(shù)涉及到線路的改造,初期投入成本較大,國內(nèi)僅僅處于研究階段。

1.2 儲能型

利用儲能裝置來吸收剩余的再生制動能量,可有效抑制牽引網(wǎng)直流電壓升高。儲能裝置在地鐵列車加速時釋放能量,不僅使再生制動能量得到有效利用,還可防止?fàn)恳W(wǎng)直流電壓跌落。

根據(jù)儲能裝置安裝位置的不同,儲能式再生制動能量吸收方案分為車載式儲能方式和地面式儲能方式兩種。車載式儲能方式以龐巴迪公司Mitrac儲能系統(tǒng)為典型代表,將超級電容器儲能裝置安裝在輕軌車或者地鐵列車頂部,節(jié)能可高達30%。地面式儲能方式以西門子公司的SITRAS SES型靜止式儲能系統(tǒng)為典型代表,將儲能裝置安裝在牽引變電所內(nèi)。美國波特蘭輕軌采用了這一方式。儲能型再生制動能量利用方式可避免逆變回饋方式對電網(wǎng)的沖擊、諧波污染等問題。

目前,超級電容作為儲能元件備受關(guān)注,其具有功率密度高、循環(huán)充放電次數(shù)高、使用壽命長等顯著優(yōu)點,但也存在成本高、裝置體積大等不足。國內(nèi)有多家超級電容制造廠商(如北京合眾匯能,錦州富辰公司，北京集星公司，上海奧威公司等)。超級電容成本正在逐漸下降,具有良好的應(yīng)用前景。

以超級電容儲能器構(gòu)成的車載式儲能系統(tǒng)示意圖如圖2所示。車載儲能系統(tǒng)安裝在車體內(nèi)部,將超級電容儲能系統(tǒng)通過雙向DC/DC變換器并聯(lián)在受電弓與牽引逆變器之間(如圖3所示)。車載超級電容儲能系統(tǒng)與直交傳動系統(tǒng)并聯(lián)連接,其控制相互獨立。

注：Iv為直交傳動系統(tǒng)所需電流,Il為直流牽引網(wǎng)提供電流,Is為儲能系統(tǒng)提供電流；VVVF為牽引逆變器；M為牽引電機

圖2 車載儲能系統(tǒng)示意圖

相對于車載儲能方式,地面儲能方式存在以下問題:①列車制動產(chǎn)生的制動電流通路較遠,牽引網(wǎng)電壓下降較大,當(dāng)能量傳輸?shù)降孛鎯δ苎b置時,線路電壓可能小于儲能充電閾值電壓,使得地面儲能裝置沒有進入能量吸收狀態(tài)。②由于能量回饋電流的通路遠,流經(jīng)牽引網(wǎng)的線路損耗大于車載儲能系統(tǒng)。

車載儲能方式制動電流通路幾乎為零,不僅可規(guī)避地面儲能方式存在的問題,還具有下述優(yōu)勢:①儲能裝置可安裝在車頂,具有天然的通風(fēng)散熱條件;②地鐵列車加速時,儲能系統(tǒng)提供部分能量,降低了牽引網(wǎng)線電流,從而降低了線路壓降,可以增加變電所間距;③儲能裝置可提供短時間能量,實現(xiàn)短時無接觸網(wǎng)運行[7]。

表1為車載儲能、地面儲能及逆變回饋三種方式的性能比較。綜合比較各種性能指標(biāo)可見,車載儲能方式是一種較為合理的再生制動能量回收方案。本文擬對此方案開展研究。

表1 再生制動能量回收方案比較

2 基于超級電容的車載儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點

超級電容器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型儲能元件,是一種基于新材料和新工藝、具有很大電容密度的電容器。超級電容在儲能過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),具有功率密度高、充電時間短、使用壽命長等優(yōu)異特性,是一種比較理想的儲能器件[8]。

利用雙向DC/DC變換器和超級電容儲能模塊構(gòu)成的再生制動能量吸收裝置電路原理如圖3所示。儲能裝置在列車制動運行時吸收能量,在列車牽引運行時釋放能量。儲能裝置的主要作用是存儲能量和穩(wěn)定線網(wǎng)電壓。當(dāng)列車的再生制動能量沒被鄰近的車輛吸收時,儲能裝置的電壓傳感器可實時監(jiān)測電壓變化。當(dāng)電壓增大到裝置預(yù)設(shè)的電壓時,開關(guān)管S1動作、S2關(guān)斷,雙向DC/DC變換器工作于Buck模式。此時，制動能量流向超級電容器組,牽引網(wǎng)電壓降低。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低到預(yù)設(shè)電壓時,開關(guān)管S2動作、S1關(guān)斷,雙向DC/DC變換器工作于Boost模式。此時，超級電容組能量流向牽引網(wǎng),牽引網(wǎng)電壓升高。儲能裝置在Buck模式和Boost模式之間的切換,既保證了再生制動能量被吸收,又能使電壓穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

為了減小電流紋波和二極管反向恢復(fù)電流,采用三相雙向DC/DC變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu),同時采取交錯控制方式(如圖4所示)。三相雙向變換器中的每個單元負擔(dān)1/3負載電流。由于交錯移相控制器將載波分別移相2π/3,開關(guān)管S1、S3、S5的控制信號分別相差2π/3相位而同一橋臂開關(guān)管(比如S1和S2)互補導(dǎo)通。這樣,雙向DC/DC變換器可獲得較小的電流與電壓紋波。

圖3 車載超級電容裝置電路原理圖

圖4 雙向變換器拓撲結(jié)構(gòu)

3 車載超級電容儲能系統(tǒng)容量配置及仿真結(jié)果

3.1 制動能量仿真計算

地鐵列車在運行中,受到阻力包括基本阻力和附加阻力。為了簡化分析,基本阻力采用經(jīng)驗公式:

fw= 516n+M(0.006 374+0.000 329 1v)+

11.187v2

(1)

式中:

fw——基本阻力，kN;

n——列車編組數(shù);

M——列車質(zhì)量,t;

v——列車運行速度,km/h。

附加阻力包括坡道附加阻力f1(kN)和曲線附加阻力f2(kN)。其中

(2)

式中:

i——線路坡度,‰;

g——重力加速度,取9.8 m/s2。

(3)

式中:

R——曲線半徑,m。

根據(jù)地鐵A型車車輛參數(shù)及編組方式(4動2拖),列車額定功率為4×4×190 kVA、列車傳動比為6.6875、車輪直徑為840 mm,空載(AW0)時列車質(zhì)量為214 t;輕載(AW1)時列車質(zhì)量為230 t;滿載(AW2)時列車質(zhì)量為320 t;超載(AW3)時列車質(zhì)量為360 t。

以深圳某地鐵線路為依據(jù),牽引網(wǎng)電壓等級為1 500 V(波動范圍為1 000 V～1 800 V),曲線半徑R=450 m,坡度i=1.2‰。利用Matlab/Simulink搭建地鐵列車仿真系統(tǒng)，針對不同載員(AW1、AW2、AW3)、不同制動初速度的工況進行仿真計算。為了簡化仿真,假設(shè)列車起動和制動時，牽引電機采用恒轉(zhuǎn)矩方式運行,牽引加速度為1.0 m/s2,制動加速度為1.2 m/s2。圖5為不采用儲能裝置時,制動初速度為60 km/h,在AW2工況下的牽引網(wǎng)電壓和牽引網(wǎng)功率的仿真波形。由圖5可知,列車在AW2工況起動時,牽引網(wǎng)電壓跌落至1 300 V,最大起動功率為4.8 MW;制動時牽引網(wǎng)電壓迅速上升至1 800 V,制動電阻開始工作,列車饋送到牽引網(wǎng)的最大制動功率為5.9 MW,其最大制動功率約為最大起動功率的1.2倍,與加速度的設(shè)定基本一致。根據(jù)圖5的仿真計算結(jié)果,可計算出列車牽引能耗及再生制動能量。

按照相同方式可以求得在不同制動初速度、不同載員情況下的列車能耗及制動能量(如表2所示)。由表2可知，在制動初速度為80 km/h、AW3情況下,制動能量最大,理論最大可回收制動能量為22.2 kWh。

圖5 不采用儲能裝置時牽引網(wǎng)電壓和功率波形

工況制動初速度/(km/h)牽引能耗/kWh制動能量/kWhAW1609.17.87012.710.98016.413.6AW26012.711.27017.515.78022.619.8AW36014.112.67020.217.38026.822.2

3.2 儲能裝置容量配置與仿真分析

根據(jù)車輛制動能量仿真分析計算結(jié)果,不考慮發(fā)車密度,列車制動時產(chǎn)生的能量完全由車載儲能裝置吸收。根據(jù)深圳地鐵某線路參數(shù)可知,列車制動初速度一般不超過60 km/h。因此,本文以制動初速度60 km/h,AW2工況為依據(jù)對儲能裝置進行容量配置。

選用某型超級電容器，其單體容值為3 500 F,單體額定電壓為2.7 V,持續(xù)電流為600 A,最大電流為1 240 A。在放電深度為50%的情況下,其單體儲能容量為Ec=1/2×CU2×75%=9 568(J)。

根據(jù)能量約束法,超級電容串并聯(lián)個數(shù)為n×m>11.2×3.6×106/9 568=4 215。為了減小IGBT電流應(yīng)力,超級電容組最高端電壓設(shè)計為1 400 V,最低端電壓為700 V?？紤]裕量,串聯(lián)數(shù)n=550,并聯(lián)數(shù)m=9。因此,共需要519×9=4 671個超級電容,其電容約為55 F。

在AW2、制動初速度為60 km/h、制動加速度取1.2m/s2工況下,對采用超級電容儲能裝置后的牽引網(wǎng)電壓和牽引網(wǎng)功率進行仿真分析,得到仿真波形圖(見圖6)。超級電容初始電壓設(shè)置為1 200 V。由圖6可知,列車起動時,網(wǎng)壓跌落至1 400 V,牽引網(wǎng)最大起動功率為3.2 MW;列車制動時,最高網(wǎng)壓為1 760 V。與圖5相比,牽引時由于車載儲能裝置提供能量,故牽引網(wǎng)最大起動功率降低1.6 MW；制動時，由于車載儲能裝置吸收能量，故列車饋送到牽引網(wǎng)的最大制動功率降低到0.6 MW。牽引與制動時網(wǎng)壓波動情況得到明顯改善。

圖7為超級電容端電壓、功率以及儲能變化波形。列車牽引運行時,超級電容釋放能量；當(dāng)端電壓由1 200 V下降至700 V時,超級電容不再放電,且超級電容的最大提供功率為3.3 MW,完全釋放能量7.26 kWh。列車制動時,超級電容吸收能量；當(dāng)端電壓由700 V上升至1 255 V時,超級電容最大吸收功率為4.5 MW,吸收能量為8.29 kWh,約為制動能量的74%。

圖6 采用儲能裝置時牽引網(wǎng)電壓和功率波形

4 儲能管理及其控制技術(shù)

為保證車載超級電容儲能裝置在制動和牽引工況下均合理吸收和釋放制動能量,以達到節(jié)能和穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的目的?；趫D4三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器主電路拓撲,采用圖8所示的變換器控制策略。圖8中,控制環(huán)路由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成,電壓外環(huán)產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)參考信號iref,產(chǎn)生三相雙向DC/DC變換器開關(guān)管移相交錯控制信號PWM1、PWM2、PWM3。雙向DC/DC變換器的工作狀態(tài)由牽引網(wǎng)電壓Udc按照以下判斷邏輯確定：

圖7 超級電容電的壓、電流、儲能變化波形

圖8 變換器控制策略框圖

超級電容容充電時，如超級電容的電壓Usc達到其最大限定電壓Usc，max,則超級電容不能繼續(xù)充電。但為了延長超級電容壽命,不能立即切斷電流。同理可分析，超級電容放電時，Usc達到其最小限定電壓Usc，min的情況。因此應(yīng)采用限壓穩(wěn)流措施。由圖8可見，超級電容電流被限制在區(qū)間[imin,imax]。當(dāng)檢測到Usc接近Usc，max時,超級電容充電電流imax由控制器PI產(chǎn)生。當(dāng)超級電容電壓遠離Usc_max時,控制器PI不起作用,imax由用戶給定；此時的最大充電電流由超級電容額定充電電流確定。同理，可以分析超級電容放電時的低電壓保護情況。

5 結(jié)語

針對地鐵列車再生制動能量回收問題,對比了多種能量回收技術(shù),特別分析了基于非隔離雙向變換器的超級電容儲能裝置結(jié)構(gòu)。根據(jù)地鐵運營工況,確定了車載超級電容儲能裝置容量配置參數(shù),提出了雙向變換器的限壓穩(wěn)流控制策略。仿真結(jié)果表明,車載超級電容儲能裝置可有效利用列車制動能量的74 %,并且能穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓。

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Analysis of Regenerating Energy Utilization Based on Metro Vehicle Super Capacitor

ZHANG Yi, CHENG Jianguo, WU Songrong, GUO Shiming, CHEN Jing

In order to absorb the regenerative braking energy of metro train, some energy recovery technologies are compared. A super capacitor storage device based on non-isolated bi-directional DC/DC converter is researched, the structural characteristics and the operation principle of which are analyzed. When the train takes a brake, the storage device will absorb the energy and release it when the train starts to accelerate, and consequently the energy waste is cut down. According to the metro operation conditions, the configuration for storage device capacity and the energy management control strategy are analyzed. Finally, the feasibility of this scheme is validated through simulation.

metro vehicle; regenerative braking; storage device; super capacitor

*廣東省省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目(2012B090500022)

U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2016.09.013

2015-08-31)