基于超級(jí)電容的地鐵列車再生制動(dòng)能量利用分析

周春梅 岳立明 李桂娟

摘? 要：由于城市地鐵列車運(yùn)行的特殊性，需要頻繁起停，進(jìn)而容易造成電能的損耗。為了有效地回收列車制動(dòng)能量，降低列車起停的電能損耗，通過構(gòu)建超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，高效地處理列車制動(dòng)能量。在非隔離雙向DC/DC變換器的系統(tǒng)運(yùn)行下，可以將列車制動(dòng)的能量進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存，當(dāng)列車加速驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以釋放出儲(chǔ)存的能力，提高了能量的利用效率。該文基于超級(jí)電容的地鐵列車再生制動(dòng)能量利用設(shè)想，在仿真模擬實(shí)驗(yàn)下論證該技術(shù)方案的可行性與安全性。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容;列車制動(dòng)能量;儲(chǔ)能設(shè)備;非隔離雙向DC/DC變換器

中圖分類號(hào)：TM53? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的不斷加快，列車制動(dòng)能量利用項(xiàng)目已經(jīng)得到了更多專家學(xué)者的重視。在列車制動(dòng)的過程中，將牽引電機(jī)由耗電驅(qū)動(dòng)狀態(tài)切換為發(fā)電儲(chǔ)能狀態(tài)，進(jìn)而將列車制動(dòng)的能量儲(chǔ)存輸出到直流牽引網(wǎng)當(dāng)中，不僅有效地提高了能量的利用效率，并且延緩了列車制動(dòng)造成的設(shè)備損耗。

1 非隔離雙向DC/DC變換器的超級(jí)電容系統(tǒng)分析

1.1 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器是一種非常耐用的儲(chǔ)能設(shè)備，由于該設(shè)備采用了非常多的新材料和新工藝，因此該設(shè)備的儲(chǔ)能效率得到了很好的保證。該設(shè)備在能量儲(chǔ)存時(shí)不會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)能的效率較高且使用的壽命較長，可以作為理想的儲(chǔ)能設(shè)備。

1.2 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

在研究地鐵列車制動(dòng)能量利用技術(shù)方案時(shí)，采用了非隔離雙向DC/DC變換器的超級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以快速有效地轉(zhuǎn)換吸收列車制動(dòng)產(chǎn)生的能量。在列車起動(dòng)加速時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備可以快速地釋放能量為列車提供驅(qū)動(dòng)電能，進(jìn)而降低列車牽引網(wǎng)的電能損耗。通過超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用，不僅合理地利用了列車制動(dòng)的能量，并且合理地穩(wěn)定了牽引網(wǎng)的電壓，提高了列車運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

1.3 能量利用特點(diǎn)

在列車制動(dòng)的過程中，如果制動(dòng)的能量沒有被合理的轉(zhuǎn)換吸收，超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中的電壓傳感系統(tǒng)，則可以通過監(jiān)測(cè)電壓的變化，進(jìn)而判斷出儲(chǔ)能設(shè)備是否發(fā)生了實(shí)際效能。如該文提到了非隔離雙向變換器系統(tǒng)，就是通過Buck工作模式和Boost工作模式進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而保證了制動(dòng)能量可以被有效吸收，同時(shí)吸收的能量值可以控制在系統(tǒng)設(shè)定的范圍之內(nèi)，確保超級(jí)電容器可以穩(wěn)定有序的正常工作。在超級(jí)電容器工作時(shí)，為了避免電流紋波和二極管產(chǎn)生反向的恢復(fù)電流，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行造成一定影響。為此需要充分地發(fā)揮出三相雙向DC/DC變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，有效地解決這一問題，提高超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性。

2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

在研究列車制動(dòng)能量利用技術(shù)方案時(shí)，暫且不考慮列車的發(fā)車間隔密度，默認(rèn)列車制動(dòng)過程中產(chǎn)生的所有能量全部被超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備吸收，則可以完成后續(xù)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)。該文以我國A城市的某條地鐵線路為研究對(duì)象，該地鐵列車的制動(dòng)初速度不超出60 km/h，因此在仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，則以地鐵列車的制動(dòng)初速度為60 km/h進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)選擇非隔離雙向DC/DC變換器的儲(chǔ)能電容器為儲(chǔ)能研究系統(tǒng)。該系統(tǒng)的單體電容值為3 500 F，單體的標(biāo)準(zhǔn)電壓為2.7 V，儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作電流為600 A，最大的額定電流為1 240 A。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能力轉(zhuǎn)換效率為50%時(shí)，則該超級(jí)電容器的單體能量值E=1/2×CU2×75%=9 568J。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并在能量約束法的計(jì)算下，得出了該超級(jí)電容的并聯(lián)個(gè)數(shù)為N×M=4 215，為了減少IGBT的電流應(yīng)力，以此超級(jí)電容器的額定電壓設(shè)計(jì)為1 400 V，最低端的電壓為700 V。在考慮到制動(dòng)能量裕量的影響下，超級(jí)電容器的串聯(lián)數(shù)N=550，而設(shè)備對(duì)應(yīng)的并聯(lián)數(shù)M=9。因此在研究該列車的制動(dòng)能量利用時(shí)，需要構(gòu)建519×9=4 671個(gè)超級(jí)電容單體，而每一個(gè)電容單體的電容量為55 F。

在仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中將超級(jí)電容器的初始電壓設(shè)計(jì)為1 200 V，當(dāng)列車起動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)的電壓瞬間跌落到了1 400 V，而此時(shí)的牽引網(wǎng)功率為3 200 W。在列車制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)的電壓升至1 760 V，在制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化之后，列車再次起動(dòng)牽引網(wǎng)的消耗功率，出現(xiàn)了一定的減少。因?yàn)槌?jí)電容器為列車的再次起動(dòng)提供了一定的電功率，因此列車再次起動(dòng)時(shí)，列車的起動(dòng)功率則降低到了1 600 W。由于列車制動(dòng)過程中超級(jí)電容器吸收了部分能量，因此列車的牽引功率和制動(dòng)功率出現(xiàn)了一定變化，進(jìn)而使得牽引網(wǎng)的功率波動(dòng)得到了有效改善。

2.3 數(shù)據(jù)論證分析

如圖1所示反饋出了列車仿真實(shí)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料，（a）是列車制動(dòng)時(shí)的電壓變化，（b）是列車能量轉(zhuǎn)換時(shí)功率的變化，（c）是列車儲(chǔ)能的變化。

通過對(duì)列車運(yùn)行周期內(nèi)電壓、功率、儲(chǔ)能等數(shù)據(jù)資料的分析研究可知，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容器釋放儲(chǔ)存的能量，此時(shí)的端電壓由1 200 V降低到了700 V，在超級(jí)電容設(shè)備不工作時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備的最大放電功率達(dá)到了3 300 W，完全釋放的能量為7.26 kW·h。在列車制動(dòng)時(shí)，列車的端電壓升高到了1 255 V，此時(shí)超級(jí)電容器吸收了4 500 W的功率，對(duì)應(yīng)的能量達(dá)到了8.29 kW·h，相對(duì)傳統(tǒng)的起動(dòng)能耗節(jié)約了74%的電能。通過對(duì)非雙向轉(zhuǎn)換器超級(jí)電容系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)下，充分地說明了該技術(shù)方案的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，可以科學(xué)合理地降低列車行駛過程中的能耗，提高列車運(yùn)行的整體經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

3 結(jié)語

綜上所述，在利用城市地鐵列車制動(dòng)能量時(shí)，為了確保該技術(shù)方案的可行性與可靠性，該文選擇我國某城市的列車運(yùn)行參數(shù)和非隔離雙向超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬研究，通過仿真模擬研究可知，合理地將列車制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以為列車的起動(dòng)節(jié)省74%的能量，有效地提高了列車運(yùn)行的安全性、可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]王彬，楊中平，林飛，等.基于節(jié)能穩(wěn)壓的地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2018，38（6）：45-52.

[2]鄧文豪，肖彥君，吳茂杉.基于列車制動(dòng)的超級(jí)電容型儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與控制[J].鐵道機(jī)車車輛，2018，30（4）：58-62.