天水市100%低地板有軌電車儲能系統(tǒng)研究

劉助威 張世友 謝耀征

【摘 要】文章簡述了現(xiàn)代有軌電車的供電方式，介紹了天水市有軌電車示范線（一期）項(xiàng)目有軌電車整車的基本技術(shù)參數(shù)。通過對項(xiàng)目整個線路的電量消耗仿真確定儲能系統(tǒng)的初步電量及配置，依據(jù)線路網(wǎng)側(cè)電流仿真校核車載儲能系統(tǒng)的容量，并與目前幾種常用車載儲能系統(tǒng)進(jìn)行簡要對比;確保所述儲能系統(tǒng)滿足項(xiàng)目要求。

【關(guān)鍵詞】儲能;超級電容;100%低地板有軌電車

【中圖分類號】U482.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）09-0048-03

0 前言

目前，我國新型有軌電車發(fā)展迅速，現(xiàn)有100%低地板有軌電車供電方案主要包括接觸網(wǎng)供電和無接觸網(wǎng)兩種供電方式;無接觸網(wǎng)供電又主要分為地面供電方式和采用車載儲能裝置供電方式[1-4]（如圖1、圖2所示）。

國內(nèi)車載儲能介質(zhì)主要有鋰電池、超級電容等，各介質(zhì)主要特性對比分析見表1。

1 車輛總體技術(shù)參數(shù)

天水市有軌電車示范線（一期）項(xiàng)目采用的車型為5個模塊編組，2個動力轉(zhuǎn)向架，1個拖動轉(zhuǎn)向架，雙向行駛，正線采用儲能式無架空接觸網(wǎng)供電方式運(yùn)行，具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的100%低地板現(xiàn)代有軌電車。主要技術(shù)參數(shù)見表2。

2 儲能系統(tǒng)配置

天水市有軌電車示范線工程（一期）線路平均站間距大于1 km，目前國內(nèi)采用超級電容（EDLC）儲能介質(zhì)的項(xiàng)目基本平均站間距都小于1 km，因?yàn)镋DLC能量密度比較低，所以如果要實(shí)現(xiàn)大站間距的運(yùn)行，必然需要配置更多的超級電容，而現(xiàn)代有軌電車車頂設(shè)備安裝空間有限。

為了滿足天水市有軌電車縮短發(fā)車間隔的需求，需要有軌電車所載儲能介質(zhì)具有較高的功率密度滿足快速充電的需求，并且需要該存儲介質(zhì)具有一定的能量密度，以滿足有軌電車在站間的續(xù)航。超級電容是目前常見的功率密度較大的儲能介質(zhì)，但是通過表1可知，一般的雙電層超級電容能量密度太低，為滿足能量密度的需求，在此選取由美國MAXWELL公司和中車青島四方車輛研究所共同開發(fā)的鋰離子超級電容（LCAP），這種超級電容兼具了功率密度大和能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，并且具有高達(dá)100萬次的循環(huán)使用壽命及-30 ℃正常運(yùn)行的特性，比較適合在有軌電車車載儲能中應(yīng)用。

依據(jù)線路仿真結(jié)果，全線路站間能耗如圖3所示。

由圖3可見，整車對超容電量需求最大站間耗電量為12 kW·h（不考慮再生制動），考慮系統(tǒng)壽命后期容值衰減至80%，則要求儲能系統(tǒng)初始可用電量：

W初≥Wmax/μ=12/0.8=15 kW·h（Wmax表示區(qū)間最大耗電量，μ表示衰減系統(tǒng)）。

依據(jù)電量計算，初步配置的整個超級電容供電系統(tǒng)包括100個超級電容模組，采用10串10并，分為3個箱子，其中2個箱子中含40個模組（I型箱），采用10串4并;另一個箱子中含有20個模組（II型箱），采用10串2并。

每個箱體配置一臺接觸器，在其中某一組發(fā)生故障時可以單獨(dú)切除。3個超容箱體并聯(lián)在一起，總共可以提供最大為1 222 kW、最少為765 kW的輸出功率（考慮內(nèi)阻影響），并且可以提供16.8 kW·h的初值電能，系統(tǒng)整個供電系統(tǒng)的基本配置見表3。

3 儲能系統(tǒng)詳細(xì)說明

3.1 儲能系統(tǒng)容量校核

列車儲能供電系統(tǒng)由3個超級電容箱體組成，安裝于有軌電車的頂部，列車運(yùn)行期間，牽引系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)直接從超級電容取電，電車進(jìn)站期間，由充電機(jī)對超級電容儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電保證列車在站間的能量消耗。超級電容儲能系統(tǒng)會將系統(tǒng)停止放電和停止充電信號反饋到整車控制器，保護(hù)超級電容系統(tǒng)。

制動時優(yōu)先使用再生制動，即牽引系統(tǒng)將制動能量饋入超級電容箱體內(nèi)。超級電容的工作范圍為510～815 V，制動反饋能導(dǎo)致超級電容電壓不應(yīng)超過815 V時（緊急制動），制動反饋電流不應(yīng)超過每個箱子額定充放電電流。

儲能系統(tǒng)性能參數(shù)見表4。儲能系統(tǒng)充放電電流校核。依據(jù)牽引仿真計算，全線路網(wǎng)側(cè)電流如圖4所示。

根據(jù)牽引計算結(jié)果，車輛行車過程中：最大牽引電流≤1 200 A;最大再生制動電流≤1 300 A。

（1）整車超容儲能系統(tǒng)采用10S10P，每個I型超容箱采用10S4P，因此I型超容箱，在正常行車中，最大牽引電流≤480 A，最大再生制動電流≤520 A;II型超容箱最大牽引電流≤240 A，最大再生制動電流≤260 A。

（2）站內(nèi)整車充電電流為1 500 A，I型箱充電電流為600 A;II型箱充電電流為300 A。

對比表4，可知所選車載儲能裝置能滿足項(xiàng)目設(shè)計需求。

3.2 車站充電控制

當(dāng)充電樁檢測到車輛的電子標(biāo)簽，表明車輛已經(jīng)進(jìn)站，同時充電樁檢測車輛母線電壓在范圍之內(nèi)，上述兩個條件同時具備時，充電樁給車載儲能進(jìn)行試充電;試充的目的是檢測車載儲能的狀態(tài);理想充電曲線如圖5所示。

充電樁以恒定電流i對儲能系統(tǒng)進(jìn)行試充;試充時間為t。

充電樁在試充時間段取兩個采樣點(diǎn)，Ta/Tb;采集相應(yīng)的累計電荷量及電壓值，進(jìn)行容值計算，根據(jù)容量計算公式：C=ΔQ/ΔU[其中：ΔQ=Qb-Qa=i×（Tb-Ta）]，ΔU=Ub-Ua。

可以計算整車儲能系統(tǒng)容值，從而判斷幾個儲能箱體在線，這樣在試充結(jié)束后可以依據(jù)實(shí)際在線儲能箱體的個數(shù)進(jìn)行電流調(diào)整。當(dāng)充電結(jié)束后，充電樁檢測到車輛離開充電柜時，斷開充電電路，車輛離站，整個充電過程結(jié)束。

4 結(jié)語

本文介紹的有軌電車儲能系統(tǒng)能夠很好地滿足天水項(xiàng)目的技術(shù)需求，提供了一個較大站間距的全程無架線的儲能系統(tǒng)解決方案。目前，車載儲能式有軌電車正處于發(fā)展階段，國內(nèi)主要的車載儲能介質(zhì)有鋰電池/超級電容，但上述兩種儲能方式都有一定的弊端，本文描述的儲能系統(tǒng)在一定程度上兼顧了電量和功率兩個因素，能在很好地滿足牽引加速性能的同時，盡可能地延長站間距。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李榮吉.現(xiàn)代有軌電車新型地面供電方式分析[J].中國設(shè)備工程，2019（1）：146-147.

[2]李志，王威.淺談有軌電車新型供電技術(shù)——Tramwave地面供電系統(tǒng)[J].科技風(fēng)，2018（1）：152，5-9.

[3]王健全，袁富衛(wèi).城市有軌電車供電方式探討[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2015（1）：47-51，58.

[4]吳泳江.現(xiàn)代有軌電車新型供電方式發(fā)展及運(yùn)用現(xiàn)狀[J].中國設(shè)備工程，2014（5）：5-9.